MANUAL PRÁCTICO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MODELOS NUMÉRICOS DE AGUAS SUBTERRÁNEAS USANDO MODFLOW Y MODEL MUSE
Preparado por: Marko Eduardo Castañeda Zavaleta, MGeol DCPRH – Autoridad Nacional del Agua
Manual Práctico para la Construcción de Modelos Numéricos de Aguas Subterráneas Usando Modflow y Model Muse
1. Instalar Model Muse (v3.8) 2. Abrir el Programa, si se va a crear un nuevo modelo, seleccionar el primer casillero y Next
3. Configurar Inicialmente el Modelo, describiéndolo, estableciendo las fechas de inicio de la simulación, la hora, el tipo de proyección (seleccionar epsg por defecto) y la zona, en la que puede ser 32717, 32718 o 32719 (para UTM wgs 84 z17, z18 ó z19) y seleccionar next (siguiente)
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1. Instalar Model Muse (v3.8) 2. Abrir el Programa, si se va a crear un nuevo modelo, seleccionar el primer casillero y Next
3. Configurar Inicialmente el Modelo, describiéndolo, estableciendo las fechas de inicio de la simulación, la hora, el tipo de proyección (seleccionar epsg por defecto) y la zona, en la que puede ser 32717, 32718 o 32719 (para UTM wgs 84 z17, z18 ó z19) y seleccionar next (siguiente)
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4. A continuación, entramos en la configuración de las mallas, si se tienen las zonas específicas se recomienda seleccionar No Grid (sin grilla prestablecida), caso contrario, se seleccionarán cada uno de los elementos, incluyendo las coordenadas, el número de capas (para el ejemplo será 1), de columnas, filas, los anchos y las elevaciones
5. Una vez abierto, lo primero que haremos, la primera vez al usar el programa, debemos llamar a los Paquetes de Modflow, para ello vamos a Model/MODFLOW program location (localización de p rogramas)
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Buscamos los siguientes programas, en la carpeta C:/WRDAPP, que tiene que ser localizada por predeterminación 5.1
MODFLOW
5.2
MODFLOW LGR
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5.3
MODFLOW LGR-2
5.4
MODFLOW-NWT
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5.5
MF2005-CFP
5.6
MF2005-OWHM
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5.7
MODPATH v6
5.8
ZONEBUDGET
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5.9
MT3DMS
5.10
MT3D-USGS
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5.11
MODELMATE
5.12
TEXT EDITOR
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5.13
MODELMONITOR
6. Una vez instalados estos programas, procederemos a llamar a la base de datos que ha sido preparada en distintos formatos que son reconocidos por el programa, para generar primero el modelo conceptual y luego correr el modelo numérico.
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7. Llamamos a la Capa que limita nuestro modelo a ejecutar (borde.shp por ejemplo)
8. Seleccionamos los dominios y alcances de nuestra capa de entrada borde
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9. Luego de dar OK no aparecerá el borde en la pantalla, necesariamente seleccionamos el árbol de mostrar o esconder
10. Seleccionamos Unused Objects (objetos no usados) y hacemos click derecho luego seleccionamos Go To con el izquierdo, luego de lo que aparecerá nuestro borde
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11. Tenemos que guardarlo convenientemente en la carpeta que tenga relación con la carpeta del modelo que estamos trabajando, por ejemplo, se deberán crear carpetas en donde se almacenen los datos de ingreso, otra para guardar los resultados y otra para los distintos modelos que creemos, como en el orden del ejemplo. 12. Seleccionamos con doble click a nuestro borde, luego le damos el tamaño conveniente de nuestras celdas (son rectangulares), luego espacializamos las capas. Seleccionamos el Techo y el Fondo de nuestro borde modelado, por ejemplo en las coordenadas z superficiales, seleccionamos Model_Top y en las Coordenadas Z de la base del modelo seleccionamos (como nuestro acuífero tendrá una sóla capa), Upper_Aquifer_Bottom.
13. Seleccionamos generar grilla (al costado izquierdo de la cruz azul), apareciendo el diálogo de creación, por defecto, dejamos que el ángulo de inclinación de la grilla sea cero (desactivando el cálculo automático del ángulo)
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14. Y listo, ya generamos nuestra grilla, que es la base de nuestro modelo (podemos ver la grilla completa, la grilla activa o el borde activo seleccionando las opciones de visualización de grilla en el panel superior, margen derecha, menú inferior)
15. Empezamos a discretizar, primero respecto al tiempo, luego el espacio, en Model, abrimos Modflow Time
16. En vistas a que nuestros datos de entrada tienen el tiempo en días, seleccionamos día (days)
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17. Luego discretizamos espacialmente, las elevaciones y la conductividad hidráulica, (Shp, Excel o GRD), para el caso del modelo, importaremos archivos GRD, para elevaciones como para K
18. Para elevaciones de esta forma + OK
19. Para conductividad hidráulica importamos de esta forma + OK
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20. Asignaremos las superficies haciendo clic en Data, luego Edit Data Sets
Para la Superficie, buscamos en el Menú Required lo concerniente al Model_Top, luego buscamos Edit Formula, buscamos los archivos importados (Model_ Top para Superficie) y luego ok, luego en interpolación seleccionamos Fitted Surface, luego aplicar.
