Hidrodinamikai és transzportmodellezés I. kurzus kezdőknek

Hidrodinamikai és transzportmodellezés I. kurzus kezdőknek Szervezők: Szegedi Tudományegyetem (SZTE), Földtudományi Tanszékcsoport Miskolci Egyetem (ME), Műszaki Földtudományi Kar Nyugat-Magyarországi Egyetem (NYME), Földtudományi Intézet International Association of Hydrogeologists (IAH) Hungarian National Chapter Magyarhoni Földtani Társulat (MFT) Alföldi Területi Szervezet Helyszín, időpont: Ópusztaszer, Erdei Vendégház, 2006. november 15-17. Előadók: Kovács Balázs és Szanyi János Program: 2006. november 15. 10.30. Érkezés, regisztráció, a szálláshelyek elfoglalása 11.30-13.00 − 1. A modellezéshez szükséges hidrogeológiai alapismeretek 13.00-14.30 Ebéd 14.30-18.00 − 2. Térképszerkesztés Surfer for Windows környezetben − 3. Önálló térképszerkesztési feladat 18.00-18.30 Konzultáció, napi tapasztalatok megbeszélése 19.00-20.00 Vacsora 2006. november 16. 8.00-9.00 Reggeli 9.00-12.30 − 4. Modellezés elméleti alapismeretek (hogyan építsünk modellt?) − 5. Processing MODFLOW for Windows modellezési környezet bemutatása 13.00-14.30 Ebéd 14.30-17.00 − 6. Permanens állapotra vonatkozó hidrodinamikai modell építése − 7. Önállóan megoldandó hidrodinamikai feladat 17.00-18.00 Konzultáció, KULTÚRPROGRAM 19.00-20.00 Vacsora 2006. november 17. 8.00-9.00 Reggeli 9.00-13.00 − 8. Nem permanens állapotra vonatkozó hidrodinamikai modell építése − 9. Önállóan megoldandó nem permanens hidrodinamikai feladat 13.00-14.30 Ebéd 14.30-16.00 − 10. A transzportmodellezés bemutató − 11. A modellek eredményeinek értékelése, paraméter-érzékenysége, kalibráció, vizualizáció és animáció 16.00 Hazautazás A kurzus során használt szoftverek: − Processing MODFLOW for Windows v5.3 − Surfer for Windows v8 Tankönyv: Kovács B. – Szanyi J.: Hidrodinamikai és transzportmodellezés Processing MODFLOW környezetben I-II., Miskolci Egyetem – Szegedi Tudományegyetem, 2004-2005

Hidrogeológia

Hidrogeológiai alapismeretek Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006

Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Víz a felszín alatt

TALAJNEDVESSÉG ZÓNÁJA: Háromfázisú telítetlen zóna, szemcsék közötti hézagok vizet és levegőt egyaránt tartalmaznak. A szemcséket kétrétegű hidrátburok veszi körül, melynek belső rétegét a gyökerek szívóereje sem képes leszakítani. TALAJVÍZTÜKÖR: Kétfázisú, telített zóna határa. Jellemzője, hogy a tényleges nyomás a légköri nyomással egyezik meg. Néhány cm-től, néhány 10 m-es mélységben található. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Hidrosztratigráfia Vízadó (Aquifer): földtani egység, amely képes tárolni és szállítani a vizet úgy, hogy a vízadó kutakat táplálja. Ez általában konszolidálatlan homok, kavics, vagy homokkő, mészkő, dolomit, esetleg repedezett magmás vagy metamorf kőzet. Vízzáró (Confining layer): földtani egység, amelynek nagyon kicsi a permeabilitása, rossz a vízvezető képessége. A vízadókat víz-záró rétegek fogják közre. A víz csak nagyon lassan tud átszivárogni rajta, bár víztároló képessége lehet jó. A hazai gyakorlatban célszerűbb féligátersztő vagy átszivárgó (leaky confining layer) rétegről beszélni Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

1

Vízadó képződmények osztályozása I. Karsztos ill. repedezett vízadó : jellemzőjük, hogy nem az elsődleges (képződésükkel egyidejű) pórusok hanem inkább a másodlagosan kialakuló repedések, törések – melyek karbonátos képződmények esetén karsztosodhattak – tárolják ill. vezetik a vizet. A felszín felöli szennyezések általában gyorsan, késleltetés nélkül juthatnak le a hasadékvízszintig. Porózus vízadó: anyaga konszolidált vagy konszolidálatlan homok, kavics. Szokás talajvíz és rétegvízadó, illetve partiszűrésű vízadókra osztani. Utóbbi jó vízvezető képességű, jelentősebb vízfolyások közelében található, ahol a folyó menti rétegek vize közvetlen kapcsolatban van a vízfolyással. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Vízadó képződmények osztályozása II. Nyílt tükrű vízadó (Unconfined): a víz nyomásszintje – azaz a víztükör – a képződmény fedő szintje alatt van, ennek megfelelően a víz szintje a légnyomással tart egyensúlyt.

Zárt tükrű vízadó (Confined): a víz nyugalmi nyomásszintje a fedő szint felett van; szemléletesen nyomás alatti vízadónak is nevezzük. Szokás megütött és beállt vízszintről beszélni zárt tükrű rendszerek esetén. Az előbbi a vízadó fedőszintjét jelzi, az utóbbi pedig a nyugalmi nyomását


Darcy törvény I. Q = K A (hA-hB)/L ahol Q: egységnyi idő alatt átáramló vízmennyiség [L3/T]; hA-hB: vízoszlop magassága A,B pontban [L]; L: A és B pontok távolsága [L] K: szivárgási tényező (K tényező) [L/T]


2

Darcy törvény II. Darcy törvény különbségekkel felírva: •

• • •

Q = K A (dh/dl)

Az i = dh/dl hányadost hidraulikus gradiensnek, más néven hidraulikus esésnek nevezzük. (Dimenzió nélküli mennyiség [L/L]!) Horizontális és vertikális, azaz vízszintes és függőleges komponensét is szokás értelmezni. A két komponens eredője mutatja meg a szivárgás irányát. Az áramlás irányát döntően nem a nyomás és nem a térfelszín határozza meg, hanem a „h”. A „h” az egységnyi tömegű folyadék által tartalmazott mechanikai energia mértéke. Ha a Darcy által felírt egyenletet osztjuk a cső keresztmetszetével kapjuk a az áramlás intenzitást vagy fluxust (q). Dimenziója [L/T].

q = K (dh/dl)

ezt nevezzük Darcy-féle sebességnek vD

A valódi sebesség a Darcy-féle sebesség osztva a szabad hézagtérfogattal:

v = vD/n0 Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Szivárgási tényező • A szivárgási tényező az előző egyenletből adódóan szintén „sebesség” dimenziójú [L/T] • King Hubert (1956) rámutatott, hogy a Darcy féle arányossági konstans (K) egyaránt jellemzi a fluidumot és a közeget, amelyben a folyadék áramlik. - K tényező fluidumra jellemző része egyenesen arányos a folyadék fajsúlyával (γ) és fordítottan arányos a folyadék viszkozitásával ( µ). A fajsúly a folyadék sűrűségének és a gravitációs gyorsulásnak a szorzata: γ = ρg - K tényező közegre jellemző része egyenesen arányos a szemcsék alakjával (C) és a szemcsék átmérőjének négyzetével: (d2) • A Közegre jellemző paraméterek szorzatát belső permeabilitásnak nevezzük és Ki -vel jelöljük. Ki = C d2 - A fentiek alapján K = Ki (γ /µ) = Ki (ρg /µ) - Az előző egyenletből Ki -t kifejezve: Ki = K /(ρg /µ) = Kµ /ρg

[L2]

• A belső permeabilitás mértékegysége a „darcy” 1 darcy = 9,87 x 10-9 cm2; 1 milidarcy = 9,87 x 10-12 cm2 Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Szivárgási tényező Egy képződmény vízadó képességét legjobban a szivárgási tényező és a vastagság szorzata jellemzi, melyet transzmisszivitásnak neveznek (jele:T, dimenziója: [L2/T]). T=Km Könnyen belátható, hogy ugyanakkora vízhozamot képes szolgáltatni azonos feltételek esetén egy adott vastagságú és szivárgási tényezőjű réteg, illetve kétszer akkora szivárgási tényezővel jellemezhető, fele akkora vastagságú réteg. A rétegekben mozgó vagy kutakkal kitermelt víz „mennyiségét” az időegység alatt átáramló vagy kitermelt vízmennyiséggel jellemezzük, amit vízhozamnak nevezünk (jele: Q, dimenziója [L3/T]). Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

3

Porozitás A porózus közegben a pórusok térfogatának és a teljes térfogatnak az arányát hézagtérfogatnak vagy idegen szóval porozitásnak nevezik (jele: n). A teljes pórustérnek azonban csak egy részében történik szivárgás, a szemcsék körül kötött hidrátburok, a szemcsék mellett szegletvíz, zárt pórustérben található vizek, illetve kapilláris erők által kötött vízmolekulák is vannak. A víz mozgásában részt vevő pórustér térfogatának és a teljes térfogatnak az arányát szabad hézagtérfogatnak vagy effektív porozitásnak nevezik (jele: n0). A definíció alapján triviális, hogy a szabad hézagtérfogat a hézagtérfogatnál mindig kisebb szám. Szokásos még a hézagtényező (e) használata is, mely a pórustérfogatnak a szemcsék térfogatához viszonyított aránya. A definíció alapján a hézagtérfogat 1-nél kisebb, valójában 0,35-nál kisebb érték, míg a hézagtényező értéke speciális esetekben, pl. szerves agyagok vagy tőzeges képződmények 1-nél nagyobb is lehet. A teljes és a szabad hézagtérfogat, valamint a hézagtényező dimenziónélküli szám [L3/L3]. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Vízoszlop nyomó magassága felszín

A Darcy törvényben szereplő henger két végén mért nyomás úgy is kiszámítható, hogy a víz fajsúlyát (g) szorozzuk a vízoszlop magasságával (ϕ):

nyugalmi vízszint

P = γϕ

ϕ

azaz

h h

P

P = ρgϕ

z z z=0

ϕ = h−z Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Potenciál I. • A felszínalatti víz energiája mechanikai, termikus vagy kémiai jellegű. Mivel az energia térbeli eloszlása nem egyenletes, ezért a víz áramlással próbálja kiegyenlíteni az energia különbségeket. Ezért kell foglalkozni fizikai és termodinamikai törvényekkel. A továbbiakban feltételezzük, hogy a víz konstans hőmérsékletű, valamint oldott sótartalma, azaz sűrűsége sem változik. • A z0 vonatkoztatási szintről emeljünk fel egy „m” tömegű víztestet P pontba. Vizsgáljuk meg mennyi munkát kell ehhez végeznünk!

P (z; p; v; ρ)

- Gravitáció ellen végzett munka: W1 = mgz

M (z =0; p ; v =0; ρ ) 0

0

0

- Gyorsításkor végzett munka: mv 2 W2 = 2 - Tágulási munka: p dp W3 = m ∫

0

p0

ρ


4

Potenciál II. •

A végzett munkák összege az „m” tömegű folyadék potenciális energiájával azonos:

W = mΦ Egységnyi tömegre eső energiatartalom: p

Φ=

W W1 + W2 + W3 v2 dp = = gz + + ∫ m m 2 p0 ρ

(Bernoulli egyenlet)

Egyszerűsítve, becsléseket alkalmazva:

Φ = gz + •

p − p0

ρ

(Hubbert féle energia egyenlet)

Előzőek alapján P pontban a nyomás:

p = ρgϕ + p0 •

azaz

p = ρg (h − z ) + p0

Behelyettesítve a Hubbert féle energia egyenletbe:

Φ = gz

ρg (h − z ) + p0 − p0 = gh ρ


Potenciál III. A folyadék szivárgási potenciálját a porózus közegben a folyadék tömegegységre vonatkoztatott mechanikai energiájaként értelmezzük. A potenciál megváltozása az a munka, amit be kell fektetni vagy nyerünk, miközben a vizsgált folyadék az áramlási térben az egyik pontból egy másik pontba jut. A potenciál-változás a két pont között jelentkezhet a helyzeti energia, a mozgási energia, illetve a nyomás vagy a folyadék-sűrűség megváltozásában. A képződményekben a víz a potenciálkülönbségek hatására mozog. A potenciál “egy olyan fizikai mennyiség, amely egy áramlási közeg bármely

pontjában meghatározható és amely nagyságával meghatározza térbeli irányultságtól függetlenül a szivárgás irányát oly módon, hogy a szivárgás mindig a nagyobb potenciálú hely felől a kisebb potenciálú hely felé történik.” A potenciál abszolút értéke nem mérhető, csak egy viszonyítási ponthoz képesti értéke adható meg. Potenciálkülönbségek ugyanakkor egyszerűen meghatározhatók.


Áramlási Egyenletek I.

Válasszunk ki a vízadó rétegből egységnyi térfogatú, homogén, izotróp kockát. Z

+ ρq x  →

x

∂ ( ρq x )    → −  ρq x + ∂x  

Y

Ha qx a Darcy törvényből megismert „intenzitás” (fluxus), ρ a folyadék sűrűsége, akkor ρqx tömegáramlási sűrűség vagy tömegfluxus x irányban. A fenti ábra jobb oldalán a kiáramló tömegfluxus látható. A

∂( ρqx ) tag az x irányú bemenő és kimenő oldal közötti változást jelenti. ∂x Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

5

Stacionárius áramlások A tömegfluxus egyenletét a tér mindhárom irányába fel lehet írni. Ha állandósult (stacionárius) áramlást tételezünk fel, akkor a beáramló tömeg-fluxusnak azonosnak kell lenni a kiáramló tömeg fluxussal, azaz a változások összege zérus:

∂ ( ρq x ) ∂ ( ρq y ) ∂ ( ρq z ) + + =0 ∂x ∂y ∂z

Ez a stacionárius áramlás folytonossági egyenlete

∂h Darcy törvényből q x = − K -t behelyettesítve: ∂x

∂  ∂h  ∂  ∂h  ∂  ∂h  K + K + K  = 0 ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z  rendezve:

∂ 2h ∂ 2h ∂ 2h =0 + + ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2

(Laplace egyenlet)

A Laplace-egyenlet megoldása mutatja meg a h potenciometrikus szint nagyságát bárhol a háromdimenziós áramlási térben. Regionális áramlások tanulmányozására használják (nincsenek sem források, sem nyelők). Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Tranziens áramlások Ha az áramlás nem stacionárius, akkor tranziens (átmeneti vagy időben változó) áramlásról beszélünk, ebben az esetben nem érvényes a Laplace egyenlet, azaz a jobb oldal nem zérus

∂ 2 h ∂ 2 h ∂ 2 h S 0 ∂h ahol S0 fajlagos tárolási tényező, vagy kapacitás + + = ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 K ∂t Az S0/K hányados határozza meg, hogy a megváltozott nyomás mennyi idő alatt fog kiegyenlítődni. (A K/S0 hányadost hidraulikus diffuzivitásnak nevezik [L2/T]). • Fajlagos tárolási tényező (S0): Az a vízmennyiség, amit egységnyi térfogatú nyomás alatti vízadó veszít a hidraulikus emelkedési magasság egységnyi csökkenése során [L3/L4] = [1/L], értéke 3,3*10-6 ÷ 2*10-2 között változhat • Tárolási tényező (S): Az a vízmennyiség, amit egységnyi felületű nyomás alatti vízadó veszít a hidraulikus emelkedési magasság egységnyi csökkenése során [L3/L3], S= S0 m, ahol m a rétegvastagság • Fajlagos hozam, más néven aktív hézagtérfogat (Sy): A nyílt tükrű vízadó által leadott vízmennyiség és a vízadó térfogatának hányadosa [L3/L3] Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Képződmények víz visszatartó képessége hézagtérfogat, fajlagos hozam, fajlagos vízvisszatartó képesség [%]

0,001

1

0,1

0,01

100

10

60

hézagtérfogat 40

fajlagos hozam 20

fajlagos vízvisszatartó képesség 0 agyag

iszap

hkliszt

kavics

homok közép-

apró

finom szemcsés durva 0,25 0,002

0,02

0,5

0,1

2

durva 20

Szemcseméret [mm] Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

6

Beszivárgás A maradó beszivárgás a beszivárgás és az evapotranspiráció különbsége [L/T]. A hidrodinamikai modellezés egyik legnehezebben meghatározható paramétere. Meghatározása liziméteres mérésekkel, empirikus összefüggésekkel és terepi kútcsoportos vizsgálattal lehetséges.

Maximális beszivárgás mélysége

-56 mm/év

200 80 mm/év

174 mm/év

Maximális párolgás mélysége

Terepszint

100

150 mm/év

Talajfelszín

Talajvízjárás

A talajvíz terepszint alatti mélysége [cm]

0

Maximális párolgás

Párolgás [mm/év]

-100

100

200

0

Függőleges évi vízforgalom [mm] Beszivárgás [mm/év]

300

Maximális beszivárgás

Mélység

400


Hidrológia alapegyenlete - vízmérleg •A

víz körforgásához az energiát a Nap szolgáltatja (energia transzformáció)

•A

hidrológiai egyenlet megpróbálja kvantitatívvá tenni a víz körforgását

•Az

alapegyenlet a tömegmegmaradás elvére épül

•Az

egyenlet bármilyen rendszerre, bármilyen méretben alkalmazható

•Az

egyenlet időfüggő

Beáramlás

+

=

• csapadék • felszíni víz beáramlása • felszín alatti víz beáramlása • mesterséges vízbevezetés

-

Kiáramlás

• • • • •

± Tározott víz változása

evapotranspiráció felszíni víz párolgása felszíni vízelfolyás felszín alatti vízelfolyás mesterséges vízelvezetés


Hidrodinamikai paraméterek medencebeli eloszlása A Laplace egyenlet tárgyalásánál láttuk, hogy ha egy vízadó rendszerben megváltozik a nyomás, akkor a rendszer a változás kiegyenlítésére törekszik. A változás végigfutásának ideje számítható. Az egyszerűbb tárgyalás érdekében két dimenzióban vizsgáljuk az áramlási rendszereket. Továbbiakban Tóth József (1963) terminológiáját követjük. Vegyük fel az Egység Medencét (Unit Basin), mely a következő tulajdonságokkal rendelkezik: • egyenes lejtő határolja (a víztükör is egyenes lejtésű!), • homogén (egy féle üledék alkotja), • izotróp (fizikai tulajdonságai a tér minden irányában azonosak), • impermeábilis határokat tételezünk fel, kivéve a felszínt (alulról és oldalról nincs hozzááramlás sem eláramlás, csak a felszíni csapadék táplálja és ez a mennyiség el is távozik a felszínen keresztül. Ezek a feltételek talán túl szigorúak, azonban az egyszerűsítések következtében az áramlási rendszerek matematikailag is értelmezhetővé válnak. Azonkívül a nagy üledékes medencékre jó közelítést ad. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

7

Egység medence képe az áramvonalakkal


Nyomás-mélység profilok Algyő P(z) profilja 1000

nyomás (MPa) 0

20

40

60

80

0

mélység (mBf)

γdin=9,9785 (MPa/km)

-1000

γdin=10,3751 (MPa/km) -2000

γdin=20,5931 (MPa/km)

-3000

Ha a mélység függvényében ábrázoljuk a nyomást a beáramlási területek és a megcsapolási területek elkülöníthetők. A megcsapolási zónában minél mélyebbre fúrunk annál nagyobb a nyomás a hidrosztatikusnál, a tápterületen pedig fordítva: minél mélyebbre fúrunk annál alacsonyabb! A középvonaltól való eltérést dinamikus nyomásemelkedésnek nevezzük:

∆p = pvalós − pközépvonal γst=9,8067 (MPa/km) -4000


Egymásba ágyazott áramlási rendszerek


8

Surfer for Windows alapismeretek

A Surfer for Windows használata (8. verzió)

Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


A Surfer fontosabb jellemzői • Kereskedelmi szoftver • Gyártó: Golden Software Inc., Golden, Colorado, USA (http://www.goldensoftware.com) • Ár: 599 USD • Érdemes az Interneten megvásárolni!!! • 2.5 dimenziós térbeli ábrázolás (egy x,y pontpárhoz csak egy z érték tartozhat!) • 3D gömbfelület 2 db fél(gömb)felülettel rajzolható meg (Az igazi 3D program most jelent meg (Voxler, Golden Software, bevezető ár: 359 USD!) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek 8-29.

