Software pro analýzu a transformaci dat ze 3D výpočetních sítí

Autor: Michal Balatka,¹⁾ Kamil Nešetřil

Ústav mechatroniky a technické informatiky (MTI)
Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií (FM)
Technická univerzita v Liberci (TUL)

OUTGRIF²⁾ je program pro převod dat mezi výpočetními sítěmi. Prostorově distri­buované parametry a výsledky programů Groundwater Vistas či Flow123d převádí do formátu HDF5 „Gridded Dataset“, což je vstupní soubor programu PFLOTRAN.

OUTGRIF navíc umožňuje:

• převody veličin a jednotek pomocí vzorečku
• využití hodnoty v daném elementu nebo průměrování hodnot i z okolních elementů
• extrahovat řez jako obrázek a tabulku

OUTGRIF je implementován v jazyce Python. Funkcionalita je konfigurována v souboru YAML.

Program umožňuje zpracování dvou typů datových souborů:

• S3D – exportovaný z Groundwater Vistas (viz níže) a
• MSH (Gmsh) – výstupní soubor programu Flow123d (viz níže)

S3D obsahuje body vyexportované z gridu (strukturo­vaného či ne­strukturo­vaného), MSH obsahuje hodnoty ve výpočetní síti.

Groundwater Vistas je GUI pro MODFLOW a navazující programy. MODFLOW je simulační software pro modelování proudění podzemní vody.

Z Groundwater Vistas je možno vyexportovat do souboru S3D (formátu CSV s dvouřádkovou hlavičkou):

• vstupní prostorově distribuované parametry (např. hydraulická vodivost, porozita) i
• výstupní hodnoty modelu (např. hydraulická výška).

X_Origin,Y_Origin,Z_Origin,Angle,X_Extent,Y_Extent
-1.000000e+02,-1.000000e+01,260.000000,0.000000,1200.000000,25.000000
X_Cent,Y_Cent,Z_Cent,X_Width,Y_Width,Z_Height,layer,sublayer,node,BC-Type,Kx,Ky,Kz,Ss,Sy,Porosity,HSU,CellType
-9.750000e+01,1.250000e+01,255.000000,5.000000,5.000000,10.000000,1,1,1,CH,1.157407e-03,1.157407e-03,1.157407e-03,1.000000e-02,1.000000e-02,2.000000e-01,1,0
-9.250000e+01,1.250000e+01,255.000000,5.000000,5.000000,10.000000,1,1,2,Active,1.157407e-03,1.157407e-03,1.157407e-03,1.000000e-02,1.000000e-02,2.000000e-01,1,0
-8.750000e+01,1.250000e+01,255.000000,5.000000,5.000000,10.000000,1,1,3,Active,1.157407e-03,1.157407e-03,1.157407e-03,1.000000e-02,1.000000e-02,2.000000e-01,1,0
. . . 

💡 Úryvky z manuálů jsou vyznačeny takto – svislou čarou vlevo.

… save the property values in the current layer to a comma-delimited text file. The contents of the file are X-coordinate, Y-coordinate, and property value.
You have several options when exporting the XYZ file. You may include or exclude no-flow (inactive) cells. You may export the file in site coordinates (those of your base map) or model coordinates (origin in lower left corner of the model). You may export as row, column, and layer instead of XYZ.
You may also export all layers. If you choose to export all layers, then the file contains another column for the elevation of the cell center.
— Manuál Groundwater Vistas, kapitola Exporting Properties > Property Values (XYZ); s. 164n

The XYZ format is a simple DOS text file that lists each head, concentration, drawdown, flux, or velocity computed by GV and its X and Y locations. One data point is listed on each line of the file. — s. 408

Flow123d je simulační software pro modelování podzemní vody. Výsledky jeho výpočtů jsou ukládány do souborů MSH (*.msh), – jedná se o formát programu Gmsh (specifikace formátu souboru: MSH file format).

Flow123d supports output of scalar, vector and tensor data fields into two formats. The first is the native format of the Gmsh software (usually with extension msh) which contains computational mesh followed by data fields for sequence of time levels. — Manuál Flow123d

Pro výpočet v PFLOTRAN jsou vstupní data konvertována do formátu „Gridded Dataset“ (pravidelný ortogonální grid) a uložena do souboru HDF5 (Hierarchický datový formát s příponou *.h5).³⁾

Specifikace datového formátu „Gridded Dataset“ pro PFLOTRAN je na stránce DATASET, v kapitolce Gridded Datasets. OUTGRID je kompatibilní s PFLOTRAN verze 6.

Atribut Dimension má vždy hodnotu XYZ.

Dimension <string>: options are X, Y, Z, XY, XZ, YZ, XYZ

Atribut Time Units není zapisován. Je třeba používat sekundy.

Time Units <string>: time units for ‘’Time’’ Dataset. Required only only if time units are not seconds (s). Options include second, minute, hour, day, week, month, year. You can also use abbreviations: s,min,h,d,w,mo,y.

OUTGRIF generuje pomocné výstupy (planes_outputs):

• obrázek (image) a
• tabulku v textovém souboru (table).

Jedná se o řez 3D gridem (kolmý na jednu z os).

