Гидрогеологический дайджест

Прошу прощения за длительное отсутствие. Работы много.

• Hydrogeology - A Global Perspective. Сборник статей о гидрогеологии, доступный для бесплатного скачивания. 
• MODFLOW-USG (UnStructured Grids): A Game Changer for Groundwater Modeling. Теперь MODFLOW умеет не только ортогональные сетки. Последние преимущества у конечно-элементных моделей отнимают.
• Aquifer Testing Reference List. Подборка ссылок на статьи и книги, посвященные опытно-фильтрационным работам. 

Моделирование в понижениях

Коллега в телефонной беседе напомнил про один очень полезный и неочевидный трюк. Как известно, нестационарные модели очень чувствительны к начальному распределению напоров. Получить это распределение можно двумя путями: интерполяцией фактически наблюденных напоров в наблюдательных точках (скважинах); либо с помощью откалиброванной стационарной модели. Очевидны недостатки обоих подходов: для первого не всегда хватает исходных данных, а второй чреват ошибками (все упирается в качество решения обратной задачи).
Однако, существует массивный пласт задач, для которых совершенно не обязательно знание о распределении напоров. К примеру: определение водопритока к котловану. Нам совершенно неважно какой там напор, в качестве результата нас устроит достигнутое понижение и расход.
В этом случае допустим такой приём: заменяем в нашем расчете термин «напор» на термин «понижение». Таким образом, «начальный напор» становится «начальным понижением», которое, очевидно, равно нулю. Все модельные слои должны быть напорными (Confined), даже если они не являются таковыми. Важно помнить: изолинии и массивы результатов, получаемые при таком расчете, будут показывать не напоры, а понижения. Расходы будут такими же, как и при расчете в термине «напор».
Совершенно ясно, что и этот подход не лишен недостатков и ограничений. Так, без дополнительных ухищрений невозможно учесть эффект осушения пластов, а величины расходов могут оказаться существенно завышенными для безнапорных горизонтов, как это всегда бывает, если их задать напорными.

Симуляция откачек на сеточных численных моделях

Когда я только начинал карьеру гидрогеолога, мне попалась достаточно интересная задача — надо было более или менее автоматизировать процесс обработки экспресс-откачек. Ясное дело, что там все элементарно можно было сделать с помощью аналитических формул и «экселя», но я не стал искать легких путей и зарядил все это дело в MODFLOW. Результатом трудов стала статья в сборник работ института «ВОДГЕО», ознакомиться с которой вы можете по ссылке: Определение фильтрационных параметров по данным экспресс-откачек с использованием численного моделирования.pdf.
Недавно обнаружил, что я не один такой «хитрый»: Rushton, K. R. & Chan, Y. K., 1976, A numerical model for pumping test analysis, Proc. Instn Civ. Engrs, Part 2, 61, pp. 281-296 and Barrash, W. and M.E. Dougherty, 1997, Modeling axially symmetric and nonsymmetrical flow to a well with MODFLOW, and application to Goddard2 well test, Boise, Idaho, Ground Water ,Vol. 35, No. 4: pp. 602-611 — http://info.ngwa.org/gwol/pdf/972062742.PDF

Modflow.ru

Скиберсквотил вкусный домен: modflow.ru. Что делать с ним - пока не решил. Пока поставил заглушку. Со временем планирую там сделать более или менее полноценный сайт-визитку, но это дело не ближайших месяцев.
Если кому нужен почтовый ящик типа ваше_имя@modflow.ru, пишите на water+blog@alick.ru, или заполните форму на сайте.

Гидрогеологический дайджест

An Alternative to Low Flow Groundwater Sampling: HydraSleeves. Оказывается, даже в такой консервативной области, как отбор проб воды из скважин, могут быть новые разработки. Как вспомню, как мы желонкой 50-метровую скважину «прокачивали» — в дрожь бросает.

Benefits of the HydraSleeve:

• You can sample for all compounds (not just VOCs)
• You can sample a well in less than 15 minutes
• You can cut costs by 50% to 80%
• You can reduce purge water to a big fat goose egg

Additional benefits of the HydraSleeve can be found here: http://www.hydrasleeve.com/learn-about-the-hydrasleeve.

Groundwater Sampling in a Snap. Еще одна ссылочка на вышеобозначенную тему.