A Surfer „munka-módszere” x, y, z1(, z2, z3, …, zn) adatok oszlopokba rendezve

Adatállomány

2

Rácsháló (grid) állomány

2

Rajz-állomány

egy nx*ny irányonként egyenközű rácsháló csomópontjaira, az adatpontok alapján számított legvalószínűbb értékei

A grid-állományban található értékek síkbeli vagy térbeli megjelenítése

Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek 8-29.

1

A Surfer által használt állományok • • • •

Adatállományok (*.dat, *.csv, *.slk, *.xls, stb.) Grid (rácsháló)-állományok (*.grd) Térkép vagy térfelület-rajz állományok (*.srf) Egyebek: – Blank (törlő) állományok (*.bln) – Vektorgrafikus állományok • AutoCAD dxf (*.dxf) • Atlas BNA (*.bna) • ESRI ArcView Shape (*.shp), stb.

– Rasztergrafikus állományok • *.bmp, *.jpg, *.tif, *.gif, stb. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek 8-29.

A Surfer „munka-módszere” II. Adatgyûjtés, értékelés feldolgozás

Adatállomány

*.DAT, *.XLS, *.CSV, *.SLK adatállományok Digitalizálás

Vektorgrafikák *.DXF, *.BLN, *.BNA, stb.

Rácsháló (grid) állomány

*.GRD grid (rácsháló) állományok Matematikai mûveletek gridállományokkal térképek összeadása, kivonása, osztása, szorzása, logaritmizálás, integrálás, deriválás, stb.

Szkennelés Rasztergrafikák *.BMP, *.TIFF, *:JPG, stb.

Síkbeli ábrázolás: izovonalas, színskálás vektoros ábrázolású térképek szerkesztése, stb.

Koordinátákhoz történõ hozzárendelés

Rajz-állomány

Térbeli ábrázolás: egyes térfelületek, térfelület rendszerek ábrázolása, dróthálós térbeli ábrázolás, stb.

*.SRF surfer rajzállományok

Megjelenítés és nyomtatás


A Surfer menü- és ablakrendszere Menürendszer

Rajzablak

Objektumablak


2

A Surfer menü- és ablakrendszere Menürendszer

Táblázatkezelőablak

2

Objektumablak


Menürendszer • • • • • • • • •

File – hagyományos állományműveletek (megnyitás, mentés, importálás, exportálás, stb.) Edit – hagyományos szerkesztés (kivágás, másolás, beillesztés, „undo”, „redo”, stb. View – a nézet beállításai (nagyítás, kicsinyítés, egész lapos nézet, stb.) Draw – nem koordinátákhoz, hanem a laphoz „kötött” objektumok létrehozása (vonal, ellipszis, négyzet, szimbólum, stb.) Arrange – objektumok sorrendbe rendezése, forgatása, igazítása, stb. Grid – minden ami a rácshálók gyártásához, módosításához, szerkesztéséhez kellhet Map – minden 2D és 2.5D ábrázoláshoz kell(het) Window – hagyományos Windows ablakkezelés (ablakok megjelenítése, aktuális ablak kiválasztása, stb.) Help – részletes súgó angol nyelven (Ami itt nincs benne, azt ne is keressük! Sokszor tartalmaz külső hivatkozásokat kapcsolódó irodalomra! Korrekt és érthető módon írja le a dolgokat, ezért érdemes elolvasni ha megakadunk!)


Hagyományos menük – File menü

A program sok formátumot ismer és korrektül kezeli azokat, akár konverzióra is érdemes használni. Hiba: csak 1lapos Excel táblákat kezel! Adatvesztés lehet, de erre figyelmeztet!


3

Hagyományos menük – File menü - Preferences

Allways Reset: mindig újradefiniált típusú Current Session Only: aktuális folyamatra vonatkozó típusú All Sessions: állandó típusú Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek 8-29.

Hagyományos menük – File menü - Preferences


Hagyományos menük – Edit menü Rajzablak esetén:

Táblázatkezelőablak esetén:

A menüparancsok függenek az aktív ablak típusától rajzablak esetén több (bal oldal), táblázatkezelő ablak (jobb oldal) esetén kevesebb parancs érhető el!


4

Hagyományos menük – View menü

Nézet: Ablakhoz vagy laphoz igazít, nagyít/kicsinyít

Nagyít/kicsinyít

Újrarajzolás parancsra vagy automatikusan

Ablakelemek megjelenítése (kipróbálandó és kinek, kinek ízlése szerint használandó…)


Hagyományos menük – Draw menü

A lap széleihez „pozícionált” objektumokat (szöveg, zárt sokszög, törtvonal, font egy karaktere, téglalap, lekerekített sarkú téglalap, ellipszis) rajzol. Az objektumok helye független a térkép koordináta rendszerétől!!!! Amire használható: Céglogo, lapkeret rajzolás, „impresszum” feliratozás, stb. Amire nem használandó: Térképi feliratok pl. helynevek, folyónevek, stb. felírására (vagy ha igen, akkor nagyon figyeljünk minden átalakításnál (lépték, kivágat megváltoztatása, stb.)


Hagyományos menük – Arrange menü

Sorrendet megváltozat: előre vagy hátraküld, előrébb vagy hátrább küld

Objektumokat csoportosít vagy meglévő csoportot szétbont

Forgat (adott szöggel vagy szabadkézzel), elemet eltol ☺


5

Hagyományos menük – Window menü

Ablakok elrendezési módjai

Aktív ablakok felsorolása és váltási lehetőség köztük


Hagyományos menük – Help menü

Súgó részei

Webes eszközök

About (verziószám, copyright, stb.)


Speciális Surfer menük – Grid menü x, y, z adatokból rácsháló állomány gyártása matematikai műveletek rácsháló állományokkal rácsháló állományokkal definiált felületek deriválása rácsháló állomány simítása törlés rácsháló állományból rácsháló állomány konvertálás rácsháló állomány eltolása, tükrözése és egyéb trükkök térfogatszámítás vonal mentén magasság leolvasás (szeletelés)


6

Speciális Surfer menük – Grid – Data menü 240000

Adatok 239000

EOV X [m]

238000

237000

236000

235000

234000

233000

518000

519000

520000

521000

522000

523000

524000

525000

EOV Y [m]



Adatok 239000

Rácsháló

EOV X [m]

238000

237000

236000

235000

234000

233000

518000

519000

520000

521000

522000

523000

524000

525000

EOV Y [m]



Adatok 239000

Rácsháló Rácspontokban értékek

EOV X [m]

238000

237000

236000

235000

234000

233000

518000

519000

520000

521000

522000

523000

524000

525000

EOV Y [m]


7

Speciális Surfer menük – Grid – Data menü


Speciális Surfer menük – Map menü

5120000

5118000

5116000

5114000

5112000

5110000

558000

560000

562000

564000

566000

562000

564000

566000



5120000

5118000

5116000

5114000

5112000

5110000

558000

560000


8


5120000

T9 T10

5118000 T5

T3 T4

T2 T8

T11

5116000 T6

T1 T7

5114000

T14

T12

T13

5112000

5110000

558000

560000

562000

564000

566000

562000

564000

566000

562000

564000

566000



5120000

5118000

5116000

5114000

5112000

5110000

558000

560000



5120000

5118000

5116000

5114000

5112000

5110000

558000

560000


9


5120000

5118000

5116000

5114000

5112000

5110000

558000

560000

562000

564000

566000






10

Speciális Surfer menük – Map menü – fedvények kombinálása


Speciális Surfer menük – Map – Post map menü

Fúráspont alaptérkép behívása


Speciális Surfer menük – Map – Post map menü 240000

239000

EOV X [m]

238000

237000

236000

235000

234000

233000

518000

519000

520000

521000

522000

523000

524000

525000

EOV Y [m]


11

Speciális Surfer menük – Map – Base map menü

Vonalrajz alaptérkép behívása


Speciális Surfer menük – Map – Overlay maps menü

Térképek egymásra illesztése (azonos koordináta-rendszer!!!)


Speciális Surfer menük – Map – Overlay maps menü

Azonos koordináta-rendszer = Egy objektummá vált! Szétbontás: Map - Break apart overlays


12

Speciális Surfer menük – Map – Contour map menü

Izovonalas térkép behívása és rajzolása


Speciális Surfer menük – Map – Contour map menü


Speciális Surfer menük – Map – Vector map menü


13

Modellezés

Modellezés elméleti alapismeretek Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006

Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek-29.

Mi a modellezés ? • • • •

A MODELL a valós rendszer egyszerűsített, sematikus transzformációja. A modell nem a valós rendszer! A szimuláció sematikus, nincs minden tulajdonság reprezentálva. Ugyanaz a valós rendszer másképpen van modellezve eltérő célok esetén.

• • • • • •

Egy modellt mindig lehet javítani, de soha nem lesz az eredeti valós rendszer. A modell „jósága” csak a probléma ismeretében dönthető el. Ha a célt elérem, akkor a modell jó! Két azonos tudású modell közül az egyszerűbb a jobb! Két féle modellezés létezik: az eredményes és a tanulságos. A modellezés kreatív játék!

Nincs univerzális modell !


Modellek fajtái Fizikai modell: kisebb léptékben megépítjük a modellezett tér egyszerűsített mását „terepasztal modell” Analóg modell: egy már ismert, matematikailag leírt jelenséggel kapcsolatos hasonlóságra épít; az áramlási egyenletek tulajdonképpen ugyanazok, mint a hő, elektromosság vagy mágneses mező áramlási egyenletei Matematikai modell: a felszín alatti vízáramlást leíró egyenletek megoldása (szivárgás alapegyenlete) - analitikus modell: egzakt, matematikai megoldást ad, pontszerű esetben vagy homogén környezeti viszonyok között alkalmazható - numerikus modell: a szivárgás alapegyenletének közelítő, nem egzakt megoldásai; a numerikus megoldások mind időben, mind térben szakaszolják a lezajló folyamatokat úgy, hogy az egyes szakaszokon belül a számításhoz szükséges paramétereket állandónak tekintik - szemianalitikus modell: az alapegyenletet analitikusan oldja meg, amíg megoldható, majd numerikus számítással folytatja Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek-29.

1

Numerikus modellek Felszín alatti vizek szivárgásának jellemzőit az alábbi numerikus módszerekkel lehet vizsgálni: - véges differencia módszer - véges elem módszer - perem elem módszer - analitikus elemek módszere Véges differencia módszer: a modellezett teret tetszőleges darabszámú, de azonos eloszlású , egymással érintkező téglatest alakú elemekre bontjuk, a szivárgás alapegyenletét leíró parciális differenciál-egyenletet differencia egyenletté alakítjuk és az egyes elemek közötti vízforgalmat numerikus, iteratív eljárásokkal megoldjuk Véges elem módszer: a modellezett tér tetszőleges csomópontú felosztását teszi lehetővé és az azokat összekötő vonalak által határolt elemekre bontja, melyek nem oldalukkal hanem csomópontjukkal illeszkednek egymáshoz; az egyes elemek mentén a keresett attribútum értékét előre felvett paramétereket tartalmazó függvényekkel közelíti, majd a szomszédos elemek határai mentén valamilyen hibaelv alapján illeszti (lokális approximáció elve) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek-29.

Elemekre bontás Véges differencia háló

Négy rétegből álló rendszer véges differencia elemekre bontása (CHIANG és KINZELBACH, 1999)

Véges elem háló

Egy szennyeződés modellezésénél használt végeselem-háló (VOGT, 1993.)


Véges differencia módszer alkalmazásának lépései •A modellezett teret tetszőleges számú sort, oszlopot, réteget tartalmazó elemekre bontjuk, egyenletes vagy változó osztású rácsháló segítségével. •Szivárgás alapegyenletét leíró differenciál-egyenletet differencia-egyenletté alakítjuk. •Meghatározzuk az egyes hasábelemek és az azokkal közvetlenül érintkező elemek közötti vízhozamokat a Darcy-törvény és a kontinuitási tétel felhasználásával, •Meghatározzuk az egyes elemekbe táplált vagy onnan kivett hozamokat, valamint a rendszer vízmérlegét befolyásoló egyéb objektumok (pl. felszíni vizek és vízadók kommunikációjából eredő hozamok) vízmérlegre gyakorolt hatását. •Összegezzük minden egyes elemre a vízmérleg elemeit. A hiányzó elemek pótlására a modell szélein peremfeltételeket alkalmazunk. A vízmérleg alapján felállítjuk a modellezett tér vízforgalmát az adott időlépcsőben leíró lineáris egyenletrendszert, majd numerikus iteratív eljárásokkal megoldjuk. •Az egyes elemekre felírt vízmérleg aktívum vagy passzívum alapján meghatározzuk az elemben bekövetkező vízszint (nyílt tükrű rendszer) vagy nyomásszint (zárt tükrű rendszer) változásokat. •Nem permanens rendszerben a következő időlépcsőre ismét felírjuk a Darcytörvényen alapuló, elemek közötti vízhozamokat és a számítás fázisait – a szükség szerinti időlépcsőkre – megismételjük Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek-29.

2

Véges differencia módszer következményei A módszerrel abszolút nyomásszinteket nem tudunk számítani, csak a nyomásszintek változásait! Ezért szükséges a számításhoz egy kiindulási állapot, egy alaphelyzet, amit a számítás kezdeti feltételének nevezünk. A kezdeti időpontban meg kell adni a nyugalmi nyomásszint eloszlást! A módszer előnyei:

A módszer hátrányai:

• a megoldás során megmarad az eredeti differenciálegyenlet összefüggés

• a háló lokálisan nem, csak speciális eljárással sűríthető

• a számítás részeredményei valós fizikai tartalommal bírnak

• a változékony településű képződmények határai nehezen követhetők

• szemléletes

•a kapott eredmények az egyes elemekre jellemző átlagértékek lesznek

• a „szabályos” elemkiosztás miatt az alapadat-rendszer könnyen feltölthető

• a hidrogeológiai információk pontszerűek ugyanakkor a modellben egy térfogati cella értékeként jelennek meg


Cellák vízmérlege véges differenciák segítségével I. A 0 sorszámú véges differencia elem felé Qi hozamok szivárognak a szomszédos 4 elemből. A vizsgált elemből a források vagy nyelők által kitermelt vagy betáplált vízmennyiség Q0. A vízmérleg megváltozása ∆t idő alatt: 4

∆t ⋅ ∑ Qi i=0

Ez a vízmérleg változás indukálja a h0 nyomásszint megváltozását a 0 jelű elemben,

∆t (Q0 + Q10 + Q20 + Q30 + Q40 ) = (h0 (t + ∆t ) − h0 (t )) ⋅ S ⋅ ∆x∆y

azaz

ahol t a kezdeti időpont és S a tárolási tényező Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek-29.

Cellák vízmérlege véges differenciák segítségével II. Darcy törvényt felhasználva: h (t ) − h0 (t i ) h (t ) − h0 (ti ) h (t ) − h0 (t i ) + ∆y ⋅ T20 2 i + ∆x ⋅ T30 3 i ∆x ⋅ T10 1 i + ∆y ∆x ∆y

h4 (ti ) − h0 (t i ) (h0 (t + ∆t ) − h0 (t )) ⋅ S ⋅ ∆x∆y = ∆x ∆t ahol Ti0 a kiszemelt és a szomszédos elem transzmisszivitásai alapján számított mértékadó transzmisszivitás értéke. + ∆y ⋅ T40

A Ti0 átlagérték meghatározására különböző módszerek terjedtek el. A sorba kötött ellenállások elvének figyelembevételével:

T10 =

∆y0 + ∆y1 ∆ x0 + ∆ x 2 2 2 ; T20 = ; ∆y0 ∆y1 ∆x0 ∆x2 2 + 2 2 + 2 T0 T2 T0 T1

De lehet számtani átlaggal: Ti 0 =

Ti + T0 2

T30 és T40 hasonlóképpen

vagy mértani átlaggal: Ti 0 =

2 ⋅ Ti ⋅ T0 Ti + T0


3

Források, nyelők Vízzáró határ esetén egyedül csak a mértani átlaggal számított mértékadó transzmisszivitás ad a vízzáró felöl zérus hozamot. Ezért olyan programok esetén, melyek nem ezzel számolnak bevezetnek egy további paramétert, arra vonatkozóan, hogy a cella aktív vagy inaktív. Értelemszerűen az inaktív cellákból nem lép víz se be se ki. Folyó: olyan cellákkal reprezentáljuk, ahol az oldalfalak vízzáróak, csak a fenéken keresztül van vízátadás, a kolmatált zónán keresztül Drén: hasonló felépítésű mint a folyó típusú cella, csak a vízadó megcsapolására képes ha a fenékszintjénél nagyobb a vízadó vízszintje Kutak: negatív a termelő, pozitív az injektáló, ha egy cellába több kút esik, akkor összegezni kell a hozamokat Maradó beszivárgás: az időegység alatt leszivárgó vízmennyiséget jelöli. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek-29.

Peremfeltételek Ahhoz, hogy a vízmérleget minden egyes elemre ki lehessen számolni a számításba bevont térrész szélein peremfeltételekre van szükség. A peremfeltételek három csoportba sorolhatók: Dirichlet-típusú peremfeltétel a peremi helyzetű cellában nem a vízmérleget módosító hozamot vesz figyelembe, hanem a cella vízforgalmát a cella előírt nyomás szintjén keresztül szabályozza. A nyomásszint lehet időben állandó vagy előírt módon változó (fix nyomású perem). Hátránya, hogy depresszió a peremen nem alakulhat ki. Neumann-típusú peremfeltétel alkalmazásakor a vízmérleget egy adott, állandó hozammal korrigáljuk (fix hozamú perem). Ha vízzáró a határ, akkora perem felől érkező Qi hozamot zérusnak adjuk meg. A megoldás hibája, hogy függetlenül az aktuális vízföldtani helyzettől a meghatározott vízmennyiséggel a vízmérleg módosul. Féligáteresztő típusú a perem, ha a cellák vízmérlegének módosulása, azaz a peremi hozam időben nem állandó, hanem az aktuális hidrodinamikai helyzettől függő nagyságú. Az ilyen peremek egyesítik a Dirichlet és a Neumann típusú peremek előnyeit. Legismertebb képviselője az ún. általános nyomásszintű határ, amit angol nevének rövidítéséből GHB (General Head Boundary)-peremnek is hívnak. A GHB peremen van egy előírt vagy mértékadó hm nyomásszint, melyet a határon a megközelítőleg tartani szándékozunk. A peremi cellában - a szomszédos elemekkel való vízforgalom következtében - azonban változna a vízmérleg és ennek következtében a nyomás- vagy vízszint ∆h értékkel változna. A változás korrekciójára a GHB peremen a ∆h értékkel arányos vízmennyiséget táplálunk be. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek-29.

