A MULTIHÁLÓZATOS HIDROGEOLÓGIAI MODELLEZÉSI MÓDSZER ÉS ALKALMAZÁSI LEHETSÉGEI SZÉKELY FERENC HYGECON Kft. XV. FAV CONFERENCIA BALATONFÜRED 2008
BEVEZETÉS A numerikus hidrogeológiai modellezésben gyakran van szükség kis terület, de nagy térfelbontású célmodellek, valamint nagy terület, de kis felbontású háttér- vagy mestermodellek összekapcsolására. A modellek közötti jelents méretkülönbség vagy térfelbontási kontraszt áthidalása érdekében átmeneti modellek közbeiktatása is indokolt lehet. A gyakorlati problémák egy részében a modellek eltér függleges kiterjedést és felbontást is igényelnek. A mester- és átmeneti modellek távolabbi területek, vagy esetleg az egész medence vízföldtani viszonyait leképezve megbízható peremfeltételeket képesek szolgáltatni a célmodell számára. Az így kialakított, hierarchikus szerkezet multihálózatos vagy multigrid modell rendszer a véges elemes módszerekhez hasonlítható geometriai és hidraulikai rugalmasságot képes biztosítani számos gyakorlati hidraulikai és transzport modellezési probléma megoldásához.
A CMS MODELLEZÉSI TECHNIKA Több (maximálisan négy) egymásba ágyazott modellrács összekapcsolására szolgál az eladó által kifejlesztett CMS (Composite Mesh Simulator) technika. Ezek szakmai részletei az alábbi publikációkban találhatók: Székely F.: Windowed spatial zooming in finite difference ground water flow models. Ground Water 36, No. 5: pp. 718-721, 1998 Székely F.: Three-dimensional mesh resolution control in finite difference groundwater flow models through boxed spatial zooming. Journal of Hydrology 351, Issues 3-4, pp. 261-267, 2008
A CMS MODELLEZÉSI TECHNIKA (folyt.) A CMS eljárást megvalósító FSH (Flow-Solute-Heat) szoftvercsomag az önálló vízföldtani modellként megjelen modellrácsokat futás közben egyetlen összefügg modellé kapcsolja össze. Az FSH szoftver hazai alkalmazásai: Székely F.: Hidrogeológiai modellvizsgálatok eredményei az ÉK Alföld porózus üledékeiben. Hidrológiai Közlöny (86. évf.), 4 sz., pp. 23-28, 2006 (termikusan befolyásolt 3D-s áramlás) Székely F.: A természetes vízáramlás és a termális gyógyvizek hmérsékletének kapcsolata az ÉK Alföld porózus üledékeiben. IV. Nemzetközi Tudományos Konferencia a Kárpát-Medence Ásványvizeirl, Dr. Juhász József 80. születésnapjára Geotudományok, A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 72. kötet. pp. 59-64, 2007 (áramlás által befolyásolt hterjedés)
A CMS MODELLEZÉSI TECHNIKA (folyt.) Az egymásba ágyazott dobozok térszerkezetét követ modellek box-in-box arhitektúrát mutatnak. A négyzet vagy téglalap alaprajzú modell hasábok a befoglaló ú.n. szülmodellek megadott mélységszakaszában helyezkednek el. A modellek szabatos hidraulikai összekapcsolása sarokponti differenciaséma alkalmazásával, a permanens vagy tranziens peremi nyomások és fluxusok iteratív kiegyenlítése alapján történik. Ez utóbbi eljárás a modellek függleges határfelületeire, valamint, függleges kapcsolódások esetében, az egymással megosztott modellrétegekre terjed ki.
A BOX-IN-BOX MODELL ARHITEKTÚRA
MODFLOW KAPCSOLÓDÁSOK Székely 1998-as közleményére hivatkozva és alapozva a vázolt 3D-s térbeni zoom eljárást amerikai kutatók (Mehl S. és Hill M. C.) az LGR elnevezés MODFLOW-2005 modul kifejlesztéséhez is felhasználták. A két összekapcsolt modellre korlátozott, és további megkötéseket, valamint közelítéseket is tartalmazó módszert fként szélsségesen heterogén tárolók modellezésére találták alkalmasnak. Az alapvet MODFLOW kompatibilitás biztosítása érdekében az FSH csomag FLOW programja lehetséget ad a MODFLOW szimuláció során generált BCF.DAT paraméter fájlok beolvasására is. A következ kúthidraulikai teszt ilyen adatbázis igénybevételével is sikeresen teljesíthet volt.
A CMS MODELLEZÉSI TECHNIKA KÚTHIDRAULIKAI VALIDÁLÁSA A kúthidraulikai számpélda egy termel és két visszasajtoló kút által okozott permanens nyomásváltozás számítását ismerteti. A numerikus megoldás a szimmetrikus elrendezés M1 mester, M2 átmeneti és M3 célmodellek összekapcsolásával történik. Ezek mérete és laterális térfelbontása a következ: M1 = 20 * 20 km 2 és 1000 m, M2 = 10 * 10 km 2 és 250 m, M3 = 2 * 2 km 2 és 50 m. A modellek függleges térfelbontását és kapcsolódását a következ ábra mutatja.