Back in March, I wrote a post on the Joys of Low Flow Groundwater Sampling (or not). Instead, I reviewed an alternative to this procedure — the Hydrasleeve. At the same time, I came across another option for those of you out there that get as much enjoyment from low flow sampling as you do paper cuts, thistles, and flaming dog poo: The Snap Sampler.

Modeling Salt Water Intrusion: the Freshwater/Salt Water Interface. Меня тут недавно спрашивали об особенностях моделирования потока соленых и пресных вод. так вот, MODFLOW в чистом виде для этого не годится. Нужны другие модели. Типа той, о которой идет речь в этой заметке.

Due to the difference in density, there is a fairly sharp interface between freshwater and sea water in the subsurface. Thus, as freshwater flows out to the sea, it floats on top of a sea water wedge. The region of mixing at this interface is quite thin, leading to fairly sharp devide between the two fluids. In general, the brackish water that develops in this mixing zone flows outward to sea, rather than contaminating the freshwater. Under steady-state conditions, this situation is fairly stable, but pumping freshwater from the aquifer can change the pressure regime of the subsurface. This may lead to seawater being drawn into the freshwater aquifer and permanently degrading the aquifer’s water quality.

World average annual evapotranspiration web map now available! В то время, пока наши ФГУПы и ТИСИЗЫ секретят и ДСПсят все что только можно и нельзя, мериканцы выложили во всеобщий доступ интерактивную карту величин среднегодовой эвапотранспирации. Посмотрел цифры для Москвы и области — вроде правдоподобные.

Most of us understand the hydrologic cycle in terms of the visible paths that water can take: rainstorms, rivers, waterfalls, swamps, etc.  However, an even larger volume of water flows through the air all around us in two invisible paths: evaporation and transpiration. They claim 61% of all terrestrial precipitation, and together are referred to as evapotranpsiration. In order to better understand this important process, Esri’s Mapping Center has produced a web map showing the world’s average annual evapotranspiration.

Carlos Molano’s YouTube Channel on Groundwater Modeling Spreadsheets. Я давно слежу за творчеством Карлоса Молано. Когда-то я наивно считал себя чуть ли не гуру расчетов в Excel-е. Как же я ошибался: по сравнению с Карлосом я вообще ничегео не умею.

Last year, I wrote about the groundwater modeling spreadsheets developed by hydrologist Carlos Molano.  Molano has published a series of these spreadsheets on his personal website.

I recently learned that Molano also has a youtube channel, where he discusses using spreadsheets to solve groundwater modeling problems.

Ссылки

SUTRA, an open-source option for modeling groundwater flow on a mesh. Вот, еще одна моделька появилась.

UTRA is a groundwater modeling code published by the United States Geological Survey. In many ways, it is similar to MODFLOW. SUTRA solves equations that simulate groundwater flow, solute transport with adsorption and decay, and thermal energy transport in groundwater. SUTRA can handle both steady-state or transient simulations. Physical properties can be projected on nodes or elements, or can be represented as a functions. Fluid density and viscosity are functions of temperature and solute concentration. Unsaturated flow properties are handled by a subroutine, UNSAT. Each node and element passes properties to and from UNSAT, which models flow through a series of unsaturated flow functions. Like MODFLOW, SUTRA communicates with input and output text files and runs in Fortran.

MODFLOW-USG, coming soon. А скоро и еще одна будет.

MODFLOW-USG (unstructured grid) is a new version of MODFLOW being developed by Sorab Panday of GMS.

According to the Aquaveo forum, MODFLOW-USG will probably be fully released at some point in 2012.

Водопровод. Интересный сайт с заметками о водоснабжении, в том числе и о гидрогеологическом моделировании. Вроде как блог, но логики в навигации сильно недостает.

Моделирование водозаборных скважин

При моделировании водозаборов или скважинного водопонижения часто возникает необходимость (да что там часто — почти всегда) в получении точного уровня воды в действующей скважине. Очевидно, что просто взяв напор в блоке со скважиной, мы получим недостаточно точное значение. Как же перейти от напора в модельном блоке к напору непосредственно в скважине. Достаточно просто, процитирую статью Р.С.Штенгелова «Поиски и разведка подземных вод»:

...остановимся на моделировании работы водозаборов. Оно применяется, если необходимо учесть выявленные при разведке особенности неоднородного распределения параметров, сложные граничные условия, структуру потока и др., которые явно не удается безболезненно упростить для аналитических расчетов. Принципиально моделирование "водозаборных" задач ничем не отличается от других. Специфика состоит лишь в обязательном наличии водозаборных скважин (хотя они могут быть и в других задачах - дренажи, закачка промстоков, подземное выщелачивание и т.п.).