Modell adatrendszer hibái Észlelt (mért) érték Aktuális mérési érték

A paraméter becsült értéke a modell-elemben Átlagérték Aktuális becslési érték

Mérõmûszer pontatlansága

Átlagos becslési érték

Modell-eredmény

Aktuális mérési hiba Mérési hiba szórása

Átlagos modell-eredmény

Aktuális modell-eredmény

A hibák átöröklődésének sémája Mehra, 1978 és McLaughlin, 1978 nyomán (SACHER, 1983)


4

Numerikus hibák I. Numerikus megoldás közelítő megoldás Æ hibával terhelt! Iterációs módszer esetén megadjuk, hogy mekkora az a küszöb érték, mely elérése után a megoldást már elég pontosnak tekintjük (konvergencia kritérium) Másodsorban megszabjuk, hogy mekkora legyen a maximális iterációszám. A konvergencia kritériumot magunk választjuk meg a modellben a nyomásszintnek megadott hossz mértékegységében. Nyomásszint hiba Æ gradiens hiba (egyenletesen megoszló nyomásszint hiba esetén a legkisebb elemeknél a legnagyobb, mert I= Dh/Dy ) Gradiens hiba szorozva a szivárgó keresztmetszettel kapjuk a vízmérleg hibát. Törekedni kell, hogy a vízmérleg hiba mindig elhanyagolható legyen a forrásoknyelők által kitermelt vagy eltávolított vízmennyiséghez képest, ezek 1%-át ne haladja meg!


Numerikus hibák II. Megoldás instabil ha a közelítő megoldás nem konvergál a valódi megoldáshoz

Æ numerikus instabilitás Æ numerikus oszcilláció

Nyomásszint

Numerikus oszcilláció

Nyomásszint

Numerikus instabilitás

Idö

Idö

a,

b, Koncentráció

Koncentráció

Æ alálövés – fölélövés Æ numerikus diszperzió Numerikus megoldás

Numerikus megoldás

Valódi megoldás

Valódi megoldás Hely

Hely


Numerikus hibák kiküszöbölése Az instabilitás leküzdéséhez a legfontosabb gyakorlatban előforduló okokat kell ismernünk, ezek: - a konvergencia- vagy más néven stabilitási-kritériumnak nem megfelelő időlépcső alkalmazása, - irreális modelladat-rendszer azon belül is mértékegység hibák, helyiérték hibák, egymást kizáró paraméterek használata A megoldás alapvetően akkor válik divergenssé, ha lehetőség van az anyagmérleg számításakor arra, hogy egy adott elemből több anyag (víz vagy szennyezőanyag) távozzék, mint amennyit abban az elemben az időlépcső elején tároltunk. Az időlépcső csökkentése ilyen hibák esetén előbb-utóbb stabilitást eredményez. A lényeg, bármi áron stabil megoldáshoz jutni Bizonyított, hogy transzport számítások során a numerikus oszcilláció annál nagyobb minél nagyobb a advektív transzport folyamat jelentősége a diszperzív transzportnál. b,

a, C

C

Pe=2 Pe=8

Co=1

Pe=16

Co=80 Co=800 Co=1600 Co=3200

Pe=32

v

x

v

x

A végeselem módszer numerikus hibái a SICK100 programrendszeren: a koncentráció-eloszlás t=1000 s elteltével, harang alakú kiindulási koncentráció-impulzus, állandó szivárgási sebesség esetén (a, különböző Peclet-számok , b, különböző Courant-számok esetén) (KÖNIG, 1993) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek-29.

5

Numerikus hibák csökkentése Az egyes paraméterek megváltoztatásának hatása a modellnél fellépő numerikus hibákra Numerikus hibára való hajlam Paraméter változtatás Előre- vagy hátralépéses differenciák alkalmazása Középponti differenciák alkalmazása Cella- vagy elemméret csökkentése

instabilitás

oszcilláció

diszperzió

alálövésfölélövés nem befolyásolja nem befolyásolja

nő

csökken

nem befolyásolja

csökken

nő

nem befolyásolja

nő

nő

nő

nő

Időlépcső növelése szivárgási sebesség, transzmisszivitás növelése Források és nyelők hozamának növelése

nő

nő

nem befolyásolja

nem befolyásolja

nő

nő

nő

nő

nő

nő

nem változik

nem változik

Tárolási tényező növelése

csökken

csökken

nem befolyásolja

nem befolyásolja

Diszperzió-állandó, diszperzivitás növelése

nő

nő

csökken

csökken


Modellezési munkafolyamat

Földtani és vízföldtani ismeretek összegyûjtése és rendszerezése

A modellezési koncepció (munkahipotézis) felállítása

Modelladatrendszer felállítása

Numerikus számítások elvégzése

Munkahipotézis vagy adatrendszer módosítása

Eredmények értékelése

Modell felhasználása a vizsgálandó probléma megoldására


6

Processing MODFLOW alapismeretek

A PMWIN 5.3 használata Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


A Processing MODFLOW fontosabb jellemzői • Freeware szoftver (A PMWIN Pro 7.0 változat kereskedelmi!) • Készítők: Wen-Hsing Chiang és Wolfgang Kinzelbach (http://www.pmwin.net) • Ár: ingyenesen letölthető • professzionális grafikus megjelenítés • véges differencia módszert alkalmazó hidrodinamikai modell (MODFLOW) • a hidrodinamikai és a transzportmodell kalibrációjára szolgáló inverz megoldást használó eszközök (PEST és UCODE) • részecske-követési, egyben advektív transzport modell (PMPATH) • véges differencia elven működő, valamint a karakterisztika módszerét használó transzport-modellek • maximum 1 000 időlépcső, 80 modellréteg és 250 000 cella/réteg

Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A PMWIN által használt fontosabb állományok

• Adatállományok (szövegfájlban tárolt kötött formátumú adatok) • Modell alapállomány (*.pm5) • Egyebek: – Vektorgrafikus állományok • AutoCAD dxf (*.dxf)

– Rasztergrafikus állományok • *.bmp


1

A Processing MODFLOW környezet felépítése

Processing MODFLOW keretrendszer

Preprocesszor (Adatbevitel és adatfeldolgozás) Grid Editor Field Interpolator Field Generator

Programok futtatása

Posztprocesszor (Eredményfeldolgozás, megjelenítés)

Kalibráció

MODFLOW

PEST

MT3D

UCODE

PMPATH Water Budget Calculator Presentation

MT3DMS

Graph Viewer

MOC3D DOS

Result Extractor Windows


A modellezési munkafolyamat és a PMWin környezet Földtani és vízföldtani ismeretek összegyûjtése és rendszerezése


Modelladatrendszer felállítása


Munkahipotézis vagy adatrendszer módosítása




A modellezési munkafolyamat és a PMWin környezet


2

A Processing MODFLOW menü- és ablakrendszere Menürendszer

Munkaterület

Információs sáv Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Menürendszer • File – hagyományos állományműveletek (megnyitás, mentés, konvertálás, stb.) • Grid – a modellezett rendszer geometriájának és alapvető tulajdonságainak megadása • Parameters – a Grid menüpontban megadott elemek általános földtani és vízföldtani jellemzőit adhatjuk meg, illetve az ezen jellemzők megadásához szükséges idő dimenzióját • Models – a Grid menüben leírt geometriájú, a Parameters menüben megadott tulajdonságokkal jellemezhető porózus közegben lejátszódó hidrodinamikai és transzportfolyamatokat leíró modellek speciális lehetőségei • Tools – a modellezést, illetve az eredmények megjelenítését elősegítő alkalmazások (digitalizálás, adattér interpolálás illetve generálás, stb.) • Help – részletes súgó angol nyelven (gyakorlatilag a teljes kézikönyvet tartalmazza)


File menü

Célszerű minden új modellt külön könyvtárba menteni, mivel egyrészt a rendszer alkalmaz kötelező nevű állományokat, melyek több modell azonos könyvtárba írása esetén felülírják egymást, másrészt mert egy-egy adatrendszer rengeteg állományból áll, melyek strukturálása célszerű. A *.pm5 állomány magában csak a modell általános jellemzőit tartalmazza, nem az egész adatrendszert! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

3

File menü – Convert Model…

A Telescoping Flow Model meglévő 5.x célra verziójú modell készíti el. Ehhez4.x meg A File → Convert Modelegy parancs három szolgál: Ittrészmodelljét konvertálhatjuk a korábbi, kellverziójú adnunk amodelleket, meglévő modell nevét aMODFLOW-88 PM Model (*.pm5) a készítendő valamint vagyszövegdobozba, MODFLOW-96 illetveformátumú modell-kivágat utolsó formátumra, sorának és oszlopának coloumn, Ending vagy Coloumn, állományokat első 5.x és verziójú a szükséges(Starting állománynév megadása a Starting row, Ending után row) történő sorszámát a meglévő elemszámozása szerint, oly de a gomb megnyomása kiválasztás után. modell Az eredeti modell finomítható, korábbiakhoz hasonlóan elemsűrítés factor) kérhető. A készítettfactor részmodell módon, hogy megadhatjuk, hogy (Refinement egy-egy elemet hányis sorra (Refinement for peremein a rendszer maga határoz meg peremfeltételeket, amik szükség szerint korrigálandók. rows) és oszlopra bontson a rendszer fel (Refinement factor for coloumns) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

File menü – Model Information

A Model information paranccsal a modell legfontosabb aktuális jellemzőit nézhetjük meg, illetve a Simulation title ablakban a modellre vonatkozó saját megjegyzéseket is beírhatjuk. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

File menü – Save Plot As

A Save Plot As... paranccsal a képernyőn lévő aktuális tartalmat lehet elmenteni Windows Bitmap (*.BMP), Hewlett-Packard Graphics Language (HPGL) és AutoCAD drawing exchange formátumba (*.dxf) (Használjunk AutoCAD v12 vagy korábbi állományokat!!!) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

4

File menü – Print Plot

Print Plot paranccsal az aktuális grafika nyomtatása történhet. A legfontosabb opciók a teljes oldalt kitöltő nyomtatás (Use full page) és a lapközépre helyezett nyomtatás (Enter on Page). Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Grid menü – Mesh Size…

Az itt választott hosszúság (mérték)egység a későbbiekben meghatározza a további paraméterek esetében alkalmazott hosszúság (mérték)egységeket is! A Mesh Size... paranccsal a modell térdimenzióinak méreteit, majd az egyes cellák méreteit állíthatjuk be. Amennyiben a modellt éppen most hozzuk létre, akkor először a Model Dimension nevű ablakot kell kitölteni, ahol megadhatjuk a rétegek számát (Layers) az oszlopok (Coloumns) darabszámát (Number) és méretét (Size), illetve a sorok (Rows) darabszámát (Number) és méretét (Size) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Grid menü – Mesh Size…

A modell térdimenzióinak megadása után a Grid Editor programrész egy módosított változata jelenik meg


5

Grid menü – Mesh Size… A cellák méreteit a cellára klikkelve, majd jobb egérgomb segítségével feljövő ablakban változtathatjuk meg. Ebben az ablakban, megadhatjuk az elem méretét (Size: Coloumn, Row), illetve a több részre bontását is elvégezhetjük a tér három irányában (Refinement: Coloumn, Row, Layer). A több részre bontás a rácsháló miatt a többi elemek méretét is befolyásolhatja. Amennyiben a több részre bontás nem működik, akkor először az ablakból kilépve e merevlemezre kell írni a háló adatait, majd a Grid → Mesh Size... paranccsal újra szerkeszteni és módosítani a hálót. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Grid menü – Layer type…

A Grid → Layer Type... paranccsal az egyes rétegek tulajdonságait adhatjuk meg. A parancs hatására a Layer Options ablak nyílik meg, ahol láthatók az egyes rétegek tulajdonságai táblázatos formában. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Grid menü – Boundary Condition…

A Grid → Boundary Condition paranccsal az alkalmazott véges differencia modell peremfeltételeit állíthatjuk be. A két almenüvel egyrészt a MODFLOW IBOUND paraméterét, másrészt az MT3D/MT3DMS ICBOUND paraméterét lehet megadni a később ismertetett Grid Editor segítségével. Értékek: 1 0 -1

– változó értékű (aktív) cella (számított értékek!) – inaktív cella – állandó (nyomás vagy koncentráció) értékű cella


6

Grid menü – Top/Bottom of Layers… A Grid → Top of Layers (TOP) paranccsal a rétegek fedőszintjeit adhatjuk meg. Az értékek cellákhoz rendelését a Grid Editorral tehetjük meg. A Grid → Bottom of Layers (BOT) paranccsal a rétegek fedőszintjeit adhatjuk meg. Az értékek cellákhoz rendelését a Grid Editorral tehetjük meg.


Parameters menü – Time…

A Parameters → Time paranccsal az idővel kapcsolatos beállítások érhetők el. Az ablakban először az idő mértékegységét célszerű beállítani (Simulation Time Unit), ahol a másodperc (seconds), perc (minutes), óra (hours), nap (days) és év (years) közül választhatunk. Az idődimenzió megadásával és a hosszúságdimenzió felvételével [Mesh Size] a vízhozam [L3/T], sebesség [L/T], stb. dimenzióját is meghatározzuk!!! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Parameters menü – Initial Hydraulic Heads A hidrodinamikai számítások kezdeti feltételét jelentő nyugalmi nyomásszint-eloszlásokat adhatjuk meg elemenként a Grid Editor segítségével.


7

Parameters menü – Boreholes and Observations Itt két táblázattal adhatjuk meg a megfigyelő kutak (Boreholes) és az észlelések (Observations) adatait, melyeket később az automatikus kalibrációhoz (PEST, UCODE), illetve a modellszámítás eredményeinek értékelésénél használhatunk fel.


Parameters menü – rétegjellemzők megadása A vízszintes szivárgási tényezők eloszlását adhatjuk meg elemenként, a Grid Editor segítségével. A függőleges szivárgási tényezők eloszlását adhatjuk meg elemenként, a Grid Editor segítségével. A fajlagos tárolási tényező eloszlását adhatjuk meg elemenként, a Grid Editor segítségével. A transzmisszivitás eloszlását adhatjuk meg elemenként., a Grid Editor segítségével. * A függőleges átszivárgási tényezők (b érték) eloszlását adhatjuk meg elemenként, a Grid Editor segítségével.* *Kivéve, ha a Layer Options menüben megadtuk, hogy a szivárgási tényezők és a modellgeometria alapján történjék az értékek számítása! (Calculated vagy User defined)

A tárolási tényező eloszlását adhatjuk meg elemenként, a Grid Editor segítségével.* A szabad hézagtérfogat értékek eloszlását adhatjuk meg elemenként, a Grid Editor segítségével. A fajlagos hozam értékek eloszlását adhatjuk meg elemenként, a Grid Editor segítségével.


Parameters menü

*Kivéve, ha a Layer Options menüben megadtuk, hogy a szivárgási tényezők és a modellgeometria alapján történjék az értékek számítása! (Calculated vagy User defined) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

8

Models menü

A Models menün keresztül érjük el a Grid menüben leírt geometriájú, a Parameters menüben megadott tulajdonságokkal jellemezhető porózus közegben lejátszódó hidrodinamikai és transzportfolyamatokat leíró modellek speciális lehetőségeit.


Models menü - MODFLOW

A MODFLOW 3D, telített közegben lejátszódó hidrodinamikai folyamatokat leíró programcsomag. A MODFLOW moduláris felépítésű FORTRAN program, melyhez speciális helyzeteket leíró programcsomagok (Packages) csatlakoztathatók.


A legfontosabb MODFLOW csomagok A MODFLOW csomagok a Models → MODFLOW menüből érhetőek el.


9

A legfontosabb MODFLOW csomagok Well package (Kút csomag) Ismert hozamú vízkivételek és betáplálások szimulációjára szolgál. A MODFLOW egy-egy elem vízmérlegét számítja, ezért az egyes elemekbe eső összes hozamot (az elembe eső szűrőzésű kutak együttes hozamát) (Recharge Rate of the Well) kell bevinni. A kitermelt hozamok negatív, az injektált hozamok pedig pozitív előjellel szerepelnek a vízmérlegben.


A legfontosabb MODFLOW csomagok Drain package (Szivárgó csomag) A szivárgó egy olyan víztelenítő létesítmény, ami akkor lép működésbe, ha a szivárgó környezetében a talajvízszint magasabbá válik, mint a szivárgó fenékszintje. A feltételezés szerint az elvezetett víz mennyisége arányos a drén fenékszintje feletti vízoszlop nyomásával és a drén körüli képződmények vízvezető képességével.


A legfontosabb MODFLOW csomagok Drain package (Szivárgó csomag) Ha a vízszint alacsonyabban áll, mint a drén fenékszintje, akkor a szivárgónak a vízmérlegre nincs hatása! („a levegőben lógó drén esete”)

Qd = Cd ⋅ ( h − d ) = K ⋅ L ⋅ ( h − d )

• Qd - a drén hozama • Cd - a drén vízszállító képessége • h - a nyomásszint az elemben • d - a drén fenékszintje • K - egy egyenértékű szivárgási tényező • L - a szivárgó hossza az elemben


10

A legfontosabb MODFLOW csomagok River package (Folyó csomag) A folyó csomag annyiban különbözik a szivárgótól, hogy függetlenül a vízállástól, a folyónak van hatása a vízmérlegre. Ha a folyó vízállása magasabb, mint a talajvíz nyomásszintje, akkor a folyó táplálja a vízadót, ellenkező esetben megcsapolja. A folyó elemek oldalfalainak a folyómederben lévő részei vízzáróak, vízforgalom kizárólag a folyó mederfenekén, a kolmatált zónán keresztül lehetséges.

Felszíni vizekből átadott vízhozamok számítása (KINZELBACH, 1986) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A legfontosabb MODFLOW csomagok River package (Folyó csomag) Q folyó = C folyó ⋅ ( H folyó − h),

ha

h > hmederfenék

Q folyó = C folyó ⋅ ( H folyó − hmederfenék ), ha h ≤ hmederfenék C folyó

k = kolmatált L ⋅ W mkolmatált

• Qfolyó - a folyóból a vízadóba jutó hozam • Hfolyó - a vízállás • h - a talajvízszint • hmederfenék - a mederfenék szintje • Cfolyó - a felszíni és felszín alatti vizek kapcsolatára jellemző mérőszám • kkolmatált - a kolmatált zóna szivárgási tényezője • mkolmatált - a kolmatált zóna vastagsága • L - a folyó hossza • W - a folyó szélessége az elemen belül


A legfontosabb MODFLOW csomagok General Head Boundary package (GHB csomag) A GHB csomaggal puha peremfeltételeket lehet biztosítani. A peremen ki- és be-áramló vízmennyiség arányos a GHB cellák esetén az aktuális és egy előírt vízszint eltérésével.


11

A legfontosabb MODFLOW csomagok General Head Boundary package (GHB csomag) QGHB = CGHB ⋅ ( hGHB − h )

CGHB =

k⋅A L0

• • • •

QGHB - a hozam hGHB - az előírt vízszint h - az aktuális vízszint CGHB - a perem erősségét jelző mérőszám

• k - a réteg vízszintes szivárgási tényezője • A - a szivárgás irányára merőleges felület nagysága az elemben • L0 - a perem távolsága az állandó nyomásúnak feltételezett határtól E definíció szerint a GHB perem felfogható egy olyan cellának, mint egy állandó hGHB vízszinttel jellemezhető peremtől ismert L0 távolságra lévő cella. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A legfontosabb MODFLOW csomagok Recharge package (Maradó beszivárgás csomag) A maradó beszivárgást egy intenzitásértékkel adjuk meg.


