Ведение
Данное упражнение демонстрирует некоторые возможности для калибровки модели и анализа неточности при помощи PEST в VMOD FLEX. Упражнение основано на проблеме, которая описана Джоном Доерти и была оптимизирована для использования в VMOD FLEX.
Данное упражнение в оригинале доступно на сайте Waterloohydrogeologic.
Задачи:
По мере выполнения работы вы:
· используете экспериментальные точки для описания пространственного распределения фильтрационных характеристик водоносного горизонта;
· используете возможности PEST;
· используете ГПИ (графический пользовательский интерфейс) VMOD FLEX для:
o построения вводных файлов для работы PEST;
o запуска PEST;
o анализа результатов;
o сохранения настроенных параметров в виде вводных данных новой модели.
Для работы с данным упражнением, первоначально необходимо ознакомиться с работой VMOD FLEX.
Файлы, необходимые для работы с данным упражнением, доступны по ссылке.
Открытие проекта
· Запустите VMOD Flex.
· Выберите File/Open Project (для открытия существующего проекта).
· Пройдите в директорию (папку) с исходными данными и откройте «...pest-tutorial.amd».
· «Открыть» (Open).
· На левой стороне окна Numerical Workflow пройдите в Workflow Tree(рабочее древо) (смотрите рисунок ниже).
· Нажмите на кнопку «Выбор Типа Запуска (Select Run Type)»
· Нажмите на кнопку PEST как показано ниже.
· Будет открыто новое окно PEST.
Задание результатов наблюдений (данных мониторинга)
· Изначально необходимо добавить данные наблюдений, которые необходимы для вычисления целевой функции (Objective Function). Необходимо задать приоритеты для различных данных мониторинга. Данные напоров с 21 одной наблюдательной скважины будут использованы в данном упражнении.
· Расположение наблюдательных скважин и изменяющиеся во времени напоры выбираются по умолчанию. Они будут использоваться с приоритетом (weight) по умолчанию = 1. Изменения не требуются для данного упражнения.
· Нажмите на кнопку «Следующий шаг» (Next Step) для перехода к стадии задания параметров (Define Parameters Step). Задать свойства (Define Property).
Параметры
На данной стадии, необходимо выбрать параметры, которые вы желаете включить при вычислении PEST. Появиться окно выбора параметров (Define Parameters).
· В верхней таблице (Select Parameter), выберите какие параметры вы хотите использовать. В нижней таблице (Select Property Zone), выберите зоны свойств, которые вы желаете использовать. Для данного упражнения будут использованы все зоны свойств с параметром Кх. (они выбираются по умолчанию).
· Для каждого параметра, вы можете выбрать функцию «Привязать» (Tie) к другому параметру. Вы также можете указать опцию преобразования (Transformation option) (по умолчанию, все коэффициенты фильтрации (conductivity)установленые на логарифмическое преобразование (Log Transformation)).
· В нижней таблице, вы должны задать максимальные (max) и минимальные (min) значения для каждой из зон свойств. Значения по умолчанию предоставлены. Дополнительно, значения (value) для каждой из зон показаны для помощи при выборе обоснованных максимальных и минимальных значений.
· Поставьте значение равной 1 для минимального значения для всех зон.
· Поставьте значение равной 300 для максимального значения для всех зон
· Нажмите кнопку «Следующий шаг» (Next Step) для перехода на стадию задания экспериментальных точек (Define Pilot Points).
Задание экспериментальных точек (DEFINE PILOT POINTS)
· Следующий этап определения экспериментальных точек показан ниже.
Экспериментальные точки – это точки с координатами ХУ, на которых указаны начальные значения для каждого параметра. Точки могут быть импортированы с различных файлов .ТХТ, .XLS, .SHP или назначаются вручную оцифровывая в среде 2D. Пример экспериментальных точек поверх зон проницаемости представлен внизу.
Основные шаги выглядят следующим образом:
· выбрать объект данных pilot-points-zone1 в дереве данных (Data);
· нажмите кнопку в верхней части окна Define Pilot Points для добавления этих точек;
· выберите какие зоны параметров представляют точки под сеткой Parameter Zonesв верхней правой области окна. Для данного набора достаточно Kx-Zone1 (это должно быть выбрано по умолчанию).
Ваш экран должен выглядеть как на нижнем рисунке.
Необходимо повторить вышеуказанные шаги для экспериментальных точек для следующего набора Kx Zone2
· Выберите объект данных pilot-points-zone2 в Data Explorer.
· Нажмите кнопку в верхней части окна Define Pilot Points для добавления этих точек.
· Выберите KxZone2 для этих экспериментальных точек (если они еще не выбраны).
Необходимо повторить вышеуказанные шаги для экспериментальных точек для следующего набора Kx Zone3.
· Выберите объект данных pilot-points-zone3 в Data Explorer.
