ZOOMQ3D - ZOOMQ3D

ZOOMQ3D числовой конечно-разностный модель, имитирующая грунтовые воды втекать водоносные горизонты. Программой пользуются гидрогеологи исследовать грунтовые воды ресурсов и делать прогнозы о возможных будущих изменениях их количества и качества. Код написан на C ++, объектно-ориентированного программирования язык и может компилироваться и работать на Windows и Unix операционные системы.

Уравнение потока грунтовых вод

ZOOMQ3D применяет квазитрехмерный конечно-разностный приближение к общему трехмерному управлению частный дифференциал уравнение потока грунтовых вод:

{displaystyle {frac {partial} {partial x}} left [K_ {xx} {frac {partial phi} {partial x}} ight] + {frac {partial} {partial y}} left [K_ {yy} {frac {partial phi} {partial y}} ight] + {frac {partial} {partial z}} left [K_ {zz} {frac {partial phi} {partial z}} ight] = S_ {S} {frac {partial phi} {частичное t}} - q}

куда:

${displaystyle phi (x, y, z, t)}$ потенциометрический голова в какой-то момент ${displaystyle (x, y, z)}$ и время ${displaystyle (t)}$ (L)
${displaystyle K_ {xx}}$ , ${displaystyle K_ {yy}}$ и ${displaystyle K_ {zz}}$ ценности гидравлическая проводимость вдоль Икс, у, и z оси координат (LT⁻¹)
${displaystyle q}$ это объемный поток на единицу объема, представляющего источники и / или стоки воды, где отрицательный ценности - это абстракции, а положительный значения являются инъекциями (T⁻¹) и,
${displaystyle S_ {S}}$ это конкретное хранилище пористого материала (L⁻¹)

Это уравнение выводится путем рассмотрения баланса потока для бесконечно малого элемента объема, находящегося в любом месте тела насыщенного водоносного горизонта. В основе этого уравнения лежит ряд предположений. Во-первых, предполагается, что жидкость имеет постоянную плотность; это позволяет сбалансировать поток как следствие сохранения массы внутри элемента. Затем декартова система координат совмещается с главными осями тензора гидравлической проводимости; это позволяет избежать перекрестных производных.

Модель, основанная на приведенном выше уравнении, включающая соответствующие граничные и начальные условия, была бы действительно трехмерной. ZOOMQ3D использует упрощающий подход к решению трехмерного уравнения, признавая, что во многих водоносных горизонтах можно идентифицировать слоистую структуру. Если слои выровнены параллельно горизонтальным осям координат, то трехмерное уравнение может быть интегрировано по вертикали по всему слою, чтобы получить уравнение, которое описывает поток внутри слоя и его взаимодействия с соседними слоями. Такое уравнение:

{displaystyle {frac {partial} {partial x}} left [T_ {xx} {frac {partial h} {partial x}} ight] + {frac {partial} {partial y}} left [T_ {yy} {frac {partial h} {partial y}} ight] = S_ {c} {frac {partial h} {partial t}} - q-L_ {mathrm {above}} + L_ {mathrm {below}}}

куда:

${displaystyle h}$ потенциометрический голова внутри слоя (L)
${displaystyle t,}$ время (T)
${displaystyle T_ {xx}}$ и ${displaystyle T_ {yy}}$ - значения проницаемости вдоль Икс и у оси координат (L²Т⁻¹)
${displaystyle q}$ объемный поток на единицу площади плана, представляющую источники и / или стоки воды, где отрицательный ценности - это абстракции, а положительный значения являются инъекциями (LT⁻¹)
${displaystyle S}$ коэффициент запаса пористого материала (L⁰) и,
${displaystyle L}$ _над и ${displaystyle L}$ _ниже - скорости утечки из слоев выше и ниже (LT⁻¹)