A legfontosabb MODFLOW csomagok Recharge package (Maradó beszivárgás csomag) • A maradó beszivárgás értéke • A beszivárgás miatt megjelenő hozamokat a legfelső réteghez rendeljük hozzá • A beszivárgás miatt megjelenő hozamokat egy az IRCH mezőben megadott sorszámú és ezért területileg eltérő mélységben található réteghez rendeljük hozzá • A beszivárgás miatt megjelenő hozamokat a legfelső aktív cellához rendeljük hozzá Amennyiben az első esetet választottuk, akkor az inaktív cellák esetén a beszivárgást a vízmérlegben nem veszi a program figyelembe. A hozamot az intenzitás és az elem területének szorzataként kapjuk meg Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

12

A legfontosabb MODFLOW csomagok Evapotranspiration package (Evapotranszspiráció csomag) A MODFLOW evapotranszspirációs csomagja a növények párologtató hatását és a földfelszín kiszáradása miatti vízveszteséget veszi figyelembe.


A legfontosabb MODFLOW csomagok Evapotranspiration package (Evapotranszspiráció csomag)

Terepszint

100

-56 mm/év

Maximális párolgás Talajfelszín

200 80 mm/év

150 mm/év

174 mm/év

300

Talajvízjárás

A talajvíz terepszint alatti mélysége [cm]

0

Párolgás [mm/év]

-100

100

0

200

FüggQleges évi vízforgalom [mm] Beszivárgás [mm/év]

Maximális párolgás mélysége Maximális beszivárgás mélysége

400

Maximális beszivárgás

Mélység


A legfontosabb MODFLOW csomagok Evapotranspiration package („Evapotranspiráció” csomag) RET = RETMaximum , ha h > hs RET = 0, ha h > hs − d  d − ( hs − d )  RET = RETMaximum ⋅  , ha (hs − d ) ≤ h ≤ hs . d  - Maximális vízvesztés (RETMaximum) - Az evapotranszspirációs zóna maximumának szintje (hs) - Az evapotranszspirációs zóna minimumának szintje (d) - Az evapotranszspirációs vízvesztés megadása a legfelső réteghez történik - Az evapotranszspirációs vízvesztés által érintett cellák mélységének megadása egy adatmátrix segítségével történik Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

13

A legfontosabb MODFLOW csomagok Horizontal-Flow Barriers package („Függőleges gát” csomag) A csomag célja résfal, szádfal vagy vetők szimulációja. A csomagnál megadandó, hogy a cella melyik oldalán (Barrier Direction) és milyen vízvezető képességű gát található. A vízvezető képességet a gát anyagának szivárgási tényezője (Hydraulic conductivity) és a vastagságának (Thickness) a hányadosa adja.


A legfontosabb MODFLOW csomagok Wetting Capability package (Visszanedvesedési csomag) A szimulációk során az elemek, ha elvesztik a vizüket és kiszáradnak, akkor inaktívvá válnak. A visszanedvesedési csomag lehetővé teszi a vízszint ismételt emelkedését követően ez inaktív cellák aktívvá válását.


A legfontosabb MODFLOW csomagok Wetting Capability package (Visszanedvesedési csomag) A csomag akkor teszi lehetővé egy inaktív cella aktívvá válását, ha a szomszédos cellában az előző iteratív lépés során a vízszintje az inaktív cella fenékszintjét vagy egy a felhasználó által megadott küszöbszintet (TRESH, Wetting Treshold) meg nem halad. Amennyiben a feltétel teljesül, akkor a cella aktívvá válik és a vízszintje a felhasználó által kiválasztott képlettel számítható.


14

A legfontosabb MODFLOW csomagok Time-Variant Specified-Head package (Időben változó nyomászintek csomagja) Az időben változó nyomásszintek csomagja által érintett elemeket a zérustól eltérő Flag számmal jelölhetjük ki. Ezután az elemben az időlépcső elején (Start Head) és a végén kialakuló (End Head) nyomásszinteket kell megadni. A cellában a nyomás-szint változása a kezdeti értéktől a záróértékéig az egyes időlépcsők során – a feltételezések szerint - lineárisan változik.


MODFLOW eredmények kiíratása Az eredményállomány az alábbi részeredményeket tartalmazhatja: Nyomásszintek, Depressziók, Cellák közötti hozamok, Felszínsüllyedések (IBS1 csomag), Egyes rétegek összenyomódása (IBS1 csomag), Előkonszolidációs nyomás (IBS1 csomag), Bemeneti adatok. Interface file to MT3D doboz bejelölésével biztosíthatjuk az MT3D.FLO állomány elkészítését.


MODFLOW futtatása Models → MODFLOW → Run parancs


15

Models menü – MOC3D

A MOC3D transzportmodell a karakterisztika módszerének segítségével oldja meg a transzport egyenletet. A karakterisztika módszerének alkalmazásához a Grid menüben definiált elemosztást használja fel.


Models menü – MT3D(MS)

Az MT3D/MT3DMS programok a MODFLOW-hoz fejlesztett transzportmodellek. A két program abban különbözik egymástól, hogy az MT3DMS többkomponensű (kompetitív) transzport számítására alkalmas. A programban többfajta módszer alkalmazására van lehetőség (véges differencia módszer, karakterisztika módszerének két változata). A megoldás során lehetőség van az advektív-diszperzív transzport, a lineáris és nem lineáris adszorpció és a bomlás figyelembe vételére is.


Models menü – inverz modellek

A PEST és az UCODE inverz modellező eszközök, melyekkel egyes paraméterek számíthatók. A számítandó paramétereket sorszámokkal kell megjelölni, melyeket valamennyi adatbeviteli mezőnél egy paraméterszám (Parameter number) jelöl. A két program futtatása előtt egy paraméter listát (Parameter list) kell összeállítani, melyet a Models → PEST → Paraméter List, illetve Models → PEST → Paraméter List parancsokkal lehet elérni. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

16

Models menü - PMPATH

A PMPATH egy részecskekövetésre alkalmas program melyet kifejezetten a PMWIN környezethez fejlesztettek ki. Felfogható egy advektív transzportmodellnek is. Segítségével határozhatunk meg áramvonalakat síkban vagy térben, illetve izokrón görbéket is számíthatunk.


PMPath futtatása Models → PMPATH (Pathlines and Contours) parancs


PMPath – új részecskék definiálása


17

PMPath – File parancs

File → Open model: lefuttatott modell eredményeinek megnyitása File → Import model: MODPATH v3 állományok betöltése File → Save Plot As... : képernyőn lévő aktuális tartalom elmentése (*.BMP, *.DXF és HPGL) File → Save Heads As...: nyomásszintek mentése File → Save Drawdowns As...: depressziók mentése File → Save Velocity As...: szivárgási sebességek elmentése File → Print Plot: az aktuális grafika nyomtatása File → Delete All Particles: a korábban definiált vízrészecskék törlése File → Save Particles As: az aktuálisan definiált vízrészecskék tulajdonságainak és helyzetének mentése File → Load Particles: a korábban elmentett vízrészecske adatok betöltése. File → Exit: kilépés


PMPath – Run parancs

A Run menü : az Options menüben beállított tulajdonságú vízrészecskék mozgásának vezérlése (A vízrészecskék mozgását lehet az áramlás irányába és azzal ellentétes irányban is vizsgálni!) Run → Forward, és a Run → Step Forward: parancsokkal a vízrészecskék áramlási irányba történő mozgását lehet vizsgálni. Run → Backward és a Run → Step Backward parancsokkal a vízrészecskék áramlási iránnyal ellentétesen történő mozgását lehet vizsgálni. Run → Restart paranccsal a kijelölt vízrészecskék útjának számítása újra indítható. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

PMPath – Options – Environment parancs


18

PMPath – Options – Particle Tracking (Time) parancs


PMPath – Help parancs


Tools menü – Digitizer…

A Tools → Digitizer menüvel egy speciális Grid Editor ablak érhető el, ami lehetővé teszi pontok digitalizálását a modellezett térrészen és a pontokhoz értékek rendelését. A digitalizált pontok és értékek elmentése is lehetséges, ezeket később a Field Interpolatorral lehet a modell felépítéséhez felhasználni.


19

Tools menü – Digitizer… Az ablakban a digitalizálási képességet a digitalizáló gomb benyomásával lehet aktívvá tenni. Ezután az egérrel a modellezett térre kattintva bárhova pont helyezhető el. A lehelyezett pontra jobb egérrel kattintva a hozzárendelt érték adható meg. Egy-egy pont törlése a lenyomott CTRL billentyű esetén végzett klikkeléssel lehetséges. A digitalizáló fájlműveleti parancsai a

Value

→

Points

menüpont alól érhetők el. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Tools menü – Digitizer…

Value → Points → Delete all menüponttal az összes digitalizált pont

egyszerre törölhető.

Value → Points → Save as menüponttal az összes digitalizált pont egy xyz

kiterjesztésű ASCII szövegállományba menthető el. Ez a fileformátum a bemeneti állománya a Field Interpolator programnak.

Value → Points → Load menüponttal a korábban kimentett digitalizált pontok újra betölthetők, majd szerkeszthetők. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Tools menü – Field Interpolator (PMDIS)…

A Tools → Field Interpolator (PMDIS)... menüvel ismert adatok alapján (melyek lehetnek fúrási pontokból származó adatok vagy egyéb digitalizált értékek) számíthatjuk valamennyi elemre a legvalószínűbb értéket, úgy, hogy a pontokra inter- és extrapolációval egy folytonos térfelületet fektetünk és ezek adott elem középpontjára számított értékeit az elemekhez rendeljük. A Field Interpolator megfelel egy egyfelől butított, másrészt fejlesztett Surfer grid-számító programnak!


20

Tools menü – Field Interpolator (PMDIS)…

A programban meg kell adni egy bemeneti állományt, mely vagy a digitalizálóval készített állomány vagy egy alábbi szintaxisú szövegfájl: n x1, y1, z1 x2, y2, z2 ... xn, yn, zn,

ahol n az észlelési pontok száma, xi, yi az észlelési pontok koordinátái a tájolásnak megfelelő koordinátarendszerben, zi az észlelt és egyben interpolálandó érték a xi, yi koordinátájú pontban.


Tools menü – Field Generator (PMFGN)…

Ebben a menüben egy sztochasztikus modellezéshez szükséges eszközt érhetünk el. Az eszköz adott szórású és átlagértékű véletlen, lognormális eloszlású adathalmazokat generál. Ez alkalmas lehet szivárgási tényező vagy transzmisszivitási mezők véletlen előállítására, melyeket egymás után lefuttatva a modellnek a véletlen hatásokra való érzékenységét vizsgálhatjuk, illetve egy-egy vízszint, depresszió kialakulásának valószínűségét határozhatjuk meg. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Tools menü – Field Generator (PMFGN)… Kimeneti fájlnév Az adatrendszer darabszáma Az átlagérték tízes alapú logaritmusa Szórás Hatástávolság a sorok mentén Hatástávolság az oszlopok mentén


21

Tools menü – Presentation… • Bemutatható grafika előállítása • Számítások végzése • Próbaműveletek végzése az állományokkal anélkül, hogy a meglévő működőképes adatrendszert megváltoztatnánk A menüvel egy Grid Editor ablakhoz jutunk, ahol az objektumokat, színeket állíthatjuk be, izovonalas térképeket rajzolhatunk Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Tools menü – Presentation… Az animáció (Animation) parancs

A Grid editorban beállított térképek, színskálás ábrázolások szerint lehet a nem permanens számítási eredményekhez tartozó állapotok grafikáit egymás után előállítani, majd mint, képsorozatot animációként bemutatni.


Tools menü – Presentation… Az animáció (Animation) parancs 1. Új könyvtár létrehozása és fájlnév megadása 2. Új vagy már meglévő animációt szeretnénk megtekinteni 3. Az animálandó számítási eredmény típusának megválasztása: - Nyomásszint - Depresszió - Koncentráció (a különböző programok által létrehozott adatok szerint) Az elkészült diasorozatot a program az ESC lenyomásáig lejátssza. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

22

Tools menü – Result Extractor…

Itt az eredmények kinyerése történhet, munkalapok segítségével.


Tools menü – Result Extractor… Minden lapra érvényes: Read: a kiválasztott értékek behívása Apply: a beolvasott eredmények elmentése az aktuális Grid Editor ablakba Save: a táblázatosan mutatott mátrix adatait ASCII mátrix formátumban tárolhatjuk el. Close: az ablak bezárása Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Tools menü – Result Extractor… Plan view: egy réteg, azaz vízszintes sík mentén mutatja a kiválasztott eredményelem alakulását megadva a kívánt réteg (Layer) sorszámát

X-section(Coloumn): egy oszlopirányú függőleges metszet mentén mutatja a kiválasztott eredményelem alakulását

X-section(Row): sorirányú függőleges metszet mentén mutatja a kiválasztott eredményelem alakulását. Ez utóbbi esetekben megadandó a kiválasztott oszlop vagy sor sorszáma is.

Coloumn Width: itt adható meg a táblázat oszlopainak szélessége. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

23

Tools menü – Result Extractor… A MODFLOW lapon nyerhetjük ki a hidrodinamikai számítások eredményeit. Típus szerint lehetnek: Hydraulic Head - nyomásszint Drawdown - depressziók Concentration - koncentrációk Compaction - összenyomódási értékek Preconsolidation Head konszolidációs nyomás értékek Subsidence - felszínsüllyedés értékek. Megadva a periódus (Stress Period) és az azon belüli időlépcső (Time Step) sorszámát. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Tools menü – Result Extractor… Transzportmodell számításieredmények kinyerése esetén megadandó az időpont (Total Elapsed Time), amikorra vonatkozó állapot eredményeit ki szeretnénk nyerni. Az eszköz segítségével kinyerhetők a: - koncentrációra, - oldott és megkötött anyagmennyiségre vonatkozó eredmények.


Tools menü – Water Budget…

Ez a menü vízmérleg meghatározásra szolgál. A Vízmérleg elemei számíthatók: - a teljes modellezett térre, illetve - általunk definiált zónákra A zónákat egy Grid Editor ablak segítségével a Zone gomb-ra kattintva jelölhetjük ki, a zónákhoz egy-egy sorszámot rendelhetünk. Ekkor a program a teljes modellen kívül az egyes kijelölt zónákra is megadja a vízmérleg elemeit rétegenként.


24

Tools menü – Graphs… A Tools → Graphs menüvel az időben változó eredményeket lehet ábrázolni. Ezek: • Nyomásszint-idő - Head-Time, • Depresszió-idő - Drawdown-Time, • Összenyomódás-idő - Compaction-Time, • Konszolidációs nyomás-idő Preconsolidation Head-Time, • Süllyedés-idő (Subsidence-Time) és • Koncentráció-idő (Concentration-Time) grafikonok.


Tools menü – Graphs… Az észlelőkutak (Boreholes) táblázatából kiválasztható az ábrán feltüntetendő kutak száma, illetve, hogy számított vagy észlelt értékek ábrázolását tervezzük (Data Type: Calculated, Observation). Beállíthatók az x (idő) tengely (x-Time Axis) paraméterei: kezdő időpont (Min. time), végső időpont (Max. time) és osztások száma (Ticks), az ordinátán hasonlóan (minimum, maximum és osztás (Min value, Max. value, Ticks)).


Tools menü – Graphs… Boreholes (észlelőkutak) táblázat: itt kiválasztható ki az ábrán feltüntetendő kutak száma Data Type:

Calculated (számított értékek

ábrázolása),

Observation (észlelt értékek

ábrázolása)

X-Axis (Time) (idő tengely): Min. time (kezdő időpont), Max. time (végső időpont ) és Ticks (osztások száma) Y-Axis (érték tengely): Min. Value (kezdő érték), Max. Value (max. érték) Ticks (osztások száma) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

25

Tools menü – Graphs… Options (Beállítások):

Draw horizontal/vertical grid: (vízszintes és függőleges osztóvonalak rajzolása)

Auto Adjust Min/Max:

tengelyek minimum és maximum értékének automatikus változtatása. Graph Style (Grafikon típusa): Linear (lineáris) Semi-Log (szemilogaritmikus) Save Plot As: A grafikon elmentése, Data: a felhasznált adatok megtekintése, Scatter Diagram: az észlelt és mért értékek pontdiagramos megjelenítése. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Help menü


A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata

A Grid Editor a program egyik legtöbbet használt rutinja. A PMWIN a modellezés során az egyes hálóelemekhez rendelt geometriai adatokat, anyagi tulajdonságokat, források és nyelők adatait mátrixok formájában kezeli. Ezen mátrixok kialakítását, szerkesztését, módosítását a Grid Editorral végezhetjük el


26

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Az Grid Editorban a következőket tehetjük meg: • Az összes cellához azonos értéket rendelhetünk, • Bármely kiválasztott cellához adott értékeket rendelhetünk, • Egy adott, kiválasztott cellaértéket bármely másik cellához hozzárendelhetünk (másolás) • Egy poligonnal körülhatárolt modellezett részhez, zónához értéket rendelhetünk, • Az adott mátrixnak egy kritériumnak megfelelő értékű elemeit megváltoztathatjuk, • Elmenthetjük az elemeket, illetve beolvashatunk korábban számított vagy mentett mátrixértékeket, • Matematikai műveleteket végezhetünk a mátrixokkal. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata A GRID Editor menürendszere Menük:

Ikonok: Rácsháló-szerkesztés Digitalizálás Adatmátrixok szerkesztése Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata A GRID Editor menürendszere Az ikonok szerepe (balról jobbra): Ajtó (Leave Editor): Az editorablak elhagyása, a mátrix aktuális értékekkel való elmentése, megfelel a File → Leave Editor parancsnak. Kijelölés: Kurzor üzemmód, amennyiben benyomva található, úgy a kurzor mozgatása lehetséges, így az adott mátrixon belül bármely elemre rámutathatunk. Nagyító: Lenyomása után a modell bármely két pontjára feszített téglalap alakú térrész kinagyítható a lenyomott bal egérgomb segítségével. Kicsinyítő: Lenyomása után a lépték visszaáll az eredeti állapotra. Cella-zóna váltó gomb: segítségével az adatbeviteli mód cellánkénti bevitelről zónás bevitelre változik, megfelel az Options →Input Method parancsnak. Tájoló gomb: A gomb segítségével a térképi észak és a modell y tengelynek megfelelő tájolások között váltogathatunk. A gombnak nincs hatása, ha az y tengely észak felé néz. A tájolást az Options → Environment paranccsal állíthatjuk be. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

27

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata A GRID Editor menürendszere Az ikonok szerepe (balról jobbra, folytatás):

Cellaérték másoló gomb (Duplication): ki-be kapcsolható, amíg bekapcsolva van, addig a mátrix értékek másolódnak a kurzor mozgatási útjának megfelelően. Rétegmásoló gomb (Layer copy): A gomb segítségével lehetőség van a ablakban kijelzett, aktuális réteg mátrixelemeinek egy tetszőleges másik rétegbe másolására. A gomb ki/be kapcsolja a teljes mátrix másolási funkciót, ha bekapcsolt állapotban egy másik rétegre ugrunk vagy PgDn/PgUp gombbal, vagy az aktuális rétegszám átírásával, akkor a meglátogatott rétegekben valamennyi mátrixelem a kiindulási hely mátrixelemeinek értékét veszi fel.


