Modelowanie przepływu wód podziemnych metodami różnic skończonych i elementów skończonych – porównawcze badania poligonowe

• Autorzy: Zdechlik R. , Partyka M.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.5057

Warianty tytułu

EN

Groundwater flow modelling using the finite differences method and the finite elements method – comparative model studies

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Filtracja wód podziemnych jest procesem skomplikowanym, o którym decydują naturalne czynniki środowiskowe (m.in. warunki hydrogeologiczne) oraz oddziaływania antropogeniczne (np. pobory wód, odwadniania, piętrzenia). Wiarygodne prognozowanie wpływu zakładanych wymuszeń na środowisko wodno-gruntowe wymaga zastosowania odpowiedniej metody badawczej, która pozwoli na precyzyjne odwzorowanie krążenia wód podziemnych. Do takich metod jest zaliczane numeryczne modelowanie procesów filtracji, wykorzystujące matematyczny opis przepływu wód podziemnych na podstawie przyjętych wielkości parametrów i warunków brzegowych. Do modelowania przepływu wód podziemnych najczęściej stosuje się oprogramowanie bazujące na metodzie różnic skończonych MRS, wykorzystujące symulatory rodziny Modflow. Z uwagi na liczne zalety, głównie w zakresie większej precyzji odwzorowania skomplikowanej geometrii rozpatrywanych struktur wodonośnych i obiektów kształtujących krążenie wód, coraz większego znaczenia nabiera alternatywna metoda elementów skończonych MES. W artykule przedstawiono charakterystyczne cechy modelowania obydwu metod. Opierając się na przyjętym fikcyjnym jednolitym poligonie badawczym, odwzorowującym typowe dolinne warunki hydrogeologiczne, zaprezentowano metodykę realizacji modeli i dokonano obliczeń numerycznych przepływu wód metodami MRS i MES, każdorazowo w dwóch wariantach zagęszczenia siatki dyskretyzacyjnej. Po zestawieniu otrzymanych rezultatów podjęto próbę analizy porównawczej wad i zalet obydwu metod.

EN

The filtration of groundwater is a complicated process, which is determined by natural environmental factors (hydrogeological conditions) and anthropogenic impacts. Reliable predictions of the impact of the established extortions on the groundwater environment require the use of an appropriate research method that will allow for a precise representation of groundwater circulation. Such methods include numerical modelling of filtration processes, using a mathematical description of groundwater flow, based on assumed parameters and boundary conditions. For groundwater flow modelling, software based on the finite differences method FDM, using Modflow simulators, is most commonly used. Due to the numerous advantages, mainly in terms of greater precision in the representation of the complex geometry of the aquifers and objects affecting the water circulation, the alternative FEM finite elements method is becoming increasingly important. The article presents characteristic features of modelling using both methods. Based on the established imaginary research site, representing typical valley hydrogeological conditions, the paper presents the methodology of model implementation and numerical calculations of water flow using FDM and FEM methods, each in two variants of grid density. Obtained results are presented, with an attempt to compare the advantages and disadvantages of both methods.

Słowa kluczowe

PL

metoda różnic skończonych; metoda elementów skończonych; modelowanie przepływu; wody podziemne

EN

finite difference method; finite elements method; flow modelling; groundwater

• Wydawca: Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 471, Hydrogeologia, z. 15
• Strony: 201--208
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zdechlik R.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Partyka M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] ANDERSON M., WOESSNER W., 1992 – Applied Groundwater Modeling. Simulation of flow and advective transport. Academic Press, San Diego.
• [2] CHIANG W.-H., KINZELBACH W., 2001 – 3D-Groundwater Modeling with PMWIN. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York.
• [3] DĄBROWSKI S., KAPUŚCIŃSKI J., NOWICKI K., PRZYBYŁEK J., SZCZEPAŃSKI A., 2010 – Metodyka modelowania matematycznego w badaniach i obliczeniach hydrogeologicznych – poradnik. Ministerstwo Środowiska, Poznań.
• [4] DIERSCH H-J., 2014 – Feflow. Finite Element Modeling of Flow, Mass and Heat Transport in Porous and Fractured Media. Springer, Berlin.
• [5] KULMA R., ZDECHLIK R., 2009 – Modelowanie procesów filtracji. Ucz. Wydaw. Nauk.-Dydakt. AGH, Kraków.
• [6] MONNINKFOFF L., HARTNACK J.N., 2009 – Improvements in the coupling interface between FEFLOW and MIKE 11. W: Proceedings of the 2nd International FEFLOW User Conference, 14–16 September, Potsdam.
• [7] SITEK S., 2017 – Modelowanie wód podziemnych na terenach górniczych z wykorzystaniem oprogramowania FEFLOW. Prz. Geol., 65, 11/3: 1451–1459.
• [8] ŚWIERCZEK M., 2017 – Porównawcze badania modelowe filtracji wód podziemnych metodami różnic skończonych i elementów skończonych [pr. mgr., niepubl.]. AGH, Kraków.
• [9] ZDECHLIK R., 2016 – A review of applications for numerical groundwater flow modeling. W: 16th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2016, Conf. Proc., 2–5 November, 2016, Book 3, v. 3: 11–18.
• [10] https://water.usgs.gov/ogw/modflow/ (dostęp: lipiec 2018).
• [11] www.mikepoweredbydhi.com/products/feflow (dostęp: lipiec 2018).
• [12] www.simcore.com (dostęp: lipiec 2018).

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).