Особенности модели

Особенность	Описание
Несколько слоев	ZOOMQ3D может включать несколько уровней узлов конечных разностей. Высота этих слоев может варьироваться в зависимости от модели, а базовая отметка одного слоя может быть выше, чем верхняя часть слоя под ним. Разделение слоев модели упрощает представление систем грунтовых вод, которые содержат водоносные горизонты, разделенные водоносными горизонтами. Это связано с тем, что поток через слои с низкой проницаемостью, который считается вертикальным, представлен элементом вертикальной утечки, соединяющим два конечных разностных узла в верхнем и нижнем водоносном горизонте.
Уточнение локальной сетки	ZOOMQ3D включает процедуру уточнения сетки, которая помогает решать проблемы, связанные с масштабированием. Плотность узлов конечных разностей может быть увеличена путем добавления последовательно более мелких прямоугольных сеток в дискретных областях области модели. Сетку можно уточнять в отдельных областях, а сетки можно уточнять несколько раз в одном и том же месте, чтобы приблизить конкретный элемент модели, например, абстракционную скважину или участок реки.
Замкнутый - неограниченные условия	Можно моделировать как замкнутые, так и неограниченные водоносные горизонты. В ограниченных узлах конечной разности проницаемость и накопление не зависят от напора грунтовых вод. В неограниченных узлах коэффициент пропускания является функцией толщины насыщения, а срок хранения включает удельную текучесть. На верхнем уровне модели конечные различные узлы могут быть определены как ограниченные, неограниченные или конвертируемые. Конвертируемые узлы переключаются между неограниченным и ограниченным поведением, когда напор грунтовых вод поднимается выше своего верхнего уровня. В каждом из нижних уровней модели все узлы должны быть указаны как ограниченные или как трансформируемые. Узлы с конечной разностью осушают воду, когда напор грунтовых вод опускается ниже их основания. В этом случае узел удаляется из матрицы конечно-разностных уравнений.
Неоднородность и анизотропия	Модели могут быть неоднородными и анизотропными. В каждом узле конечных разностей могут быть указаны разные значения гидравлических параметров, а гидравлическая проводимость может быть разной в направлениях x и y. Предполагается, что декартова система координат совмещена с главными осями тензора гидравлической проводимости.
Сдвиг границ	Узлы модели могут обезвоживать и повторно смачивать. Узлы становятся неактивными, когда уровень грунтовых вод опускается ниже их основания и наоборот. Повторное смачивание узлов модели зависит от напора грунтовых вод в соседних конечно-разностных узлах.
Переменная гидравлическая проводимость с глубиной (ВКД)	Вертикальные вариации гидравлической проводимости с глубиной можно указать в слоях модели или между слоями модели, задав профили VKD. Коэффициент пропускания в узле рассчитывается путем интегрирования гидравлической проводимости по вертикальной насыщенной толщине узла.
Перезарядка	Перезарядка может варьироваться в пространстве и во времени. Пополнение баланса всегда применяется к самому верхнему активному узлу.
Водозаборные колодцы	Накачиваемые скважины могут быть размещены в любом узле в области модели. Скорость забора может меняться во времени, и скважины могут как забирать воду из водоносного горизонта, так и закачивать в него воду.
Реки	Бассейны дендритных рек моделируются с помощью ряда взаимосвязанных участков рек. Гидравлические параметры, характеризующие участок, могут изменяться вдоль реки, как и степень связи с водоносным горизонтом. Моделируется перенос воды между водоносным горизонтом и реками, как и увеличение базового стока вдоль каждого рукава реки. Сбросы в реку могут быть указаны для любого участка, например, для обозначения работ по очистке сточных вод, а скорость сброса может меняться со временем. Можно смоделировать как полностью проникающие реки, так и реки с возвышенностью.
Узлы утечки, зависящие от напора	Помимо рек, в ZOOMQ3D включен второй механизм утечки, зависящий от напора. Поток через узлы утечки пропорционален разнице между его высотой и напором грунтовых вод в узле конечных разностей, с которым он связан. Поток может происходить в любом направлении, то есть в водоносный горизонт или из него. Узлы утечки можно использовать, например, для моделирования родниковых потоков, озер или эстуариев.
Спрингс	Эта функция модели была разработана специально для моделирования весенних течений. Истечение пружины зависит от проницаемости окружающих разностных узлов. Весенние потоки представлены «водозабором», который удаляет воду из водоносного горизонта в месте расположения источника до тех пор, пока уровень грунтовых вод не опустится ниже уровня поверхности земли.
Дискретизация времени	Время моделирования делится на временные шаги, периоды напряжения и блоки. Длина временного шага эквивалентна отрезку времени, в течение которого вычисляются последовательные решения для переменных состояния модели. Период напряжения представляет собой период времени, в течение которого все напряжения модели остаются постоянными, например подпитка, забор подземных вод или сброс в реки. Периоды стресса делятся на один или несколько временных шагов. Блок состоит из одного или нескольких стрессовых периодов. Обоснование использования блоков в основном связано с упрощением организации изменяющихся во времени данных, например, забора подземных вод или скорости пополнения, во входных файлах. Количество периодов напряжения в каждом блоке одинаково для всех блоков в моделировании.

История развития

В грунтовые воды модель потока ZOOMQ3D - один из кодов семейства числовых программ ZOOM. модели подземных вод который также состоит из кода отслеживания адвективных транспортных частиц ZOOPT и модели распределенной перезарядки ZOODRM. Каждая из этих моделей была разработана с использованием объектно-ориентированный техники, программирование подход, обычно применяемый при разработке коммерческого программного обеспечения, но лишь относительно недавно принятый в численном моделировании для научного анализа.

ZOOMQ3D и ZOOPT были разработаны в результате трехстороннего сотрудничества между Школой гражданского строительства Бирмингемский университет, Великобритания, Британская геологическая служба и Агентство окружающей среды Англии и Уэльса. Модель распределенной перезарядки ZOODRM была разработана Британская геологическая служба. Все модели обслуживаются Британская геологическая служба.

Ссылка на пакет геологического моделирования GSI3D

Существует связь между ZOOMQ3D и программой геогического моделирования. GSI3D. Ссылка облегчает перенос структуры геологической модели в модель подземных вод ZOOMQ3D. После GSI3D построена геологическая модель, ее можно использовать для создания гидрогеологический модель водоносный горизонт. Это достигается заданием гидрогеологических параметров, таких как гидравлическая проводимость, в геологические единицы. Как только это будет завершено, полученная гидрогеологическая модель может быть преобразована в многослойную модель подземных вод ZOOMQ3D.

внешняя ссылка

Сайт ZOOM www.oomodels.info
МАСШТАБИРОВАТЬ документация
Британская геологическая служба ZOOM веб-страница