Como tenemos una capa para modelar, ya hemos creado la superficie superior, ahora hay que crear la superficie inferior o basamento, ésta ha sido creada en base a los espesores inferidos de la geofísica, en ese sentido, es evidente que la base será igual a la resta de la superficie con el espesor total, dato que debe ser importado como GRD que para el ejemplo se llama ETOT_Grd_Z1, de la misma forma que para la creación de la superficie superior, solo que en cuadro de texto de la fórmula escribiremos Model_Top (que es la superficie del terreno) – ETOT_Grd_Z1), apretamos OK, luego seleccionamos en opciones de interpolación, la opción Fitted Surface, luego Apply y OK (entre éstos se demora un poco por el reacomodo de las celdas a modelar.
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Luego para la Conductividad Hidráulica (abrir menú de Hydrology, luego Edit Fórmula, luego en User Defined para Buscar el archivo KAC_GRD_Z1 Importado, luego OK) + Aplicar
21. Importamos luego nuestras condiciones de borde, para lo que activaremos nuestros paquetes de acuerdo a la conceptualización, seleccionamos Model, luego Modflow Packages and Programas
22. Cargamos las condiciones de borde iniciales, cargamos los paquetes de las mismas (ESTO EN FUNCIÓN A LA CONCEPTUALIZACIÓN DEL SISTEMA)
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23. Cargamos las condiciones de borde asignadas según convenga, por ejemplo el río.shp
24. Asignaremos la condición de borde al shape importado de río, haciendo doble clic y luego seleccionando model features, si se quiere seleccionar en grupo, se selecciona presionando Ctrl+Shift + Clic en cada línea o capa referente al río, de preferencia desactivar las demás capas activas (borde por ejemplo), para el ejemplo, habremos seleccionado seis elementos constituyentes del paquete RIVER
25. Asignamos estas características de Río en MODFLOW Features, activando luego RIVER e imponiendo los valores que para el ejemplo se muestran de la siguiente forma
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26. Luego importamos la condición de b orde pozos, siempre es necesario contar con datos en la base de datos espacial (pozos), relacionados a la extracción, idónea para representar en el m odelo, importaremos la capa Shape denominada WELL para el ejemplo, si la discretización temporal está dada en días, las unidades de medida serán para la extracción (L3/T) en metros cúbicos por día, luego, por ejemplo si se tiene la profundidad actual del pozo también se puede colocar (que para el archivo se encuentra en la tabla PROF), de modo que se ubique al pozo en la profundidad real, para lo que en Z coordinate se configura la cota del fondo, haciendo clic en EDIT, luego en Data Sets, Required, Layer Definition y luego en la Superficie, Model_Top, de donde restaremos la Profundidad, que está asignada en el atributo PROF del archivo Shape, no hay que olvidar que la extracción deberá tener un valor negativo, por lo que luego de asignar las condiciones iniciales, seleccionamos la pestaña Data, en donde activaremos el valor M3D (que tiene que ser ingresada como dato espacial previo a la creación del modelo), luedo de todo hacemos clic en OK
27. Asignamos la condición de borde haciendo doble clic en los pozos y luego en modflow features con las características que el bombeo del pozo, primero seleccionamos F() y escribimos la fórmula siempre debe tener un valor negativo, para el caso del bombeo, multiplicaremos M3D*-1, luego OK y nuevamente OK, la
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interpretación del bombeo, al ser un caudal asignado será Directa (Direct, como se muestra en la figura inferior)
28. Importamos los GHB que representan las recargas desde el relleno aluvial de los ríos en formato shape con el nombre GHB.shp, luego de importar y poner tal como la figura, clicamos OK
Hacemos doble clic en las líneas importadas y vamos a Modflow Features, la recarga proveniente de los subalveos de los ríos generalmente tienen una cota piezométrica (head) equivalente al nivel del base del río o lecho fluvial
29. Luego Importamos el nivel del mar como carga constante (0 msnm) en formato shape CHB.shp, es por ello que en la Coordenada Z escribiremos 0 significando el nivel del mar, luego hacemos clic en OK
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Luego abrimos el polígono importado haciendo doble clic en el mismo, luego accederemos al menú de opciones y seleccionaremos Model Features Activamos la opción CHD y asignamos como indica la figura
30. Es importante siempre luego de cada paso guardar el modelo, haciendo clic en el icono de forma de disquete, en una carpeta que guarde relación con los archivos importados.
31. Asignaremos luego las recargas estimadas de los valores hidrológicos por inducción en riegos, importaremos la capa Recarga.shp, asignando los valores (Options) e importando los valores (Data) de recarga en metros por día (RECMD)congruente con la discretización temporal) como se indica en las siguientes figuras para luego hacer clic en OK
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Nuevamente, para asignar los valores de recarga se hace doble click en los polígonos del valle, seleccionando uno por uno manteniendo apretados control + shift + clic, una vez terminada la selección hacemos doble clic (no olvidar mantener apretados control y shift), seleccionamos Model Features y activamos el paquete recarga, asignando los valores como se muestran en la siguiente figura, luego en la tasa de recargas, seleccionamos F() para dar los valores importados con el Shape (RECMD)
Luego aceptamos (OK) dos veces.