· Нажмите кнопку в верхней части окна Define Pilot Points для добавления этих точек.
· Выберите KxZone3 для этих экспериментальных точек.
Необходимо повторить вышеуказанные шаги для экспериментальных точек для следующего набора Kx Zone4
· Выберите объект данных pilot-points-zone4 в Data Explorer.
· Нажмите кнопку в верхней части окна Define Pilot Points для добавления этих точек.
· Выберите KxZone4 для этих экспериментальных точек.
Когда вы завершите, ваш экран должен выглядеть как на нижнем рисунке.
В таблице в нижнем части экрана, вы можете настроить некоторые параметры для конкретных экспериментальных точек. Основное предназначение данной таблицы является указание какие параметры являются Фиксированными (Fixed-неизменяющимися) и их первичные значения. Фиксированные экспериментальные точки – это точки, на которых вы уверены в достоверности измеренных значений параметров (экспериментальные одиночные или кустовые откачки), и вы желаете, чтобы эти значения были фиксированными при работе PEST.
Сверху данной таблицы находиться комбо окно, где вы можете выбрать какие зоны параметров должны быть показаны. VMOD Flex позволяет вам комбинировать несколько наборов экспериментальных точек (например, фиксированные/нефиксированные) для зон параметров.
Для данного упражнения оставьте все значения по умолчанию. Не изменяйте ничего.
· Нажмите кнопку "Следующий шаг" для перехода на стадию определения вариограмм кригинга (Define Kriging Variograms).
Задание вариограмм кригинга (DEFINE KRIGING VARIOGRAMS)
Использование экспериментальных точек для описания пространственного распределение фильтрационных свойств должно сопровождаться механизмом, при котором значения фильтрационных свойств определяются для экспериментальных точек, а далее пространственное интерполируются для всех ячеек сетки конечных разностей. Пространственная интерполяция осуществляется с использованием алгоритма кригинга. Кригинг представляет собой метод пространственной интерполяции основанный на геостатистике. Основой геостатистики является вариограмма. Вариограмма задает пределы, в которых значения фиьтрационных свойств (или любой другой тип данных), относящимся к любым двум точкам, вероятно, могут отличаться друг от друга как функция зависимости от расстояния между этими точками.
В данном упражнении находятся 4 зоны фильтрационных свойств, как показано ниже.
· Зона 1: аллювиальные речные отложения.
· Зона 2: аллювиальные ручейные отложения.
· Зона 3: западный базальт.
· Зона 4: восточный базальт.
Каждая зона представлена геостатистической структурой. Каждая из этих структур соответствует одной вариограмме (хотя это может до пяти). «Structure1» будет использоваться для описания зоны 1 из нашей области модели (т.е. аллювиальные речные отложения), «Structure 2» будет использоваться для описания зоны 2 (т.е. аллювиальные ручейные отложения), тогда как «Structure3» будет использоваться для описания зоны 3 и 4. Обратите внимание, что вариограмма соответствующая этим последним зонам является не привязанной к конкретной зоне, потому что только одна экспериментальная точка присваивается каждому из них. Остальным всем клеткам в этих зонах будет присвоено одно интерполированное значение (такое же, как соответствующая экспериментальная точка), независимо от вариограммы.
В VMOD Flex, вариограмма генерируется по умолчанию для каждой зоны параметров, с типом 2 (Экспоненциальная).
Тем не менее, эти структуры должны быть изменены.
· Нажмите на Zone1 под древом Кх. Экран будет выглядеть следующим образом:
· В редакторе на правой части окна, для Transform установите log(должно быть по умолчанию).
· Проверьте, что для остальных зон Kx Zone2, 3, и 4 установлено log для Transform.
Таким образом, любая вариограмма цитируемая в каждой из этих структур должна относиться к пространственному распределению логарифма соответствующим фильтрационным свойствам. В соответствии с тем, что большинство исследований, приведенные в литературе подземных вод, которые рассматривают емкостные свойства и/или коэффициент фильтрации в виде районированной переменной, показывают, что его распределение лучше описывается логарифмической вариограммой, нежели вариограммой на основе естественных значений свойств.
Для этого упражнения, параметры по умолчанию для вариограмм (все будут использовать экспоненциальную) являются достаточным. Тем не менее, для Zone2, мы определим значение 2.0 для анизотропии, с заданием анизотропии, совпадающей с направлением ручья. Выравнивание в направлении ручья основано на предпосылке, что гидравлических свойства будут преобладать в направлении структуры каналов в пределах долины этого старого ручья, чем в направлении перпендикулярном к ней.
Параметры вариограммы могут быть настроены выбирая Вариограмму (Variogram) из древа показанной ниже:
· Нажмите Variogramkx2 под древом Variogram.
· Наберите 2 для поля Анизотропии (Anisotropy)
· Наберите 45 в поле Bearing. Эти значения позволяют сделать вариограмму анизотропной в определенном направлении. Это является углом поворота.