A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata A Grid Editor menüparancsai - File → Model information: A modellhez rendelt szöveges leírás lekérése, szerkesztése File → Save Plot As: Az éppen ábrázolt mezőtulajdonság (képernyő-rajz) mentése vektorgrafikus (HPGL vagy DXF) esetleg raszteres (BMP) formátumban. - File → Leave Editor: Mátrixszerkesztés befejezése, értékek mentése vagy mentés elhagyása - Value → Matrix → Reset: Teljes mátrix törlése és egy megadott értékkel való felülírása. - Value → Matrix → Browse: A mátrix végigböngészése táblázatkezelő formátumban, a mátrix elemeinek mentése SURFER dat formátumban vagy saját formátumban, egy korábban mentett mátrix beolvasása. - Value → Zones → Save As vagy Load: Adatbevitelhez felhasznált zónahatárok mentése illetve beolvasása. A zónák olyan térrészek, amelyeket azonos tulajdonság jellemez. Ezeket zóna üzemmódra váltás után az egérrel jelölhetjük ki, majd a jobb egérgombbal rendelhetünk az egyes zónákhoz értékeket. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata A Grid Editor menüparancsai - Value → Search and Modify: Kijelölhetők a modell elemek részhalmazai (pl. adott értékintervallumba eső elemek) és a kiválasztott elemekkel multiplikatív és additív műveletek végezhetők, esetleg egy adott értékre cserélhetők le. - Value → Result Extractor: A Result Extractor az adott mátrix elemeit a browserhez hasonlóan megmutatja és további feldolgozásra alkalmas formában elmenti a kívánt eredményeket. - Options → Maps: definiálhatók olyan dxf rajzfájlok vagy raszteres képek, amelyeket az editor-ablakban a modellezett térrészen való tájékozódásra használhatunk fel. (Lásd a környezet beállítása című részt.) - Options → Environment: A képernyőn mutatott térrész határainak definiálása, a mátrixadatok esetleges izovonalas formában való ábrázolásának megadása, vektorábrázolás megadása (Lásd a környezet beállítása című részt.) - Options → Display → Mode → Global vagy Local: A vizsgált terület északi irányban vagy helyi koordináták szerint tájolva. - Options → Input Method → Cell-by-cell vagy Zones: Cellánként vagy zónánként való adatbeviteli mód. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

28

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Value → Matrix → Reset parancs: Az összes cellához azonos érték rendelésére szolgál. A menüt kiválasztva a Reset Matrix párbeszédablak jelenik meg, ahová a kívánt érték beírható. Az ablakon belül a program feltünteti a megváltoztatandó paraméter típusát és a dimenzióját is. Bármely kiválasztott elemhez adott érték hozzárendeléséhez ki kell választani az adott elemet, majd a jobb egérgombbal egyet kattintva a Cell Value párbeszédablak jelenik meg. Az ablakban a paraméter neve és dimenziója megjelenik, és beírható az új vagy módosított érték. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Zónák alkalmazása A modellezés során lehetőség van zónák alkalmazására. Minden zóna egy poligon, melyen belül a tér, az adott jellemző szempontjából homogénnek tekinthető, azaz egy konstans értékkel leírható. Egy zónához érték rendeléséhez válassza ki a zóna beviteli üzemmódot a Zóna ikonnal, vagy az Options → Input Method → Zones paranccsal: - Az egérrel kattintva poligont vagy poligonokat készítünk - A poligon zárása a vonal kezdő pontjára való kattintással történik. - Egymást átfedő zónák esetén, a legbelsőbbel kell elkezdeni, majd az egyre

nagyobb zónákat kell megrajzolni.

- Ha helyesen vettük fel a zónákat, úgy az egér mozgatásával mindig kékre vált az

a zóna amelyben az egérmutató éppen tartózkodik.

- Ha a poligon kijelölését elrontottuk, akkor rajzolás közben a jobb egérgombbal

klikkelve az adott poligont újrakezdhetjük.

- Ha már kész poligont szeretnénk törölni, úgy az egeret az adott poligonon belülre

mozgatjuk, majd amikor az kékre vált megnyomjuk a Delete gombot a klaviatúrán. A zónákhoz értéket rendelni az egérnek a zónán belülre mozgatásával lehet, majd amikor az adott zóna határa kékre vált, akkor a jobb egérgomb megnyomására megjelenik a Zone Value párbeszédablak. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Zónák alkalmazása

Beírva a zónára jellemző értéket az ablakba, majd lenyomva a [ >> ] gombot a poligonnal határolt területen belülre eső cellákhoz a megadott értéket rendeli a program. Ha az értékeknek a cellákba másolása (a [ >> ] gomb megnyomása) elmarad, akkor a zónákról a program nem vesz tudomást, mivel a számításokat nem a zóna, hanem a cellaértékekből felállított mátrixok alapján végzi a program.

A zonákhoz rendelhető poligonokat a Value → Zones → Save As vagy Load paranccsal kimenthetjük vagy később beolvashatjuk.


29

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Mátrix kezelés Az adott mátrixban egy kritériumnak megfelelő értékű elemek kikereséséhez és megváltoztatásához a Value → Search and Modify parancsot használhatjuk (megjelenik a Search and Modify párbeszédpanel) A panelben a megváltoztatandó vagy kikeresendő érték a Minimum és Maximum oszlopokba írt értékek közé esik. A minimum és maximum érték által meghatározott intervallumba eső elemeket a program a Color cellában mutatott színűre változtatja (ráklikkelve megváltoztatható).


A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Mátrix kezelés Amennyiben az adott sor aktív (Active), az Options cellában határozandó meg az a művelet, amit végezni akarunk: ez lehet a Value oszlopba írt értékkel való helyettesítés (Replace), azzal való szorzás (Multiply) vagy összeadás (Add), de csak beszínezhetjük a kiválasztott elemeket is (Display only). Ezzel az utóbbi lehetőséggel a terület színskálás térképét is elő lehet állítani. A felső Parameter: nevű cellában az éppen szerkeszthető egy vagy több paraméter neve van felsorolva, ahonnan a megfelelőt ki kell választani.

Az inaktív cellák figyelmen kívül hagyása (Ignore Inactive Cells) dobozzal lehetővé válik, hogy a peremfeltételeknél inaktívvá tett elemek esetében a kijelölt műveletet a program ne hajtsa végre. Az aktuális beállításokat a Save és Load gombokkal menthetjük vagy behívhatjuk.


A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Mátrix kezelés A mátrixelemek szerkesztése és elmentése e az Editor Value → Matrix → Browse paranccsal lehetséges, amire a Browse Matrix ablak jelenik meg. A legördülő Parameter: menüből lehet kiválasztani a szerkeszteni vagy menteni kívánt jellemzőt az aktuálisan szerkesztett paraméterek közül. Bármely értékre kattintva az érték megváltoztatható vagy megnyomva a Save gombot, majd a fájlnév megadása után az ablakban választott formátumban (ASCII szöveg vagy SURFER xyz DAT formátum) az OK gomb megnyomására a program az adatokat elmenti a merevlemezre. A korábban számított és mentett mátrixértékeket beolvasása az editor Value → Matrix → Browse paranccsal történik, az ablak legördülő paraméter menüjéből kiválasztható a beolvasni kívánt paraméter az aktuálisan szerkeszthető paraméterek közül, majd a Load gombot lenyomva megjelenik a Load File ablak. A fájlnév megadása után az OK gomb megnyomására a program az adatokat beolvassa a merevlemezről. Amennyiben a beolvasandó mátrix mérete nem fele meg a szerkesztendő mátrix méretének, akkor hibaüzenetet kaphatunk. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

30

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Mátrix kezelés


A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Mátrix kezelés A mátrixokkal matematikai műveletek végzéséhez a Load Matrix ablak további opcióit használhatjuk fel.

Például ha a szivárgási tényező és a rétegvastagság értékeinek megfelelő mátrixokkal rendelkezünk (ezek származhatnak korábbi mentésből vagy pl. a Field Interpolator használatából) úgy a két mátrix szorzataként kaphatjuk a transzmisszivitás mátrixot. Ehhez először olvassuk be az egyik szorzandó mátrixot pl. a rétegvastagságét, majd második lépésként olvassuk be a szivárgási tényező mátrixot de úgy, hogy az ne felülírja, hanem összeszorozza a mátrixok értékeit (Options: Multiply). Amennyiben nem szorozni, hanem hozzáadni akarunk a korábban beolvasott mátrixhoz akkor az Add, ha kivonni, akkor a Substract, ha osztani, akkor a Divide opciót kell kiválasztani. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Mátrix kezelés A mátrixokkal matematikai műveletek végzéséhez a Load Matrix ablak további opcióit használhatjuk fel.

Be lehet olvasni egy részmátrixot is, ekkor a kezdőpont (Start Position) ablakrészben a részmátrix bal felső sarkának oszlop (Coloumn) és sorszámát (Row) kell megadni.


31

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Mátrix kezelés Amennyiben olyan adatokat szerkesztünk, amelyek időben változhatnak (pl. a kutak vízhozama stb.) és nem-permanens szimulációt végzünk, úgy a File Leave Editor parancs kiadásakor a Temporal Data ablak jelenik meg. Egy másik időlépcső adatainak szerkesztéséhez válasszuk ki a táblázatban a megfelelő időlépcsőt (Period), majd nyomjuk meg az Edit Data gombot. Egyik időlépcső adatainak a másik időlépcsőhöz rendelése (másolás): válasszuk ki a táblázatban a megfelelő időlépcsőt (Period), majd nyomjuk meg az Copy Data gombot. A megjelenő ablakban adjuk meg annak az időlépcsőnek a sorszámát ahová másolni kívánjuk az adatokat. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

A GRID Editor (Rácsháló szerkesztő) használata Mátrix kezelés

Az adott paraméter adatainak szerkesztésének befejezéséhez nyomja meg a Leave Editor gombot! Ahhoz, hogy a számítások során az adott periódus során az adatmátrixot a program figyelembe vegye a használat (Use) mezőn belüli dobozt be kell jelölni!


Munkakörnyezet beállítása – Alaptérkép felvétele •

Vektorgrafika (*.dxf, *.bln) behivása Options → Maps parancs (Map Options panel)


32

Munkakörnyezet beállítása – Alaptérkép felvétele •

Rasztergrafika (*.dxf, *.bln) behivása Options → Maps parancs (Map Options panel)

Nagyítás: Shift + bal egérgomb Kicsinyítés: Ctrl + jobb egérgomb Teljes térkép nézete: Alt +bal egérgomb


Munkakörnyezet beállítása – Alapbeállítások

• Options → Environment parancs (Environment panel) • Megjelenítések beállítása: Appearance fül • Koordinátarendszer beállítása : Coordinate System fül • Izovonalas térképi ábrázolás :Contours fül.


Munkakörnyezet beállítása – Alapbeállítások Options → Environment parancs (Environment panel) • Megjelenítések beállítása: Appearance fül

Grid Inactive cells Fixed Head Fixed Conc. Bores Observations

Rácsháló Inaktív cellák Állandó nyomású cellák Állandó konc. cellák Fúrások Megfigyelőkutak

Discharge Wells Recharge Wells Drain Specified Flows (in) Specified Flows (out) Digitized Points

Termelőkutak Injektáló kutak Szivárgók Betápláló hozamok Megcsapoló hozamok Digitalizált pontok

GHB cellák

River or Stream

Folyó vagy Patak

Függőleges helyzetű gátak

Reservoir

Rezervoár

Gen. Head BoundaryHB cell Horizontal Flow Barrier Time Variant Spec. Head

Időben változó nyomásszintek Time Variant Spec. Conc Időben vált. koncentráció


33

Munkakörnyezet beállítása – Alapbeállítások Options → Environment parancs (Environment panel) • Koordináta-rendszer beállítása : Coordinate System fül Visible - A láthatóság ki/be kapcsolása. Display Contour Lines - Izovonalak ábrázolása ki/be Fill Contours - Kitöltés (színskálás) ábrázolás ki/be Orient labels uphill - Az izovonal-cimkék dombirányú elhelyezése ki/be.

Ignore inactive cells - az inaktív cellák területén a megjelenítés ki/bekapcsolása.

A táblázatos rész Level gomb – az első (Minimum) és az utolsó (Maximum) izovonal szintjét és az izovonalak közötti lépésközt (Interval). Fill gomb a színkitöltés megadása Label gomb az izovonalakra írandó címke engedélyezése Label height és Label spacing a cimkék magasságának és egymástól való távolságának szabályzása. Label Format gomb a cimkék formátumának megadása. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

Munkakörnyezet beállítása – Alapbeállítások Options → Environment parancs (Environment panel) • Koordinátarendszer beállítása : Coordinate System fül A modell-rendszer tájolása: •a rácsháló tájolása: Grid Position mezőrész •a képernyő által mutatott térrész nagysága: Worksheet Size. (A képernyő által mutatott terület bal alsó sarka az X1,Y1; jobb felső sarka az X2, Y2 koordinátájú pont.) Figyelem! A magyar EOV rendszerben az EOV X koordináta az y tengelyre az EOV Y koordináta az x tengelyre kerül, ezért a bal felső sarok EOV X koordinátája az Y0 érték és ugyanez vonatkozik a képernyő által mutatott térrész valós koordinátáinak beállításaira is. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek29.

34

Transzport modellezés

Transzport modellezés elméleti alapjai Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


Szennyeződés terjedés elemei

konvektív-diszperzív transzport adszorpcióval és bomlással

Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Elemei térrész szennyezőanyag mérlege z

Fz +

∂ ( Fz ) ∂z

Fx Fy +

dz

Fy

dy

∂ Fx + ( Fx ) ∂x x

dx

∂ ( Fy ) ∂y y

Fz


1

Advekció •

Az oldott anyagok vízzel való együttes tömeges áramlását advekciónak, illetve a hőtanból kissé helytelenül átvéve konvekciónak nevezzük. (konvekció: hőmérsékleti különbségek hatására létrejövő mozgási folyamat; advekció: a potenciálos - és a hőt kizáró - erőtér által létrejött mozgási folyamat. Az advektív szennyezőanyag-áram a közegbeli v átlagos áramlási sebesség és a C koncentráció szorzata, azaz:

Fx ,konv. =

dM x1 = v x C, dydzdt

Fy , konv. =

dM y1

= v y C,

dxdzdt

Fz ,konv.. =

dM z1 = vzC dxdydt

ahol M a szennyezőanyag kémiai mennyisége és t az eltelt idő.


Szennyezőanyag szóródása - diffúzió C=1

C=0

C=1

C=0

átmeneti zóna

t=0

Koncentráció változása

t>0


Szennyezőanyag szóródása - diffúzió A térbeli kémiai potenciál-különbségek hatására létrejövő tömegáramot, melyet Fick I. törvénye ír le, diffúziónak nevezzük. A koncentrációkülönbségek hatására létrejövő diffúziót közönséges diffúziónak, míg az elektromos potenciál- vagy hőmérséklet-különbségek okozta anyagáramokat kényszerdiffúziónak nevezzük. Fick I. törvénye értelmében a diffúzió miatt kialakuló kémiai anyagfluxus három komponense - porózus közegben - az alábbi formában írható fel: Fx ,diff . =

dM y 2 dM x 2 ∂C dM z 2 ∂C ∂C = − D eff = −D eff Fy ,diff = F = = −D eff ∂x dydzdt dxdzdt ∂y z ,diff dxdydt ∂z

ahol Deff az effektív (vagy látszólagos) diffúzió-állandó, amelynek értéke porózus közegben kisebb, mint a vizes közegben mért D0 diffúzió-állandó.


2

Szennyezőanyag szóródása – hidrodinamikai diszperzió


Szennyezőanyag szóródása - makrodiszperzió

szivárgási tényező

Szennyezőanyag eloszlása t=0 időpontban

Szennyezőanyag eloszlása adott t > 0 időpontban

szennyezés víztartó A viz áramlási iránya

A viz áramlási iránya z átlagos koncentráció

átlagos koncentráció távolság

távolság


Szennyezőanyag szóródása -diszperzió Homogén az áramlási sebességtérben (a víz szivárgása x irányú) a diszperzív fluxusok:

Fx ,Hidrodin .diszp. =

Fy ,Hidrodin.diszp. = Fz ,Hidrodin .diszp. =

dM x 3 ∂ = −D x ( ΘC ) dydzdt ∂x

dM y 3 dxdzdt

= −D y

∂ (ΘC) ∂y

dM z 3 ∂ = −D z (ΘC) dxdydt ∂z

Dx = αL vx , Dy = αT vx , Dz = αT vx Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

3

Szennyezőanyag megkötődése – szorpció I. •

Az adszorpció a szennyezőanyag porózus közeg felületén történő reverzibilis megkötődését jelenti. Ez a folyamat a modellezett tér anyagmérlegében úgy jelenik meg, mint egy időben állandóan változó forrás vagy nyelő, függően attól, hogy az adott koncentrációviszonyok között a megkötődés (adszorpció), vagy a szennyező anyag oldatba jutása (deszorpció) a jellemző.

•

Az adszorbeált és deszorbeált anyagmennyiségek egyensúlya:

Θ ⋅ dV

∂C ∂C = −ρ b ⋅ dV ∂t ∂t

ahol C a pórusfolyadék koncentrációja [M/L3], a szennyezőanyag koncentrációja a talajban [M/M száraz talaj], b a porózus közeg testsűrűsége [M/L3], a térfogatszázalékban kifejezett víztartalom [-] (amely telített közegben egyenlő a hézagtérfogattal) és V a teljes vizsgált térfogat.

•


Szennyezőanyag megkötődése – szorpció II. a, N>1

N<1

Adszorbeált anyagmennyiség

Adszorbeált anyagmennyiség

b, N=1

Szorpciós kapacitás

Koncentráció a pórusfolyadékban

Koncentráció a pórusfolyadékban

A Freundlich (a) és a Langmuir (b) izoterma alakja


Bomlás •

A bomlási folyamatok a szennyezőanyag degradációjához, mennyiségének időbeli csökkenéséhez vezetnek. Bár a bomlás két alapvető típusa a kémiai bomlás és a radioaktív bomlás jellegében alapvetően különbözik egymástól, a

szennyezőanyagok

terjedésének

modellezésekor

mégis

azonos

matematikai formában vehetők figyelembe, melynek algebrai alakja:

∂ (ΘC) dM = = −λ(ΘC + ρ b K d C) ∂t dVdt ahol λ bomlási állandó.


4

Transzport-egyenlet

dM ∂ 2 (ΘC) ∂ 2 (ΘC) ∂ 2 (ΘC) ∂ 2 (ΘC) ∂ 2 (ΘC) + + D *xy + D *xz + D *yx + D *yy = D *xx dVdt ∂x∂y ∂x∂z ∂y∂x ∂y 2 ∂x 2 ∂ 2 (ΘC) ∂ 2 (ΘC) ∂ 2 (ΘC) ∂ 2 (ΘC) ∂ + D *zx + D *yz + D *zz − ( v x C) − ∂y∂z ∂z∂x ∂z∂y ∂x ∂z 2 ∂ ∂ ∂ − ( v y C) − ( v z C) − (ρ b K d C) − λ(ΘC + ρ b K d C) ∂y ∂z ∂t + D *yz


A konvektív transzport, a diffúzió és a mechanikai diszperzió okozta anyagáramok összevetése a szivárgási sebesség függvényében (ROWE, 1987)

Hidrodinamikai diszperzió elhanyagolható

Hidrodinamikai diszperzió domináns

Diffúzió Advektiv transzport domináns és diffúzió egyaránt jelentõs

Advektiv transzport dominál a diffúzióval szemben

lg v -5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

Szivárgás v Darcy-féle átlagsebessége [m/év]


Szennyezőanyag-mérleg elemei egy kiválasztott elemi hasáb környezetében Források és nyelők hozama

C

a

Adszorpció

Víztartó vastagsága Konvekció C Diszperzió Bomlás Tárolt szennyezőanyag mennyiség

y x Elem ( i , j )


5

MT3D alapismeretek

Az MT3D(MT3D-MS) 1.5 DoD program használata Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


Az MT3D/MT3DMS programok – egy és többkomponensű transzport számítására A PMWIN környezet transzportmodellezéshez összesen négy eszközt kínál, melyeket a Models menün keresztül érhetünk el. A programok közül a legelterjedtebb MT3D és MT3DMS nevűeket mutatjuk be részletesebben. Az MT3D (ZHENG, 1990,1992, 1996) és az MT3DMS (ZHENG – WANG, 1998) programok a MODFLOW-hoz fejlesztett transzportmodellek. A két program abban különbözik egymástól, hogy az MT3DMS többkomponensű (kompetitív) transzport számítására alkalmas. A programban többfajta módszer alkalmazására van lehetőség (véges differencia módszer, karakterisztika módszerének több változata). A megoldás során lehetőség van az advektívdiszperzív transzport, a lineáris és nem lineáris adszorpció, valamint a bomlás figyelembe vételére is. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok - az MT3D.FLO állomány szerepe A transzportmodellnek szüksége van egy permanens vagy nem-permanens állapotot leíró hidrodinamikai modellre, melyből a transzportmodell a szivárgási sebességkomponensek nagyságát, a felvett rétegek geometriáját alapadatként használja fel.