Основная особенность моделирования скважин: если в блок модели подать дебит скважины Q₀ , то в нем при решении будет получен напор H_B(или понижение S_B), не отвечающий реальному напору (понижению) в скважине H_c(S_c). Почему ?

В природе поток в непосредственной близости от скважины имеет практически радиальный характер, а распределение напоров подчиняется логарифмике Дюпюи:

(1) H^{*} - H_{c} = \frac{Q_{c}}{2\pi T}ln\frac{\Delta x}{r_{c}}

В отличие от этого, на модели "приток" к водозаборному блоку происходит в виде линейных потоков из четырех смежных блоков (см. рисунок); расход каждого из таких потоков:

Q=KFI=Km\Delta x\frac{H^*-H_{B}}{\Delta x}

Так как Q=\frac{1}{4}Q_c, то:

(2) H^* - H_{B} = 0.25\frac{Q_c}{T}

Если теперь почленно вычесть (2) из (1), то:

(3) H_{B}-H_{c}=S_{c}-S_{B}=\frac{Q_c}{T}\left(\frac{1}{2\pi}ln\frac{\Delta x}{r_{c}}-0.25\right)

Таким образом, к напору/понижению, получаемому в «скважинном» блоке, следует сделать поправку по формуле (3). Особенно об этом надо помнить при работе с «чужими» программами численного моделирования, для которых, как правило, нет внятного описания многих деталей построения расчетных алгоритмов. Решить эту проблему (а это действительно проблема, так как разность может быть весьма значительной) можно только путем тестирования программы по аналитическим решениям.

При конструировании модельной сетки следует стремиться к квадратной разбивке в области расположения скважин, стараясь «посадить» скважины в узлы блоков.

Еще одно замечание: если в один блок сетки модели попадают несколько работающих водозаборных скважин, то их приходится объединять в одну эквивалентную, т.е. заменять их «большим колодцем» с суммарным дебитом, рассчитав его радиус по вышерассмотренным зависимостям.

Характер притока к водозаборной скважине в РЕАЛЬНОМ (синие стрелки) фильтрационном потоке и на СЕТОЧНОЙ МОДЕЛИ (черные стрелки)

Из выражения (3) так же следует, что если вы не хотите каждый раз пересчитывать «сеточный» напор в «скважинный», то размер блока модели\Delta x, при котором теоретически H_{B}=H_{c}, следует задавать таким:

\Delta x=e^{0.5\pi}r_{c}\approx 4.81r_{c}

Таким образом, если радиус нашей скважины составляет r_c=125 мм, то размер «скважинного блока» модели должен быть равен приблизительно 0.6 м. Не очень то много — так дробить сетку не каждая модель позволит.

P.S.: в книге “FINITE-DIFFERENCE MODEL FOR AQUIFER SIMULATION IN TWO DIMENSIONS WITH RESULTS OF NUMERICAL EXPERIMENTS” By P. C. Trescott, G. F. Pinder, and S. P. Larson на 9 и 10 странице приводится похожее решение этой задачи.

Сколько метров в градусе

У моего блога небольшой юбилей — 100-я запись. Чуть более назад, когда я начинал это дело, мне и в голову не могло придти, что рубеж в сотню постов вообще будет преодолен. В голове тогда было идей на пару десятков записей, а вот поди ж ты. А поделиться в этот «зднаменательный» пост я хотел небольшим “know how”, которое будет очень полезно тем, кто столкнулся с реальными задачами, а не тестовыми примерами из обучающих наборов.
Большая часть программ для гидрогеологического моделирования с географическими координатами, выраженными в градусах, работать либо не умеют, либо умеют, но так, что лучше бы не умели вовсе. В то же время, общедоступные подборки векторных карт от сообщества OpenStreetMap, которые очень удобно использовать в качестве подложек для моделей, на беду представлены именно в градусной координатной сетке (Longitude/Latitude WGS84, если «выражаться» в терминах MapInfo). Так что же делать? Надо поменять градусную координатную сетку на метровую. В том же MapInfo это делается путем пересохранения нужного слоя в проекции Universal Transverse Mercator WGS84. Главное тут — не ошибиться сильно с зоной (Москва, в частности, находится в 37-й зоне), но в этом вопросе поможет разграфка зон UTM (via: Часто задаваемые вопросы по координатам, проекциям, системам координат).