· Нажмите кнопку «Следующий шаг» (Next Step) для перехода на этап выбора типа запуска (Select Run Type).
Выбор типа запуска (SELECT RUN TYPE)
На данном этапе, выберите тип запуска (Run Type) для PEST Run. Если вы желаете запустить PEST, тогда необходимы некоторые дополнительные опции, такие как задание регуляризации (define regularization) и настройка контрольного файла PEST(PEST control file). Если вы желаете запустить анализ чувствительности (Sensitivity Analysis), то эта опция также может быть запущена.
· Нажмите на кнопку оценка параметра (Parameter Estimation) на основном окне, как показано выше.
· Следующий шаг посвящен выбору настроек регуляризации (Regularization options).
Выбор регуляризации (SELECT REGULARIZATION)
На данной стадии выберите тип регуляризации для запуска.
· Нажмите на Без Регуляризации (No Regularization) в основном окне.
· Следующая шаг предназначен для настройки контрольного файла PEST.
Редактировать настройки запуска PEST
Последним шагом перед запуском PEST является просмотр и настройка контрольного файла PEST (PEST Control file).
Если вы знакомы с форматом/структурой файлов PEST, вы можете настроить контрольный файл PEST в этом окне, или скопировать в текстовый редактор, внести изменения, и вставить скорректированные содержимое обратно в этом окне.Подробное объяснение контрольного файла PEST доступно в руководстве PEST (на английском языке).
Для данного упражнения используйте значения по умолчанию.
Перед началом запуска PEST, желательно проверить вводные файлы PEST (PEST Input files). PEST предоставляет утилиту для этого, которая называется PESTCheck.
· Нажмите на кнопку на панели инструментов.
· Вы должны получить подтверждение того, что не было найдено никаких ошибок.
· Нажмите ОК для продолжения.
· Нажмите кнопку "Следующий шаг".
Запуск PEST
· Нажмите на кнопку (Запуск PEST- Run PEST) для запуска PEST.
· Файл рest.exe будет автоматически загружен в командном окне DOS, и покажет прогресс как показано ниже.
В зависимости от скорости вашего компьютера, время PEST вычисления занимает от 3-5 минут. Во время PEST вычисления, вы должны увидеть уменьшение целевой функции (objective function) (phi) на каждой итерации оптимизации; обратите внимание на эти значения в окне DOS. PEST будет работать в общей сложности 25 итераций оптимизации и в общем 1366 симуляций модели. PEST должен достичь окончательного значения целевой функции (phi) приблизительно равной 2,06 Е-02.
Когда завершиться работа PEST, вы должны увидеть сообщение подтверждения на главном окне, ниже вкладки «PEST Run Log», как показано ниже.
После завершения вычисления PEST, вы можете анализировать результаты.
· Нажмите кнопку (Следующий шаг) для перехода к стадии анализа результатов (Analyze Results).
Анализ результатов (ANALYZE RESULTS)
VMOD Flex представляет результаты вычислений PEST в виде вкладок на каждый выходной файл (output file).
· Файл «Record» (*.REC): содержит значения параметров, целевой функции, чувствительность и т.д.
· Чувствительности для данных наблюдений (Observations) (*.SEO).
· Чувствительности для параметров (Parameters) (*.SEN).
· Остатки (Residuals) (.RES): содержат скорректированные расчетные значения по сравнению с наблюдаемыми значениями.
Результаты с данных файлов могут экспортированы в Excel для построения графиков.
Если результаты выглядят обоснованными, вы можете сохранить настроенные районирования параметра Кх в виде входных файлов для новой модели. Этот процесс описан в следующем разделе.
· Нажмите кнопку "Следующий шаг".
Сохранение параметров PEST как новые вводные файлы
После просмотра результатов PEST, если настроенные значения параметров являются обоснованными, вы можете сохранить эти параметры в виде вводных файлов для нового расчета на модели.
· Нажмите на кнопку обновить модель с результатами PEST (Update Model with PEST Results).
VMOD Flex сохранит настроенные параметры модели в новом расчете модели в одном и том же проекте. Этот новый расчет модели появиться в дереве модели ниже последнего расчета модели. Также появится новое рабочее окно с новом расчетом модели.
· Нажмите на «Задать свойства» (Define Properties) в рабочем дереве (если не выбрано).
· Из выпадающего окна выберите «Кх» как показано ниже. Далее вы должны увидеть цветовое заполнение значений Кх.
Вы можете провести курсором мыши по поверхности 2D изображения чтобы увидеть диапазон значений Кх.
Нажмите на кнопку на панели инструментов чтобы увидеть цветовое затенение (color shading) с контурными линиями.
Вы должны перевести и запустить (Translate and Run) этот новый расчет модели для того, чтобы увидеть обновленные результаты MODFLOW используя настроенные параметры Кх из PEST.
На этом упражнение завершено.