A felhasználás eszköze egy olyan adatállomány (MT3D.FLO), amit a hidrodinamikai modellprogram állít elő a futása közben, és amit a transzportprogram beolvas a futás kezdetén. Mindebből az is következik, hogy bármiféle módosítást eszközlünk a hidrodinamikai modellen, előbb azt le kell futtatni, és el kell készíteni az új állományt, amit ezután a transzportprogram beolvashat!

MODFLOW hidrodinamikai modell hidraulikai potenciáltér adatai

MT3D.FLO

MT3D vagy MT3DMS transzportmodell


1

Az MT3D/MT3DMS programok A hidrodinamikai modell előkészítése és a transzport számítások Teendők: 1. MT3D.FLO – állomány létrehozásának előírása 2. Időbeli szakaszolás megadása MODFLOW 3. MODFLOW modellcsomagok módosítása a szennyezőforrások lehetőségének biztosítására 4. MODFLOW újrafuttatás és MT3D.FLO kiíratás 5. A transzportmodellezés peremfeltételeinek megadása 6. A transzportmodell kezdeti feltételeinek megadása és a rétegek transzportparamétereinek megadása MT3D 7. Az eredmények kiíratási rendjének meghatározása 8. Futtatás 9. Az eredmények megjelenítése


Az MT3D/MT3DMS programok – MT3D.FLO kiíratás előírása (A MODFLOW modell felkészítése a transzport számításokra 1.) Az MT3D/MS programok részére az MT3D.FLO interfész állomány létrehozását a Models → MODFLOW → Output Control... paranccsal lehet elérni. Interface file to MT3D doboz bejelölésével biztosíthatjuk az MT3D.FLO állomány elkészítését.


Az MT3D/MT3DMS programok – Az időlépcsők beállítása A MODFLOW modell felkészítése a transzport számításokra 2. Lényeg: Minden transzport-időlépcsőhöz tartozzon hidraulikai potenciáltér – adat! Hidraulikai potenciáltér adatok: hidraulikus emelkedési magasságok (nyomásértékek) szivárgási sebesség értékek Megjegyzés: Alapvető dolog az időlépcsők beállítása a transzportmodellezés igényeinek megfelelően. Az időlépcsők beállítása akkor is fontos, ha a hidrodinamikai modell permanens állapotú volt, függetlenül attól, hogy emiatt a program az interfész állományba ugyanazokat a sebesség-komponenseket írja ki az időlépcsők darabszámának megfelelő számban. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

2

Az MT3D/MT3DMS programok – Egy permanens modell időlépcsői A MODFLOW modell felkészítése a transzport számításokra 2. Amennyiben a modell permanens, az alábbi ábrán látható lehet pl. az időbeliség definíciója.


Az MT3D/MT3DMS programok – Egy permanens modell időlépcsői A MODFLOW felkészítése a transzport számításokra 2. Amennyiben a permanens állapotban 5 db 5 éves periódus transzportszimulációjára készülünk, akkor szükséges az 5 db időlépcsőt a permanens hidrodinamikai modellen belül is definiálni. Amennyiben a hidrodinamikai modell nem permanens állapotú rendszert szimulál, akkor célszerű mindkét rendszerben azonos időlépcsőket használni. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok - időlépcsők megadása A MODFLOW modell felkészítése a transzport számításokra 2. Feltételezve, hogy egy rendszerben a hidrodinamikai állapot kétszer, a transzport-szempontból fontos jellemzők (pl. szennyezőforrás intenzitása) háromszor változnak, akkor a következő ábra szerinti öt időlépcső definiálása lehet a megoldás.

1. hidrodinamikai állapot


3. transzport állapot


5. időlépcső

3. időlépcső

2. időlépcső

1. időlépcső

Idő



4. időlépcső



3

Az MT3D/MT3DMS programok - időlépcsők megadása A MODFLOW modell felkészítése a transzport számításokra 2. Megjegyzések: A nem permanens hidrodinamikai modell által szimulált teljes időtartamnak és a transzportmodell által szimulált időtartamnak azonos hosszúnak kell lenniük. A túl sok számítási időlépcső hosszas futáshoz vezet, továbbá mivel minden időlépcsőhöz külön bemeneti állományok tartoznak, ezért nagy, akár a 100 MB-os méretet is meghaladó, bemeneti és kimeneti állományok kezelését teszik szükségessé. Érdemes a munka megkezdését megelőzően átgondolni, hogy hogyan alakítható ki egy, a rendszert kellő mértékben leíró, de még kezelhető nagyságú és bonyolultságú számítási rendszer. Könnyebbséget jelent, hogy – főképpen a talaj- és talajvízszennyezések esetén a szennyező források kialakulásnak pontos ideje nem ismert, ezért lehetőség van az előző dia szerinti, különböző transzport állapotok kezdeti és esetleg végső időpontjának kisebb tartományon belül mozgatásával az összes időlépcsők számát lecsökkenteni. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok – MODFLOW csomagok módosítása A MODFLOW modell felkészítése a transzport számításokra 3. „Transzportmodell-működési koncepció”: Már a hidrodinamikai modell transzportszámításra alkalmas változatának elkészítése közben gondolkozni kell a transzportmodell működési koncepcióján. A transzport-modell a szennyezőanyag mérleg számítását fogja elvégezni. Három eset lehetséges: – a szennyezőanyag a kezdeti állapotban már a rendszerben van (pl. egy szennyezett terület természetes szétterjedésének szimulációja esetén); – a szennyezőanyag a modellezés során jut be a rendszerbe (pl. egy aktív szennyezőforrás hatásának vizsgálata); – a leggyakoribb azonban a kettő kombinációja, amikor már van a rendszerben szennyező anyag, de a szimulációs időszakban további szennyezés is történik.


Az MT3D/MT3DMS programok – MODFLOW csomagok módosítása A MODFLOW modell felkészítése a transzport számításokra 3. A szennyezőanyag kívülről csak vízbetáplálással együtt kerülhet be a rendszerbe (pl. injektálókutakkal, beszivárgással, szennyezett folyadék elszikkasztásával, stb.).

Ezeknek az elemeknek már a hidrodinamikai modellben is benne kell lenniük.

Ennek megfelelően a hidrodinamikai modellt úgy kell felépíteni, hogy abban mindazok a „források” (vízbetáplálások) szerepeljenek, amelyeken keresztül a szennyezőanyag a transzportmodellben a rendszerbe be tud lépni.


4

Az MT3D/MT3DMS programok – MODFLOW csomagok módosítása A MODFLOW modell felkészítése a transzport számításokra 4. Bárhogy módosítjuk a hidrodinamikai modellt, azaz a MODFLOW bemeneti adatait, a Models → MODFLOW → Run paranccsal el kell végezni az újra futtatást. Eközben a megváltozott helyzetnek (források és nyelők, időlépcsők, stb. megváltozása) megfelelő szivárgási sebességteret a program kiszámolja, majd ezt követően a módosult MT3D.FLO interfész állományt is kiírja. Amíg a futtatás meg nem történik, addig a transzportmodell a korábbi hidrodinamikai helyzetet tételezi fel!


Az MT3D/MT3DMS programok - A peremfeltételek megadása Az MT3D modell kialakítása 5. A transzportmodell peremfeltételeit a Grid → Boundary Condition → ICBUND (MT3D/MT3DMS) paranccsal lehet megadni


Az MT3D/MT3DMS programok- A peremfeltételek megadása Az MT3D modell kialakítása 5. A transzportmodellezésnél aktív (időben változó) koncentrációjú cellákat lehet a rendszerben definiálni.

és

állandó

Inaktív cellák definíciójára nincs szükség és lehetőség, mivel minden időlépcső elején a program áttekinti azokat a cellákat, melyeknél koncentráció-változás nem lehetséges (állandó koncentrációjú, forrás- és nyelőmentes területrészek) és ezekre a számítást nem végzi el. Az állandó koncentrációjú cellákat –1-gyel, a változó koncentrációjú, aktív cellákat 1-gyel jelöljük a rendszerben. Amennyiben a modellezett terület kellően nagy, a szennyeződés kizárólag a modellezett területen belül található, továbbá a háttér-koncentráció zérusnak tekinthető, készíthető olyan modell, ahol az összes cellát aktívnak tételezzük fel. Amennyiben az MT3D/MT3DMS programrendszert használjuk, a peremfeltételek megadása kötelező, annak hiányára hibaüzenet hívja fel a felhasználót. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

5

Az MT3D/MT3DMS programok - A bemeneti adatok megadása Az MT3D modell kialakítása 6. Az MT3D program adatait a Models → MT3D parancs segítségével adhatjuk meg. A kiindulási koncentrációértékeket az Initial Concentration, az advektív transzportszámítás jellemzőit az Advection..., a diszperzív transzportot a Dispersion..., a szorpciós folyamatokat a Chemical Reaction menüpontok alatt adhatjuk meg. A hidrodinamikai modellbe épített forráselemek által bejuttatott folyadékok koncentrációját a Sink/Source Concentration menü alatt definiálhatjuk. A kiírandó paramétereket és azok gyakoriságát az Output Control menüben határozhatjuk meg, végül a Run paranccsal történhet a készített MT3D modell futtatása.


Az MT3D/MT3DMS programok - A bemeneti adatok megadása Az MT3D modell kialakítása 6. Az MT3D program adatait a Models → MT3D parancs segítségével adhatjuk meg. Initial Concentration - kiindulási koncentrációértékeket (kezdeti feltételek) Advection... - advektív transzportszámítás jellemzői Dispersion... - diszperzív transzport Chemical Reaction - szorpciós folyamatok Sink/Source Concentration - a hidrodinamikai modellbe épített forráselemek által bejuttatott folyadékok koncentrációja Output Control - a kiírandó paraméterek és azok gyakoriságának megadása Run - a készített MT3D modell futtatása. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok - Az advektív transzportjellemzők megadása Az MT3D modell kialakítása 6. Az advektív transzport jellemzőit definiáló dialógusablakban (Models → MT3D → Advection) többféle megoldási mód (Solution Scheme) és részecske követési algoritmus (Particle Tracking Algorithm) közül választhatunk. A kiválasztott megoldástól és algoritmustól függően azok paramétereit az alsó táblázatban állíthatjuk be.


6

Az MT3D/MT3DMS programok - Az advektív transzportjellemzők megadása Az MT3D modell kialakítása 6. Az MT3D program négy megoldási módot alkalmaz: az előrelépéses véges differencia módszert (Upwind Finite Differences), a karakterisztika módszerét (MOC), a módosított karakterisztika módszerét (MMOC) és a hibrid karakterisztika módszerét (HMOC). A karakterisztika módszerének hagyományos formája nagyon előnyös, mert gyakorlatilag teljesen kiküszöböli a numerikus hibákat, ugyanakkor hátránya, hogy nagy modellméret, illetve sok aktív cella esetén rengeteg részecske figyelembevételével kapható megfelelően reprezentatív eredmény, ami lassú számításhoz, illetve óriási memóriaigényhez vezet. A módosított karakterisztika módszere (MMOC) a részecskék számát csökkenti azál-tal, hogy minden aktív cellához csak egy, cellánként eltérő mennyiségű szennyező-anyagot jelképező részecske hozzárendelését engedélyezi meg. A módszer csak ak-kor használható, ha a modellezett térrészen belül a koncentrációk területi változása kicsi, mert alkalmazása éles frontok és kiugró koncentrációcsúcsok esetén jelentős numerikus diszperzióhoz vezet. A hibrid módszer megpróbálja a két ismertetett módszert ötvözni. A területen a számítás során mindkét módszert alkalmazza. Ahol jelentős koncentráció-változások vannak, ott a hagyományos MOC megoldást használja sok részecskével, míg a kevésbé változó koncentrációkkal jellemezhető helyen az MMOC módszert használja fel. Azt, hogy mikor tekinthető a koncentráció változása nagynak, azt a felhasználó által megadott DCHMOC paraméter határozza meg. Ezzel a paraméterrel tudja a modellező egyben a szükséges részecskék számát, illetve a használt memória méretét is befolyásolni. A véges differencia megoldás alkalmazása csak olyan esetekben javasolható, ahol az advektív transzport a diszperzív transzporthoz képest alárendelt. Ebben az esetben a numerikus oszcillációból és a numerikus diszperzióból származó hibák még általában nem zavarják az eredmények kiértékelését. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok - Az advektív transzportjellemzők megadása Az MT3D modell kialakítása 6. Számítási algoritmusok A program az elsőrendű Euler (First-order Euler) vagy a negyedrendű Runge-Kutta (Fourthorder Runge-Kutta) algoritmust, illetve a kettő kombinációját alkalmazza. Az elsőrendű Euler algoritmus hibája, hogy általában jelentős numerikus hibákhoz vezet még kis időlépcsők esetén is. A negyedrendű Runge-Kutta algoritmus alkalmazásakor a szivárgás átlagsebességét három érték súlyozott átlagaként számítja a program. Az áramvonal kezdő és becsült végpontbeli sebességét egyszeres súllyal a becsült középső pontbeli sebességet dupla súllyal veszik figyelembe. Az alkalmazott megoldással a numerikus hibák jelentősen csökkenthetők még nagyobb időlépcsők esetén is, miközben jelentősen megnő a számítás hardver és időigénye. A két megoldás együttes alkalmazásával lehet a leggyorsabb számításokat elvégezni. Ekkor a források és nyelők közelében a negyedrendű Runge-Kutta algoritmust, attól távolodva az elsőrendű Euler algoritmust használjuk. Általánosságban célszerű a megoldási módszert és a számítási algoritmust úgy megválasztani, hogy az alkalmazott időlépcső minél nagyobb lehessen, mert ekkor a legkisebbek a numerikus diszperzióból és általában az oszcillációból eredő hibák.


Az MT3D/MT3DMS programok- Egyéb advektív-transzport paraméterek Az MT3D modell kialakítása 6. MXPART paraméter: a megengedhető legnagyobb részecskeszám, PERCEL paraméter: a Courant-szám nevű, numerikus invariáns. A szám nagysága határozza meg, hogy a szennyezőanyag a cellán belül milyen irányokba mozdulhat el. Értéke általában 0,5 és 1 közötti, WD: a koncentráció súlyszám értéke 0 és 1 közé esik, általában 0,5 értéket használunk, azonban ez növelhető, amennyiben az advektív transzport a domináns transzportfolyamat, DCEPS paraméter: azt határozza meg, hogy mekkora részecskeszámmal történjék a szimuláció, DCCELL: koncentráció-változási irányszám, NPL: a részecskék minimális száma, NPH: a részecskék maximális száma, CMINjik és CMAXjik paraméterek: a cella közvetlen környezetében mért legkisebb és legnagyobb koncentrációk CMIN és CMAX paraméterek: a teljes modellezett térrészben mért minimális és maximális koncentrációk Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

7

Az MT3D/MT3DMS programok- Egyéb advektív-transzport paraméterek Az MT3D modell kialakítása 6. NPLANE paraméter: a részecskék cellán belüli elhelyezését szabályozza, NPMIN és NPMAX: a cellában az időlépcső végén megengedhető részecskék minimális és maximális száma, SRMULT paraméter: a szennyezőforrásként működő cellákban szabályozza a részecskék számát, NLSINK paraméter: az MMOC megoldás esetén a részecskék kezdeti eloszlásának sémáját adja meg. Megállapodás szerint azonos módon osztjuk szét a részecskéket a MOC és MMOC megoldásoknál, ezért az NLSINK értéke megegyezik az NPLANE értékkel. NPSINK paraméter: a részecske számot adja meg az MMOC számítás során, értékét az NPH értékkel azonosan szokás felvenni, DCHMOC paraméter: megmutatja, hogy mekkora az a koncentráció-gradiens, ami felett a hagyományos, ami alatt pedig a módosított karakterisztika módszerét használja a hibrid módszer, A program cellánként összeveti a DCHMOC paramétert a DCCELL értékkel, majd ennek alapján határozza meg az alkalmazandó számítási megoldást (CHIANG – KINZELBACH, 1993).


Az MT3D/MT3DMS programok - Diszperzív transzportjellemzők megadása Az MT3D modell kialakítása 6. A diszperzív transzportjellemzőket a Models → MT3D → Dispersion parancs segítségével adhatjuk meg. A szennyezőanyag diffúzióját az effektív molekuláris diffúzió-állandó (DMCOEF paraméter), a makro- és a hidrodinamikai diszperzió miatti szóródását a hidrodinamikai diszperzióállandó határozza meg. A hidrodinamikai diszperzió-állandó a szivárgási sebesség és a diszperzivitás szorzata. Mivel szivárgási sebességek komponenseit az MT3D program a MODFLOW számítás eredményeiből (MT3D.FLO) ismeri, ezért a programnak csak a diszperzivitás értékeit kell megadni. A diszperzivitás szivárgási iránytól függő (longitudinális, vertikális transzverzális és a horizontális transzverzális diszperzivitás). Az MT3D programmal közvetlenül csak a longitudinális diszperzivitás értékeit lehet elemenként megadni, a transzverzális diszperzivitásokat csak a longitudinális diszperzivitáshoz képest felvett arányszámokkal lehet definiálni. A TRPT szám megmutatja a horizontális transzverzális és a longitudinális diszperzivitások, míg a TRPV szám a vertikális transzverzális és a longitudinális diszperzivitások arányát jellemzi. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok - Diszperzív transzportjellemzők megadása Az MT3D modell kialakítása 6.


8

Az MT3D/MT3DMS programok - A szorpció és a bomlás jellemzőinek megadása Az MT3D modell kialakítása 6.

A szorpció és bomlás jellemzőit a kémiai reakció csomagban (Chemical Reaction Package) lehet definiálni. Itt először kiválasztandó egy legördülő menüből a szorpció és bomlás leírási módja: No sorption: a szorpciót figyelmen kívül hagyására, Linear equilibrium isotherm: lineáris szorpció, Langmuir nonlinear equilibrium isotherm: Langmuir izoterma, Freundlich (Freundlich nonlinear equilibrium isotherm: Freundlich izoterma. Függően attól, hogy a szorpciót milyen módon vesszük figyelembe egy vagy több paramétert nem szükséges megadni, ekkor ezek az oszlopok beszürkülnek. RHOB paraméter: a talaj száraz állapotra vonatkozó térfogatsúlya,


Az MT3D/MT3DMS programok - A szorpció és a bomlás jellemzőinek megadása Az MT3D modell kialakítása 6. Szorpció típusa Bomlás számítása? Adatok


Az MT3D/MT3DMS programok - A szorpció és a bomlás jellemzőinek megadása Az MT3D modell kialakítása 6.