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32. Editamos ahora la carga inicial, referente para el desarrollo de las corridas del modelo, seleccionamos Data, Edit Data Sets, luego en Hydrology, seleccionamos Modflow Initial Head, en Default Formula, escribimos Model_Top y luego Apply
33. Ahora configuraremos el Tiempo de Inicio y la configuración espacial, haciendo clic en Model y luego en Edit Geo References (Editar Geo Referencias) y asignando los valores como en la siguiente figura
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34. Guardamos el archivo y corremos el modelo seleccionando Run Model
35. Guardamos el archivo de la Corrida (.nam)
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Luego de cerrar el Model Monitor, se abrirá el diálogo descriptivo del modelo, que debe ser estudiado por cada uno de los lectores para analizar los aspectos constructivos del modelo y sus resultados, como por ejemplo al final del archivo el balance de masas, que es objeto de calibraciones si es recomendable, junto con o tros aspectos como la piezometría, que será inducida posteriormente.
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36. A veces algunos parámetros del modelo se encuentran fuera del límite, para los usos del presente, las advertencias no son tomadas en cuenta en vistas a la corrida exitosa del mismo, no obstante, si es de uso particular al entorno de interés, algunas veces tienen que ser tomadas en cuenta, seleccionamos Close y luego tenemos que ver los resultados del m odelo.
37. Importamos los resultados del modelo seleccionando importar resultados (Import and Display Model R esults), para ver las cargas piezométricas importamos el archivo 1.fhd y en forma de contorno
38. Y listo, ya tenemos nuestros resultados de piezometría visibles
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Tips
a. Los modelos hidrogeológicos dependen de datos previamente preparados, en ese sentido, es necesario conocer el modelo conceptual, el balance hídrico natural, los aportes externos y las salidas externas, los objetivos de la modelización y si la información obtenida del estudio es suficiente para desarrollar un modelo numérico o simplemente basta con elaborar el modelo conceptual b. Para visualizar la grilla activa, sólo el borde activo o toda la grilla generada, seleccionamos Show or hide 2d gridlines
Un poco de Humor en la Ciencia y en la Naturaleza
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c. Para desactivar o visualizar muchas capas ingresadas o c ondiciones de borde del modelo, ingresamos a Show or Hide Objects
Por ejemplo para visualizar sólo los pozos (WELLS)
Para visualizar las condiciones de borde de los aportes de la llanura aluvial (GHB), la carga del Océano Pacífico y el Río
d. Siempre se recomienda guardar los archivos en carpetas relacionadas a 1) el Modelo, 2) los datos de entrada y 3) los tipos de archivos
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e. También se pueden visualizar los datos referentes a la conductividad hidráulica y su distribución en el modelo en Data Visualization (al costado de la ..i.. azul) y luego seleccionamos en la primera opción Color Grid, desplegando secuencialmente Data Sets, Required, Hydrology, Kx y luego haciendo clic en Apply
Quedando inicialmente marcada toda la conductividad del recuadro trabajado para el modelo mediante la interpolación por triangulación.
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Si solamente queremos ver el borde del modelo y su conductividad aplicamos filtros en Filters y luego seleccionando Only Active, luego Apply
f. La importación de las condiciones de borde en formatos distintos (Shape, GRD, Tablas, otros) siempre debe ser en formatos reconocidos por el Programa. g. Se pueden exportar los datos del modelo, por ejemplo los contornos de las isopiezas, en el Menú File, Export, Shapefile, Contours to Shapefile
Guardamos los contornos de las isopiezas en formato shape en la carpeta de salida, carpeta debidamente creada dentro del directorio principal que para el ejemplo e s OUTPUT, luego hacemos clic en Guardar, tal como se muestra en la siguiente figura.
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h. La calibración del modelo puede darse mediante la comparación del 1) balance hídrico, 2) piezometría, 3) conductividades y 4) observaciones posteriores para calibrar, modificar, actualizar o crear un nuevo modelo, puede ser manual a discreción del modelador o automatizada también según criterio del modelador, la primera es más recomendable debido a la observación de campo y su predominancia sobre la matemática automatizada del programa. i. Las corridas del modelo numérico pueden ser ajustadas e incorporadas a modelos integrados vía R,WEAP, SWAT, MIKE, GMS, HMS y otros, la utilidad radica en la pericia del modelador y la calidad de los datos o viceversa. j. Existen versiones diversas de códigos de modelización, Modflow es una de ellas, las interfaces gráficas son de acceso libre (Model Muse-la presente guía, R, OpenGeoSys), comerciales (Visual Modflow, Visual Modflow Flex, GMS, HMS, Groundwater Vistas, etc) otras como elementos finitos tienen en FEM (acceso libre) o Feflow (comercial), volúmenes finitos (OpenGeoSys, GMS, Hydrogeosphere) y analíticos con fórmulas que pueden trabajarse en Excel o en otros códigos.