2.6500E+02,2.6400E+02,2.6300E+02,2.6200E+02,2.6100E+02
2.6500E+02,2.6400E+02,2.6300E+02,2.6199E+02,2.6099E+02
2.6499E+02,2.6399E+02,2.6299E+02,2.6199E+02,2.6099E+02
2.6498E+02,2.6398E+02,2.6299E+02,2.6199E+02,2.6099E+02
2.6498E+02,2.6398E+02,2.6298E+02,2.6198E+02,2.6098E+02
2.6498E+02,2.6398E+02,2.6298E+02,2.6198E+02,2.6098E+02
2.6498E+02,2.6398E+02,2.6298E+02,2.6198E+02,2.6098E+02
2.6497E+02,2.6397E+02,2.6297E+02,2.6197E+02,2.6097E+02
2.6497E+02,2.6397E+02,2.6297E+02,2.6197E+02,2.6097E+02
2.6496E+02,2.6396E+02,2.6296E+02,2.6197E+02,2.6097E+02

Konkrétní úloha je konfigurována vstupním souborem ve formátu YAML.

Specifikace: Konfigurační soubor

Příklad konfiguračního souboru

PFLOTRAN umožňuje simulaci komplexních THC procesů, které jsou náročné z hlediska komplikovanosti zdání i z hlediska výpočetní náročnosti. Proto model v PFLOTRAN bývá rozsahem menší než běžný (regionální) model proudění (realizovaný např. v MODFLOW). Rozsah lokálního modelu tak nezasahuje na přirozené hranice modelového území (vodní toky, rozvodí), a proto je třeba převzít toky či tlaky na hranicích lokálního modelu z modelu regionálního. Parametry propustnosti jsou získány mj. kalibrací regionálního modelu; tyto hodnoty mohou být pak přeneseny do lokálního modelu v PFLOTRAN.

Níže je uvedeno schéma takového použití, a detaily přepočtu veličin a převodu jednotek.

Při importu dat z MODFLOW-USG do PFLOTRAN dochází k přepočtu. PFLOTRAN používá tlak (Pa) a propustnost (m²), zatímco MODFLOW používá hydraulickou výšku (m či m n.m.) a hydrau­lic­kou vodivost (m s^-1). Konverze byly provedeny za následujících podmínek:

• Tlak byl vypočten s využitím hustoty vody 1000 kg⋅m^-3, gravitačního zrychlení 9,804 m⋅s^-1 a atmosférického tlaku 101 325 Pa:
  p = 9 804 (h-z) + 101 325, kde
  • p je tlak [Pa],
  • h hydrau­lic­ká výška [m n.m.] a
  • z vertikální souřadnice [m n.m.].
• Propustnost byla vypočítána s využitím dynamické viskozity při 10 °C (1,308 ⋅ 10^-3 Pa⋅s) dle vztahu:
  k = K⋅1,333786⋅ 10^-7, kde
  K je hydraulická vodivost a
  k propustnost.
• Ve formátu HDF5 byla připravena i data pro zadání podmínek výpočtu tepelného pole. Teplota v objemu domény byla vypočítána z geotermického gradientu 0,025 °C⋅m^-1 s tím, že v pří­povrch­ové části je teplota 10 °C.
• Tlak vody je v jednom případě zadán v HDF5 souboru jako časově proměnný (např. vliv klimatu).

• LICHTNER P. C., HAMMOND G. E., LU C., KARRA S., BISHT G., ANDRE B., MILLS R. T., KUMAR J., A FREDERICK J. M., 2024: PFLOTRAN User Manual. documentation.pflotran.org
• Domovská stránka
• Dokumentace: vyvíjená verze, poslední vydaná verze
• Zdrojové kódy

• MOLINERO, Jorge, Paolo TRINCHERO, Luis Manuel DE VRIES, Hedied EBRAHIMI a Urban SVENSSON, 2016. The BRIDGE project: Development, testing and application of a high perfor­mance computing framework for reactive transport model­ling in crystalline rocks (iDP). R‑15‑17. SKB. PDF
• KOLOMÁ K., TRPKOŠOVÁ D., KRÁLOVCOVÁ J., NEŠETŘIL K., MILICKÝ M., GVOŽDÍK L., VENCELIDES Z., 2024: Geochemický model referenční lokality HÚ. MS SÚRAO, ZZ 785/2024⁴⁾

• James O. RUMBAUGH, Douglas B. RUMBAUGH, 2024. Groundwater Vistas [software]. Reinholds PA: Environmental Simulations, Inc. groundwatermodels.com
• James O. RUMBAUGH, Douglas B. RUMBAUGH⁵⁾ 2000–2020 Guide to Using Groundwater Vistas Version 8 [manuál] Environmental Simulations, Inc. 523 s. PDF

• BŘEZINA, Jan, Jan STEBEL, David FLANDERKA, Pavel EXNER a Jan HYBŠ, 2020. Flow123d [software]. Version 3.0.4. Technická univerzita v Liberci. flow123d.github.io.
• BŘEZINA, Jan, Jan STEBEL, David FLANDERKA a Pavel EXNER, 2022. Flow123d version 3.9.0 User Guide and Input Reference. [manuál] Liberec: Technical university of Liberec. Faculty of mechatronics, informatics and interdisciplinary studies. pdf

• Domovská stránka
• Specifikace formátu souboru: MSH file format
• GEUZAINE C. and J.-F. REMACLE, 2009. Gmsh: a three-dimensional finite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities. International Journal for Numerical Methods in Engineering 79(11), pp. 1309–1331. 10.1002/nme.2579