Kd: megoszlási együttható (nem lineáris szorpciót feltételezve), KF: konstans érték Freundlich izoterma esetén, A: hatványkitevő Freundlich izoterma esetén, KL: Langmuir-állandó SC: maximális szorpciós kapacitás (Langmuir izoterma esetén) RC1 és RC2: a radioaktív bomlásra, illetve a biodegradációra a pórusbeli és a megkötött fázisra vonatkozó bomlási állandók. Alkalmazásukhoz a megfelelő jelölőnégyzet kiválasztásával engedélyezzük a bomlás figyelembevételét (Simulate the radioactive decay or biodegradation)


9

Az MT3D/MT3DMS programok - A források és nyelők megadása Az MT3D modell kialakítása 6. A szennyezőanyagok bevitele a modellezett térrészben a hidrodinamikai modellben definiált forrásokon keresztül történhet. Azt, hogy mekkora szennyezőanyagmennyiség jut az egyes forrásokon keresztül a rendszerbe azt az egyes forrásokon bejutó folyadékok koncentrációjával adhatjuk meg, a hidrodinamikai modellel számított hozamok mellett. A koncentrációkat a Models → MT3D → Sink/Source Concentration menüparanccsal adjuk meg


Az MT3D/MT3DMS programok - A források és nyelők megadása Az MT3D modell kialakítása 6. A menüben három módon jelennek meg az egyes lehetséges források: A szürkével jelzett inaktív csomagok a hidrodinamikai modellben nem definiáltak, ezért azokon keresztül nem történhet szennyezőanyag-bevitel sem. A feketével megjelenített elemek szerepelnek a számításhoz felépített hidrodinamikai modellben, ezért ezek alkalmazhatók a szennyezőanyag bevitelre. Amely elemek mellett egy kis pipa is megjelenik, azok a csomagok aktívak, azaz ezeken keresztül történik az adott modellben a szennyezőanyagok bejutása. A megfelelő csomag kiválasztása után a Grid Editor ablak felhasználásával minden cellában a bejutó folyadékok koncentrációját megadhatjuk. A rendszer mértékegység konzekvens, azaz figyelni kell arra, hogy amennyiben a koncentrációt a talajvizekben mg/l, azaz g/m3 egységekben mérjük, akkor a tömeget g-ban kell megadni, azaz a talajok sűrűségét is g/m 3-ben, a megoszlási együtthatót m3/g-ban kell megadni. A nyelők által kivett folyadékok koncentrációját értelemszerűen nem kell megadni, hiszen a kitermelt folyadék koncentrációja megegyezik az adott elemre aktuálisan számított koncentráció értékével. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok - A források és nyelők megadása Az MT3D modell kialakítása 6.

Mértékegység – konzekvens számítás! póruskoncentráció dimenziója [M/L3]

hosszúság dimenziója [L]

mg/l = g/m3 µg/l = mg/m3 mg/l = 106 g/cm3 mg/l = 106 mg/m3

m m cm cm

tömeg sűrűség dimenziója dimenziója [M] [M/L3] g mg g mg

g/m3 mg/m3 106 g/cm3 106 mg/m3

megoszlási együttható dimenziója [L3/M] m3 /g m3 /mg 10-6 cm3/g 10-6 cm3/mg


10

Az MT3D/MT3DMS programok – Az eredményfájl beállításai Az MT3D modell kialakítása 7. Az MT3D program mindig készít egy OUTPUT.MT3 nevű kimeneti állományt, amibe a modellező által kiválasztott paramétereket menti a program. Az állomány igen nagy lehet, mivel egy terjengős szövegfájl, amelyiknek hossza pl. az időlépcsők számától, a modellcellák darabszámától és természetesen a kiírandó paraméterek mennyiségétől is függ. A kimeneti állomány beállításai a Models → MT3D → Output Control (MT3D/MT3DMS) menüvel érhetők el


Az MT3D/MT3DMS programok – Az eredményfájl beállításai Az MT3D modell kialakítása 7.

Az Output Terms lapon választhatók ki a kiírandó paraméterek és eredmények: a koncentráció értékek bináris és ASCII szövegállományba, a részecskeszám, a késleltetési tényező és a diszperzió-állandó cellánkénti számított értéke ASCII szövegállományba menthetők.


Az MT3D/MT3DMS programok – Az eredményfájl beállításai Az MT3D modell kialakítása 7. Az Output Times lapon a kiírás gyakoriságát lehet megadni. Alapértelmezetten elegendő minden időlépcső (Period) végén a koncentrációk és a kijelölt paraméterek kiíratása (NPRS=0), de előírhatjuk, hogy minden hányadik időlépés után történjék a kiíratás (NPRS>0), esetleg a lapon található táblázat kitöltésével a kiírási gyakoriságot időintervallumonként is változtathatjuk.


11

Az MT3D/MT3DMS programok – Az eredményfájl beállításai Az MT3D modell kialakítása 7. Az egyebek (Misc.) lapon az inaktív cellákhoz rendelt értéket (CINACT) állíthatjuk be, a minimális telített rétegvastagság értékét (THKMIN), illetve azt, hogy milyen gyakorisággal írja a program ki a szennyezőanyag-mérleg elemeit egy MT3D.MAS nevű állományba (NPRMAS). Sajnos a THKMIN opció csak a fejlettebb MT3D verziókban található meg, ezért a tradicionális, a programhoz adott MT3D verzió ezt nem veszi figyelembe (Chiang – Kinzelbach, 1993)


Az MT3D/MT3DMS programok Az MT3D modell futtatása 8. A programot a Models → MT3D → Run paranccsal lehet lefuttatni. A dialógusablakban kiválaszthatjuk a futtatni kívánt MT3D programállományt (elérési úttal együtt), továbbá láthatjuk a modellben szereplő összes modellcsomagot, valamint azokat, melyek az utolsó futtatás óta megváltoztak. Ez utóbbiakat a Generate oszlopban található kereszt alakú jelölés mutatja.


Az MT3D/MT3DMS programok Az MT3D modell futtatása 8.

A program alapértelmezésben csak a megjelölt csomagokat készíti el újra.

Amennyiben valamennyi csomagot frissíteni szeretnénk, akkor ezt a Regenerate all input files for MT3D paranccsal tehetjük meg.

Amennyiben a Generate input files only, don’t start MT3D parancsot adjuk ki, akkor az összes MT3D állomány elkészül, és azokat később az aktuális modellkönyvtárban található MT3D.BAT nevű állomány végrehajtásával lehet futtatni


12

Az MT3D/MT3DMS programok - Teendők ha valami nem sikerül Az MT3D modell futtatása 8. Motto: A számítógép nem a vágyainkat hajtja végre, hanem a programot! Az MT3D egy régóta tesztelt program, ami alapvetően működik, azaz általában nem a programban van a hiba, ha valami nem működne... Ha a futtatás parancs után a gép elkészíti az MT3D bemeneti állományait, majd leáll és kilép a PMWin környezetből, akkor ez egy kompatibilitási hiba, ami egyes Windows beállítások esetén előfordul. Egyes gépeken ugyanaz az adatrendszer produkálja a hibát, máson nem, esetleg a jelenség újabb, a PMWin-től független programok installálása után jön elő. A jelenség oka ismeretlen, de a megoldás egyszerű... Ilyenkor a futtatás során mindig be kell jelölni a Generate input files only, don’t start MT3D négyzetet, és külön az MT3D.BAT állomány segítségével kell elvégezni a számolást ! Ha a program nem kezdene el futni, és a DOS ablakban hibaüzenet jelenik meg, akkor először nézzük meg a gép által készített OUTPUT.MT3 nevű, kimeneti állományt, mely egy szövegfile, ami tetszőleges szövegszerkesztővel (Jegyzettömb, WordPad, Word, stb. olvasható). Olvassuk végig a szöveget, mert tartalmazza mindazt, ami a számítás során történt. A szöveg végén az End of Model Output szöveg olvasható, ha sikeresen futott le a program. Amennyiben nem, akkor a hiba okára utaló sort olvashatunk, ami segíthet a probléma megoldásában. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok - Teendők ha valami nem sikerül Az MT3D modell futtatása 8.

Az OUTPUT.MT3 állomány részlete Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

Az MT3D/MT3DMS programok - Teendők ha valami nem sikerül Az MT3D modell futtatása 8. Ha mégsem találjuk a hiba okát, akkor figyelmesen nézzük végig a megadott állományokat. A leggyakoribb hibák: - A negatív koncentráció értékek megadása során a legtöbb esetben a program nem fut le. Előfordul, hogy a koncentráció térképeket térképszerkesztővel vagy a Field Interpolatorral készítettük el és ekkor a számított állományokban lehetnek negatív számok. Az állapotot a Value → Search and Modify paranccsal lehet a legegyszerűbben megszüntetni, a negatív számok keresésével, és zérus vagy a háttérnek megfelelő koncentrációkra való átírásával ( Replace opció). - Túl kicsi vagy szeszélyesen változó rétegvastagságok esetén gyakran divergenssé válik a modell. Ez igen nehezen vehető észre, mert a rétegvastagságok pozitívak, így a MODFLOW nem jelez hibát. A szennyezőanyag mérleg számításakor azonban ezek a cellák egyrészt az időlépcső erős sűrűsödéséhez, másrészt sokszor a numerikus számító algoritmusok divergenciájához vezetnek. Megoldás, ha elkészítjük az egyes rétegek vastagsági térképeit és a néhány cm vastag területeken kissé kivastagítjuk azokat. Ezt különösen olyankor lehet nyugodtan megtenni, amikor a rétegek extrém elvékonyodását nem az alapadatok indokolják, hanem az alkalmazott inter- és extrapolációs algoritmusok. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.

13

Az MT3D/MT3DMS programok - Az MT3DMS program használata Az MT3D modell futtatása 8a.

Az MT3DMS program az MT3D program egy módosított és továbbfejlesztett változata. A program nevében található MS betűk a multi-species, azaz több komponens szóra utalnak, tehát a programmal többkomponensű szennyezőanyag transzport számítása válik lehetővé. A program felépítése és koncepciója teljesen megegyezik az MT3D programéval: a működéséhez szükséges hidrodinamikai rendszert ebben az esetben is az MT3D.FLO állomány írja le. Mivel többkomponensű a transzport, ezért a kezdeti koncentrációkat a komponensek számának megfelelő mátrixban kell tárolni, és az eredményeket is komponensenként kapjuk meg. Valamennyi komponensnek van egy sorszáma, neve, továbbá a rendszer nyilvántartja, hogy az aktuális adatokkal a mátrix fel van-e töltve (Data: szürke vagy fekete üres négyzet), illetve, hogy a következő szimuláció során az adott komponens transzportjával kell-e számolni (Active: üres vagy bejelölt négyzet).


Az MT3D/MT3DMS programok - Az MT3DMS program használata Az MT3D modell futtatása 8a. A transzport csomagok az MT3D programnál megszokottak, de néhány esetben részben továbbfejlesztettek. Az advektív transzport megadásánál a véges differencia megoldást továbbfejlesztették, lehet az explicit és a teljesen implicit megoldási algoritmus közül választani, továbbá bevezettek egy új, TVD nevű megoldási módszert is. A TVD megoldás előnye, hogy a numerikus diszperzióból és oszcillációból eredő hibákat jelentősen csökkenti. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek8-29.


A diszperzív transzport csomag újdonsága az explicit középponti differenciák módszerének és az implicit előrelépéses differenciák alkalmazásának választhatósága. A lehetőség egyes modelladatrendszereknél segít a numerikus hibák nagyságának lecsökkentésében. A kémiai reakció csomag tartalmazza az egyensúlyi szorpciót, illetve az irreverzibilis kémiai folyamatokat (radioaktív bomlás és biodegradáció) gyakorlatilag azonos módon, mint ahogy azt az MT3D program is teszi. Megjegyzendő, hogy az MT3DMS program az irreverzibilis reakciók tekintetében komponensenként számol a bomlással, a kompetitív transzportot más, ilyen tekintetben fejlettebb program, mint pl. a Processing MODFLOW Pro program által is támogatott RT3D képes számítani. A reakció csomag MT3DMS-beli újdonsága az első-rendű kinetikájú szorpció és a kettős porozitású tömegáram funkció.


14


A kettős porozitású rendszereket az MT3DMS program csak korlátozott mértékben tudja figyelembe venni. A rendszer porózus közegből és az azokat szabdaló repedéshálózatból áll. Mivel a repedésekben a víz mozgását gyorsnak tételezik fel (nyitott vetők), a pórusokban pedig a szivárgás lassú, a két rendszerben eltérő jellegű anyagtranszport zajlik: a repedések környezetében az advektív, a porózus közegben a diffúzív transzport a domináns. Az MT3D programmal való kompatibilitás érdekében a gyorsan mozgó, mobilis vizeket a Parameters → Effective Porosity menüben definiált pórusok tartalmazzák, az immobilis vizet az MT3DMS program kémiai reakció (Chemical Reactions) dialógus-ablakában kell megadni. Az itt megadott porozitás és a paraméterek között megadott szabad hézagtérfogat összege adja a teljes porozitását a kettős porozitásúnak feltételezett rendszernek.


Az MT3D/MT3DMS programok

Az MT3DMS program használatának specialitásai

Az MT3DMS további újdonsága a GCG megoldó algoritmus, amely az MT3D megoldó algoritmusához képest számos kényelmi funkciót ajánl. A GCG algoritmusnál nincsenek stabilitást szolgáló állandók, melyek változtatása a megoldás gyorsaságának és stabilitásának változásával járna.

Az MT3DMS program futtatása a hasonlóképpen az MT3D programhoz.

Run

paranccsal

történik

teljesen


15

Modellezés és kalibráció

Modellek kalibrációja és a paraméterérzékenységi vizsgálat Kovács Balázs & Szanyi János

© Kovács – Szanyi, 2004-2006


A kalibráció („bearányosítás”, jaj!) • A kalibráció során a ismert valós folyamatokat szimulálunk a koncepcionálisan helyesnek tartott számítási modellel, miközben a számítási eredményeket a valós eredményekhez közelítjük az alapadat-rendszer szisztematikus változtatásával. • A kalibrációt megkönnyíti az ún. paraméter-érzékenységi vizsgálat. A vizsgálat során a már jól működő modellben az egyes felvett paraméterek racionális szélsőértékei mellett vizsgáljuk a modell válaszait, ezen keresztül az egész szimulált rendszer viselkedését ismerjük meg. A paraméter-érzékenységi vizsgálattal arra is választ kapunk, hogy egy paraméter ismertségének bizonytalansága lehetővé teszi-e a vizsgált kérdés megválaszolását. • A kalibrációt követően egy olyan számítási rendszer alakul ki, amely az ismert folyamatokra a valóságos, vagy azt legjobban megközelítő választ szolgáltat. Munkahipotézisünk, hogy amennyiben ez a helyzet fennáll, akkor várhatóan ismeretlen új hatásokra (új víztermelő létesítmények, új vagy megszüntetett szennyezőanyag források) a modell valósághű válaszokat fog produkálni, ami természetesen csak bizonyos határok között lehet igaz. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

A kalibráció sémája (Heidermann, 1986) Bemenõ jel (inger)

Valós rendszer

Paraméterek megváltoztatása

Valós válasz

Kiértékelés és optimalizálás

Modell Modell-válasz


1

A modellezési munkafolyamat és a PMWin környezet Földtani és vízföldtani ismeretek összegyûjtése és rendszerezése


Modelladatrendszer felállítása Munkahipotézis vagy adatrendszer módosítása





A modellezési munkafolyamat és a PMWin környezet


A Processing MODFLOW környezet felépítése

Processing MODFLOW keretrendszer

Preprocesszor (Adatbevitel és adatfeldolgozás) Grid Editor Field Interpolator Field Generator

Programok futtatása

Kalibráció

MODFLOW

PEST

MT3D

UCODE

Posztprocesszor (Eredményfeldolgozás, megjelenítés) PMPATH Water Budget Calculator Presentation

MT3DMS

Graph Viewer

MOC3D DOS

Result Extractor Windows


2

A trial-and-error és az inverz kalibráció összehasonlítása A földtani vízföldtani környezet tulajdonságai, a szennyezettség állapota és a szennyezőanyag és hőterjedési jellemzők Trial-and error kalibráció: ismertek a „paraméterek”, keressük az „eredményeket”

Inverz kalibráció: ismertek az „eredmények”, keressük a „paramétereket”

Hidraulikus potenciál- (nyomásszint-), kémiai potenciál- (koncentráció), esetleg hőmérsékleteloszlás Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

A kalibráció típusai • Trial-and-error (próbálgatás) – előnyök: • • • •

megérthető a modell működése jól irányítható a folyamat nem igényel magasabb szintű matematikát a modellező tudásának megfelelő szintű eredményeket szolgáltat

– hátrányok: • lassú lehet, munkaigényes • bonyolult modellnél nem hatékony és nem mindig az optimális modellt fogadjuk el (nincsenek optimalizált algoritmusok) • a modellező tudásának megfelelő szintű eredményeket szolgáltat


A kalibráció típusai (PEST, UCODE) • Inverz kalibráció – előnyök: • • • •

„vakon” működik ha működik, akkor általában gyors általánosítható optimalizációs algoritmusok a szoftver tudásának megfelelő szintű eredményeket szolgáltat

– hátrányok: • • • •

nem érthető meg a modell működése hasznos, ha van némi matematikai szaktudás nem mindig a legreálisabb paraméter-eloszlásokat találja meg a szoftver tudásának megfelelő szintű eredményeket szolgáltat

Motto: Csinálj egy szoftvert, amit a hülyék is tudnak használni. Figyeld meg, hogy csak a hülyék fogják használni! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

3

Paraméter-érzékenységi vizsgálat

• célja: – a modell „lelkivilágának” megismerése – melyik paramétereknél tévedhetünk és melyiknél nem – ha tévedünk, hol és hogyan romlik el a „modell”

• előfeltétel: – kalibrált, működőképes és „jónak hitt” modell – koncepció a lehetséges hibákról, az egyes paraméterek lehetséges értéktartományairól Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Paraméter-érzékenységi vizsgálat

• eszköze: – RMS hiba (Residual Meas Squared Error) n

RMS =

∑ (z i =1

− zi , számított )

2

i , mért

n −1

ahol n a vizsgált pontok száma, zi,mért az adott ponton a mért és zi,számított a számított érték.