AZ M1, M2 ÉS M3 MODELLEK FÜGGLEGES FELBONTÁSA ÉS KAPCSOLÓDÁSA
A SZIMULÁCIÓ EREDMÉNYEI A -1000, 700 és 300 m 3 /d hozamú termel és két visszasajtoló kút az M3 jel célmodell legalsó, 10 m vastag rétegében üzemel. Az 500 m vastag M1 mestermodell oldalirányú, alsó és fels peremfeltételei vízzáró jellegek. A számítás lefelé 100 méterenként növekv, 1 és 5 m/d közötti laterális szivárgási tényezvel, valamint állandó 0,01 függleges anizotrópia feltételezésével készült. A kutak analitikus, valamint numerikus CMS szimulációval számított nyomásváltozásai az alábbiak voltak: -23,632 / -23,625 m, 16,501 / 16,524 m, valamint 7,100 / 7,114 m, a maximális eltérés 23 mm. A következ ábra az M3 célmodell megcsapolt rétegében kialakuló permanens nyomásváltozás izovonalait mutatja. A rájuk merleges 2D-s áramvonalak a modellterületen kívülre áramló, illetve az onnan beáramló vizek nyomvonalait jelölik, a középs zónában a víz a kutak között közvetlenül az M3 modellben áramlik.
A KUTAK ÁLTAL OKOZOTT NYOMÁSVÁLTOZÁSOK ÉS ÁRAMVONALAK AZ M3 11000 MODELL ALSÓ RÉTEGÉBEN 10500 10000 9500 9000 9000 9500 10000 10500 11000
MÉLYGARÁZS HATÁSA A TALAJVÍZRE A talajvíztárolót teljes vastagságban lezáró mélygarázsok az áramló talajvízben felvízi oldalon duzzasztást (vízszint emelkedést), alvízi oldalon leszívást (vízszint csökkenést) okoznak. Ez a természetes és a befolyásolt talajvízszintek különbségeként számítható. Az 5 * 5 km 2 - es M1 mestermodell felbontása 100 m, az 1,5 * 1,5 km 2 - es M2 átmeneti modell felbontása 50 m, a 300 * 600 m 2 - es M3 célmodell felbontása 10 m. Az M1 modellben É-D-i irányban 6,579 m vízszintesést, az M3 modellben pedig egy 80 * 350 m 2 terület mélygarázst feltételezve a számított permanens talajvízszint változások a következ három dián láthatók. A számítás állandó rétegvastagság és szivárgási tényez értékek mellett történt.
TALAJVÍZSZINT VÁLTOZÁS AZ M1 MESTER MODELLBEN 5000 4500 0.005 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 0.004 0.003 0.002 0.001 0-0.001-0.002-0.003 500-0.004 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000-0.005
TALAJVÍZSZINT VÁLTOZÁS AZ M2 ÁTMENETI MODELLBEN 3500 0.035 0.03 0.025 3000 0.02 0.015 0.01 2500 0.005 0-0.005 2000-0.01-0.015-0.02 1500-0.025-0.03 1500 2000 2500 3000 3500-0.035
TALAJVÍZSZINT VÁLTOZÁS AZ M3 CÉLMODELLBEN 2850 2800 2750 2700 2650 2600 2550 2500 2450 2400 2350 2300 2250 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0-0.01-0.02-0.03-0.04-0.05-0.06-0.07-0.08-0.09
GEOTERMIKUS KÚTPÁR TERMIKUS HATÁSIDOMA A 3D-s zoom alkalmazások egyik aktuális területe a geotermikus kútpárok környezetében kialakuló vízáramlás és htranszport megfelel térfelbontású szimulációja. A példában feltételezett kútpár egy 420 m vastag, négy osztatú karsztos tároló hkészletének a hasznosítását célozza. A 25 * 25 km 2 terület, feltételezetten homogén M1 mestermodell felbontása 500 m, az M2 átmeneti modell területe 5 * 5 km 2, felbontása 50 m, a két kutat befogadó 10 m felbontású M3 célmodell 2,5 * 2,5 km 2 terület. Komparatív hidraulikai szimulációk igazolták, hogy az M1 és M2 modellekben a négy réteget egyetlen 420 m vastag modellréteggel helyettesítve a célmodell potenciáltere csak elhanyagolható mértékben változik.
GEOTERMIKUS KÚTPÁR TERMIKUS HATÁSIDOMA (folytatás) A feltételezett termelés és visszasajtolás a 100 m vastag 2. sz. modellrétegbe történik 1000 m 3 /d hozammal. A következ ábra a 10000 nap folyamatos üzemelés után kialakuló 1 % lehlési izotermákat ábrázolja az M3 célmodell 2. sz. rétegében. A szimuláció az advekció, a hdiffúzió vagy hkondukció, valamint a diszperzió egymásra épül hatásának szakaszos figyelembevételével történt.
1 % LEHLÉSI IZOTERMÁK ADEVKCIÓ, + KONDUKCIÓ, + DISZPERZIÓ I. II.
GEOTERMIKUS KÚTPÁR TERMIKUS HATÁSIDOMA (folytatás) Adott feltételek mellett a termelkútban 10000 nap elteltével mindössze 0,5 o C lehlés várható. Az advekcióval, hvezetéssel és diszperzióval számított lehlési idom az M3 modell területének csak egy kis részére terjed ki. Ennek alapján a végleges hidrogeotermikus tervezés során egy negyedik, kisebb méret, de esetleg nagyobb függleges felbontású M4 célmodell felhasználása is célszernek tnhet.
NÉGY ÖSSZAKAPCSOLT MODELL (SZÉKELY GROUND WATER 1998)
KÖSZÖNÖM MEGTISZTEL FIGYELMÜKET!