Paraméter-érzékenységi vizsgálat – hidrodinamikai modellnél

Vízszintes és függőleges szivárgási tényező vizsgálata +1 nagyságrend (10x) -1 nagyságrend (0,1x) RMS=7.50 RMS=474.3

Kalibrált adatrendszer

Számított értékek



RMS=0.096

Mért értékek

Mért értékek



Számított értékek Mért értékek

RMS=9.24

RMS=2.89

RMS=0.57


RMS=8.07

Mért értékek

Vízszintes szivárgási tényező anizotrópiájának vizsgálata +0,5 nagyságrend (5x) -0,5 nagyságrend (0,2x)

Beszivárgás vizsgálata -0,5 nagyságrend (0,2x) +0,5 nagyságrend (5x)

Mért értékek

Mért értékek

Mért értékek


4

Paraméter-érzékenységi vizsgálat – hidrodinamikai modellnél

Paraméter

Nagyságrend

K alibrált adatrendszer

RMS hiba

0

Horizontális és vertikális szivárgási tényezõ Horizontális szivárgási tényezõ anizotrópiája Beszivárgás

0.096

+1 (10x)

7.50

- 1 (0,1x)

474.3

+1/2 (5x)

2.89

- 1/2 (0,2x)

9.24

+1/2 (5x)

8.07

- 1/2 (0,2x)

0.57


Paraméter-érzékenységi vizsgálat - transzportmodellnél

A transzportparaméterek minimális, jellemző és maximális értékei a szuhogyi hulladéklerakó érzékenységi vizsgálatához (1992)

Paraméter

Szivárgási sebesség [m/nap]

Szabad hézagtérfogat [-]

Longitudinális diszperzivitás [m]

Késleltetés [-]

Bomlási együttható [1/nap]

Jellemző érték

1,5

0,15

25

1,2

0

Becsült minimális érték

0,75

0,12

20

1

0

Becsült maximális érték

3

0,18

31,5

1,5

10-4


Paraméter-érzékenységi vizsgálat - transzportmodellnél Koncentráció

Koncentráció [ppm]

[ppm]

2000

2000 1750

1750

8 2

1500

6

5

1500

5

1250

7

4

1

1250

7 10

1000

9

10

1000

9 3

750

8 6

3

1

2 4

750 500

500

250

250

0

0 0

1000

2000

3000

4000

5000

Távolság [m]

0

1

2

3

4

5 6 Idő [év]

7

8

9

10

Alapgörbe (1) Minimális(2) vagy maximális(3) szivárgási sebesség Minimális(4) vagy maximális(5) késleltetés Minimális(6) vagy maximális(7) diszperzivitás Minimális(8) vagy maximális(9) szabad hézagtérfogat Maximális bomlási együttható(10)


5

Permanens 3D MODFLOW modell

Permanens állapotú hidrodinamikai modell építése Bemutató feladat – közös gyakorlásra Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


A vizsgált terület 240000

A vizsgált terület egy ÉNy-DK-i lejtésű terület, a terület DK-i, völgytalpi részén kisebb folyó fut végig. A modell a folyó jobb partján, a folyótól ÉNy-ra eső térrészre kell elkészíteni, ahol egy település és iparterülete található.

239000

EOV X [m]

238000

237000

236000

235000

234000

Az alaptérkép neve: sumeg_alap_jo.dxf 233000

518000

519000

520000

521000

522000

523000

524000

525000

EOV Y [m]


A fúrások adatai 240000

A területen összesen 158 db feltárófúrás található, melynek adatait táblázatba foglaltuk össze.

239000

EOV X [m]

238000

A fúrások alapján a területen két vízadó és a köztes agyagos iszap anyagú vízrekesztő szint jelenléte jellemző.

237000

236000

235000

A táblázat neve:

alapadatok_sumeg_hallg3.xls

234000

233000 518000

519000

520000

521000

522000

523000

524000

525000

EOV Y [m]


1

A fúrási adatbázis A 158 db feltárófúrás adatai a következők: Jel, EOV koordináták, terepszintek, rétegvastagság adatok, az 1. és a 3. rétegek szivárgási tényezői és szabad hézagtérfogat adatai. Az átlagos éves talajvízszint értékek.

A táblázat neve:

alapadatok_sumeg_hallg3.xls


Surfer térképszerkesztési feladat I. •

Szerkesszük meg az alapadatok_sumeg_hallg3.xls állomány felhasználásával a területen a következő térképeket:

1. 2. 3.

Terepszintek térképe Az 1., 2. és a 3. réteg vastagságának térképei Mértékadó talajvízszintek térképe


Surfer térképszerkesztési feladat II. •

Szerkesszük meg az alapadatok_sumeg_hallg3.xls állomány felhasználásával a szivárgási tényező térképeket úgy, hogy feltételezzük a szivárgási tényazők lognormális eloszlását, ezért:

1.

Az ismert szivárgási tényezők 10-es alapú logaritmusát képezzük, A logaritmizált értékekből kiszámítjuk a grid állományt, A grid állományt 10 hatványára amaljük, így kapjuk meg a szivárgási tényező eloszlást, megrajzoljuk a térképet.

2. 3. 4.


2

Surfer térképszerkesztési feladat III. •

Szerkesszük meg az alapadatok_sumeg_hallg3.xls állományból készített grid állományok segítségével a fedő és feküszintek izovonalas térképeit:

1.

Számítsuk a megfelelő grid állományokat: 1. 2. 3.

2.

1.rtg.fekü=terepszint – 1.rtg.vastagság 2.rtg.fekü=1.rtg.fekü – 2.rtg.vastagság 3.rtg.fekü=2.rtg.fekü – 3.rtg.vastagság

Rajzoljuk meg a feküszintvonalas térképeket!


Surfer eredmény példa 240000

Terepszintek [mBf.] térképe

239000

EOV X [m]

238000

237000

236000

235000

234000

233000

518000

519000

520000

521000

522000

523000

524000

525000

EOV Y [m]


Permanens állapotú modell építése • A terület legyen 6x4 km nagyságú, melyet 50x50 m-es elemekre bontunk • Tájoljuk a rácshálót úgy, hogy a DK-i oldala a folyóval közel „párhuzamos” lefutású legyen! – – – – –

X0=519708.5 Y0=239820.6 A=-30.3 X1,Y1=517000,233000 X2, Y2=526000,241000

• Sűrítsük az elemeket 25x25 m-esre a település és az iparterület környezetében! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

3

A készített modellháló 240000

Iparterület

239000

EOV X [m]

238000

237000

236000

235000

234000

233000

518000

519000

520000

521000

522000

523000

524000

525000

EOV Y [m]


A térképek adatait „hozzuk át” a Surferből A terepszint, feküszintek, szivárgási tényezők és a talajvízszint adatokkal végezzük el a következő sorozatműveleteket! 1. Konvertáljuk át a grid állományokat dat állománnyá (pm0*.dat) 2. Rendezzük sorba és a törölt (blank) és esetlegesen negatív szám adatokat töröljük 3. Válasszunk ki véletlenül 2000 pontot közülük (utolsó oszlopba D=RANDU(1) függvény majd sorbarendezés D oszlop szerint és bármelyik egymás utáni 2000 pont megtartása 4. Az első sorba írjuk az adatok számát vagy 2000-et. 5. Mentsük el pm_*.dat néven!


A térképek alapadatait „hozzuk át” a Excelből A szabad hézagtérfogatok értékeiből készítsünk interpolációra alkalmas állományokat, ehhez végezzük el a következő sorozatműveleteket! 1. Az alapadatfájlból oszloptörléssel készítsünk EOV Y, EOVX, és n01 vagy n03 adatokat tartalmazó háromoszlopos adatsorokat és mentsük el azokat (pm0_n01.xls vagy pm0_n03.xls) 2. Töröljük a fejlécsort és az A1 mezőbe írjuk be az adatok számát (158) 3. Mentsük el pm0_n01.dat vagy pm0_n03.dat néven tabulátorral tagolt szöveg formátumban! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

4

Számítsuk a rácsháló elemeire a „térfelületek” értékeit Nyissuk meg a Field interpolatort, majd kvadráns kereséssel szektoronként 1 pontból Akima módszerrel számítsuk a PMWIN adatmátrixokat a következőkből: 1. terepszintek, 2. feküszintek, 3. talajvízszint, 4. szivárgási tényezők, 5. szabad hézagtérfogat értékek. Az állományokat pm5*.dat néven mentsük el! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Építsük fel a MODFLOW modellt I. Grid menü 1. Állítsuk be a rétegek típusát (felső réteg nyílttükrű (unconfined) a többi zárttükrű (confined)! 2. Hívjuk be a számított fedő és feküszint mátrixokat a Top of layers és Bottom of layers menüpontokkal! 3. A vízadó rétegek ÉNy-i és DK-i oldalán használjunk állandó nyomású cellákat az oldalirányú szivárgás fenntartására (Boundary Conditions / MODFLOW (IBOUND)! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Építsük fel a MODFLOW modellt II. Parameters menü 1. Állítsuk be az idő egységét napra (Time / days)! 2. Hívjuk be a számított talajvízszint mátrix értékeket mindhárom rétegbe az Initial Hydraulic Heads menüponttal! 3. Hívjuk be a számított horizontális szivárgási tényező mátrix értékeket az 1. és a 3. rétegbe a Horizontal Hydraulic Conductivity menüponttal! A 2. réteg szivárgási tényezője legyen állandó 0,01 m/d (Value / Reset matrix parancs) 4. Hívjuk be a számított horizontális szivárgási tényező mátrix értékeket az 1. és a 3. rétegbe a Vertical Hydraulic Conductivity menüponttal, majd a Value / Search and Modify paranccsal ötödöljük az értékeket (vertikális anizotrópia:=5) ! A 2. réteg vertikális szivárgási tényezője legyen állandó 0,002 m/d (Value / Reset matrix parancs). 5. Hívjuk be a számított szabad hézagtérfogat mátrix értékeket az 1. és a 3. rétegbe az Effective porosity menüponttal! A 2. réteg vertikális szabad hézagtérfogat legyen állandó 0,08 (Value / Reset matrix parancs). Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

5

Építsük fel a MODFLOW modellt III. Models / MODFLOW menü 1. 2.

3.

Állítsuk be a maradó (csapadékból történő és a talajvízszintig eljutó) beszivárgás értékét, mely legyen állandó 2,73E-5 m/d=10 mm/év! Állítsuk be a folyó adatait. A folyóban a vízszint legyen a modell ÉK-i peremén 97 mBf, a DNy-i oldalon 96.5 mBf., az átlagos vízmélység legyen 3 m. A mederkapcsolatra jellemző tényező legyen az 50x50 mes cellákban 50 m2/d, a kisebb celláknál arányosan kevesebb! A területen összesen 4 db az alsó vízadóra telepített termelőkút található! A települési vízmű 3 db kútja átlagosan 125 m3/d hozammal termel, míg az ipartelep kútja 300 m/d hozamú! A kutak (termelokutak.dxf) koordinátái a következők: – – – –

519139.1 519131.1 519189.1 520384.5

236704.9 236596.8 236502.7 236140.6

Települési vízmű Települési vízmű Települési vízmű Ipartelepi vízmű

1. kút 2. kút 3. kút 1. kút


Futtassuk a modellt!


6

Nem permanens 3D MODFLOW modell

Nem permanens állapotú hidrodinamikai modell építése Bemutató feladat – közös gyakorlásra Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


Tranziens modellezési feladat

• A feladathoz használjuk fel kiindulásként a korábban készített permanens állapotú modellt! • A tranziens modellezés során szimuláljuk egy vízrekesztő fal építését, illetve a folyó áradásának hatását és figyeljük a kialakult nyomásszinteket az időben megfigyelőkutakkal!


Tranziens modellezési feladat

Az időlépcsők beállítása: A Parameters / Time menüben állítsuk be: • A tranziens modellezést • 5 db periódust (időlépcsőt) • időlépcsőnként 10 számítási időpontot (time step) 1.05 időszorzó-tényezővel (time multiplier) • az időlépcsők hosszát (365, 60, 180, 15, 730 nap) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

1

Tranziens modellezési feladat A nempermanens szivárgás paramétereinek beállítása: A Parameters menüben állítsuk be: • A fajlagos tárolási tényezőt (Specific storage coefficient) a vízadókban (0,0004 m-1) és a vízrekesztő képződményben (0,0007 m-1) homogén teret feltételezve. • A aktív hézagtérfogat (Specific yield, jobb elnevezés kellene ????) homogén teret feltételezve: Sy1=0,09, Sy2=0,07, Sy3=0,13. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Tranziens modellezési feladat Az folyó áradásainak beállítása: 1., 3. és 5. időlépcső átlagos vízszint, 2. és 4. időlépcső árvízi helyzet A Models/MODFLOW/River menüben: • Az első időlépcső adatait másoljuk át a 2., 3. és 5. időlépcsőbe • Szerkesszük a 2. időlépcső adatait • Emeljük meg a vízállást az időlépcsőben 2.5 m-rel a Search and modify… paranccsal • Másoljuk a 2. időlépcső adatait át a 4. időlépcsőbe • Valamennyi adatot tegyünk felhasználandóvá (Use mező bejelölése) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Tranziens modellezési feladat A kutak hozamának időszakos megváltozása a 3. és 4. időlépcsőben történt, ekkor a települési vízmű kútjainak hozama az alábbiak szerint alakult: 1. kút 200 m3/d 2. kút 250 m3/d 3. kút 300 m3/d A Models/MODFLOW/Wells menüben: • Az első időlépcső adatait másoljuk át a 3. és 5. időlépcsőbe • Szerkesszük a 3. időlépcső adatait és írjuk be az új hozamokat • Az 1., 3. és 5. időlépcső adatait tegyük felhasználandóvá (Use mező bejelölése) Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

2

Tranziens modellezési feladat A résfal nem, tranziens tulajdonság ezért a modellezés kezdő időpontjára megépített L alakú résfal hatását lehet csak szimulálni. Ennek érdekében: A Models/MODFLOW/Horizontal Flow Barriers menüben: • Írjuk be az megfelelő cellafalakhoz rendelve mindhárom rétegbe a résfal áteresztőképességi jellemzőjét (1e-5 d-1)! A résfal nyomvonalát a resfal.dxf állománytartalmazza! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Monitoring kutak!

• A területen 4 db megfigyelőkutat a felső, 4 db-ot az alsó vízadó rétegre telepítettek. • Az adataikat a MONITORING.BOR és a OBSWELLS.XYZ állományok tartalmazzák! • Olvassuk be a *.bor fájl adatait!


Futtassuk!


3

MT3D transzportmodell

Permanens állapotú hidrodinamikai modellre épített transzportmodell Bemutató feladat Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


A transzport-feladat

• A területen egy korábbi szennyezést feltártak, ennek koncentráció-eloszlása ismert. Határozzuk meg a szennyezett talajvíztest mozgását az időben (5, 10, 25, 50 év) • A területen mélyített fúrásban az alsó vízadóba szennyeződés szivárog be, határozzuk meg a kialakuló szennyeződés koncentrációit! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Módosítsuk a MODFLOW modellt • Az időlépcsőknél adjunk meg 4 periódust 10-10 egyenlő hosszú számítási lépcsővel, 1825, 1825, 5475 és 9125 napos hosszal! • Adjunk meg mindenhol változó cellákat (Grid / Boundary Conditions / MT3D (ICBUND)) • Telepítsünk egy injektálókutat 15 m3/d hozammal, az 520585, 236835 helyre, a harmadik rétegre szűrőzve! • Ellenőrizzük, hogy a Models / MODFLOW / Output controls menünél az Interface file to MT3D mező be van jelölve! • Futtassuk a MODFLOW-t! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

1

A transzportmodell felállításához •

• • • • • • •

Készítsük el a talajvízszennyezés térképét a Field interpolatorral (kvadráns keresés, 1 adat szektoronként, Akima módszer) Töröljük a negatív és az alacsony pozitív értékeket! Használjuk a cinkkonc.xyz adatállományt! A koncentációk mikrog/l (=mg/m3) - ben ismertek, ezért a tömeg mértékegysége mg! Olvassuk be a koncentrációkat a Models / MT3D / Initial concentration mátrixba! Használjuk az advektív csomagot alapbeállításokkal, de a részecskeszámot emeljük meg 500000-re! Állítsuk be a diszperzív transzport csomagot (effektív diffúzió állandó 3e-5 m2/d, TRPT=0,2 TRPV=0,1, A longitudinális diszperzivitás αL1=10 m, αL2=0.4 m, αL3=18 m) Állítsuk be a szorpciós jellemzőket! Legyen a talajok száraz sűrűsége 2000 kg/m3=2E+9 mg/m3. A megoszlási együttható értéke pedig rétegenként 0.1, 1 és 0,02 cm3/g, azaz 1e-10, 1e-9 és 2e-11 m3/mg. A bomlással ne számoljunk! Állítsuk be az injektáló kút vizének koncentrációját 5000 mg/m 3-re (Sink/source concentrations / Wells) Futtassuk az MT3D modellt! Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

2

Permanens 3D MODFLOW modell

Permanens állapotú hidrodinamikai modell építése Önálló hallgatói feladat Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


A probléma ismertetése Permanens hidrodinamikai modellépítési feladat Készítse el a következőkben vázolt rendszer hidrodinamikai modelljét PMWIN környezetben! vizsgált területen a hidraulikus gradiens uralkodóan i=0,002. a szivárgás iránya É-D-i. a térségben két két jellemző képződmény vizsgálandó egy markáns, m2 vastagságú kavicsos vízadó az első jelentős vízvezető szint, melyet m1 vastag homokos összlet fed. • a kavicsos összlet szivárgási tényezője k1, a homoké k2. • a vízadó rétegek anizotrópiája (a horizontális és vertikális szivárgási tényezők aránya) Γ. • a rétegek szabad hézagtérfogata n01 (homok) és n02 (kavics).

A • • •

A területen szivárgási irányra merőlegesen N db kutat telepítenek a kavicsösszletre szűrőzve, melyek hozama Q, egymástól mért távolságuk L. A kutakban, nyugalmi állapotban a vízszint átlagosan 2 m-re van a terepszint alatt. Hidrodinamikai és transzportmodellezés kurzus kezdőknek

Adatok


1

Feladat Feladat: • Számítsa ki a kialakuló depressziós teret! • Rajzolja meg a potenciál vagy depresszió térképet! • Rajzolja ki a kutakhoz érkező, 1, 3 és 6 hónapos elérési időkhöz tartozó áramvonalakat! A modellt egy külön könyvtárba készítse el, mentse el a depressziós tér és az áramvonalak rajzait valamilyen egyértelmű bitmap állományba!


2

Tranziens 3D MODFLOW modell

Nem permanens állapotú hidrodinamikai modell építése Önálló hallgatói feladat Kovács Balázs & Szanyi János © Kovács – Szanyi, 2004-2006


A probléma ismertetése Nem permanens hidrodinamikai modellépítési feladat Készítse el a következőkben vázolt rendszer hidrodinamikai modelljét PMWIN környezetben! A feladathoz használja fel a korábbi permanens modell adatrendszerét úgy, hogy a teljes könyvtár tartalmát másolja át egy másik könyvtárba és azokat az állományokat módosítsa. A • • •

vizsgált területen a permanens alapmodellnek megfelelően a hidraulikus gradiens uralkodóan i=0,002. a szivárgás iránya É-D-i. a térségben két két jellemző képződmény vizsgálandó egy markáns, m2 vastagságú kavicsos vízadó az első jelentős vízvezető szint, melyet m1 vastag homokos összlet fed. • a kavicsos összlet szivárgási tényezője k1, a homoké k2. • a vízadó rétegek anizotrópiája (a horizontális és vertikális szivárgási tényezők aránya) Γ. • a rétegek szabad hézagtérfogata n01 (homok) és n02 (kavics).


A probléma ismertetése Nem permanens hidrodinamikai modellépítési feladat A területen szivárgási irányra merőlegesen N db kutat telepítenek a kavicsösszletre szűrőzve, melyek egymástól mért távolsága L. A kutak a vízigényeknek megfelelően télen kevesebbet, nyáron többet, tavasszal és ősszel pedig a megadott rend szerint termelnek. Télen az egyik kutat teljesen leállítják (mindegy, hogy melyiket), ennek megfelelően a kutak Qi hozama évszakonként változik. A kutakban, nyugalmi állapotban a vízszint átlagosan 2 m-re van a terepszint alatt.


1

Adatok


Feladat

Feladat: • Számítsa ki a kialakuló depressziós teret az évszakok végén! • Rajzolja meg a potenciál vagy depresszió térképeket! • Rajzolja meg a december 31-én a kutakhoz érkező, 3, 6 és 12 hónapos elérési időkhöz tartozó áramvonalakat! A modellt egy külön könyvtárba készítse el, mentse el a depressziós tér és az áramvonalak rajzait valamilyen egyértelmű bitmap állományba!


2

Hidrodinamikai és transzportmodellezés I. kurzus kezdőknek

Recommend Documents