Подземные воды существенно отличаются от других полезных ископаемых. Ресурсы подземных вод, их качество, а значит и пригодность для использования могут существенно изменяться во времени. Поэтому важно уметь не только оценивать их текущее состояние, но и прогнозировать будущее. Изменение состояния подземных вод обусловлено их движением в гидролитосфере. Но непосредственное наблюдение движения подземных вод крайне затруднено. Они залегают под поверхностью земли и не видны наблюдателю. Экспериментальным путем установлено, что движение подземных вод в гидролитосфере происходит в результате взаимодействия динамических полей (давления, температуры, концентрации растворенных в воде компонентов и т.п.) и статических (геологических) полей - водопроницаемости, пористости, водопроводимости и т.д. С математической точки зрения динамические поля - это поля функций, а геологические - поля аргументов, т.е. тех факторов, которые оказывают влияние на функции. Связь параметров может быть описана системой дифференциальных уравнений. Решая эту систему уравнений, можно рассчитывать значения динамических полей на любые моменты времени в любой точке, т.е. решать задачи прогнозирования. Для этого необходимо знать значения статических параметров и исходные значения динамических. Но параметры, характеризующие свойства подземных вод и свойства пород, которые их вмещают, можно измерить только в отдельных точках. С этой целью, например, бурятся скважины, в которых проводятся необходимые измерения. Чтобы выяснить закономерности изменения статических и динамических параметров в пространстве для всей исследуемой территории, описать характер взаимосвязи между параметрами, выполняется гидрогеологическая стратификация. Результатом являются специальные графические документы - гидрогеологические карты, сопровождающиеся гидрогеологическими разрезами и пояснительными записками, включающими текстовые описания, расчеты, таблицы, графики параметров и т.п.
Для Аральского региона к настоящему времени накоплен огромный фактический материал по тысячам скважин, выполнены многочисленные научные работы по изучению гидрогеологических условий региона, составлены сотни разномасштабных гидрогеологических карт и разрезов. Анализ таких больших объемов данных и прогнозирование возможны только на основе применения современных информационных технологий. Поэтому для моделирования гидрогеологических условий Восточного Приаралья Институт гидрогеологии и гидрофизики Министерства образования и науки Республики Казахстан разработал и адаптировал комплекс специальных инструментальных средств, основными частями которого являются геоинформационная система, системы управления базами данных и система моделирования гидрогеологических процессов. Архитектура комплекса показана на рисунке:
|
Архитектура автоматизированной информационной системы Восточного Приаралья
Как правило, в разработке сложных автоматизированных информационных и обрабатывающих систем принимают участие специалисты различных областей: гидрогеологи, математики, системные и прикладные программисты. Это затрудняет управление проектированием, повышает вероятность получения непредсказуемых результатов. Поэтому большое значение приобретает четкость и однозначность выработки требований к системе. Описание таких требований называется спецификацией. Важнейшим этапом разработки систем, включающих базы данных, является проектирование информационной (концептуальной модели) предметной области. Тем не менее, единой методики составления спецификаций не существует. В таблице приводится классификация средств спецификаций по степени формализации и по методу представления, опубликованная в [Деметрович Я., 1989].
 |
Учитывая большую сложность рассматриваемой предметной области и ее слабую формализацию, информационное моделирование представляется целесообразным выполнять в два этапа. На первом этапе составляется словесное описание области приложения. На втором этапе уточняются требования к системе. Для их отображения используется язык SA, разработанный Д.Россом. При дальнейшей детализации информационной модели данных, которые должны хранится и обрабатываться в системе, применяется непроцессный подход с использованием объектов в качестве исходных конструкций [Спивак Л.Ф., 1982].
Основной принцип SA применяется рекурсивно и приводит к нисходящей иерархической декомпозиции [Росс Д., 1984].
 |
Полная SA-модель должна описывать как явления, так и объекты моделируемой области. Явления представляются декомпозицией действий, а объекты – декомпозицией данных, отображенные соответствующими диаграммами. Таким образом, в SA имеет место полная двойственность явлений (действий) и объектов (данных). Действие, поступающее на ВХОД блока данных, можно представить как некоторую операцию, создающую этот объект, а действие, помечающее ВЫХОД – как использующее объект данных.
 |
Благодаря тому, что язык SA включает в себя все остальные языки, оказывается возможным использовать те или иные их средства для достижения конкретных целей, связанных с: отображением особенностей предметной области; требований, предъявляемых к автоматизированным информационным системам; объяснением возможностей инструментальных средств; описанием методик и технологий автоматизированной обработки данных и т.п. На базе требований, зафиксированных с помощью SA, можно организовать эффективное, рациональное проектирование конкретной системы, ее последующую реализацию, сопровождение, обучение персонала. В настоящее время существуют средства, которые позволяют на основе подобных спецификаций автоматически генерировать программы или их фрагменты (например, CASE-технологии). Таким образом, разработка непротиворечивых и полных спецификаций является ключевой задачей. При разработке геоинформационно-математической модели Восточного Приаралья нами был использован язык SA и его методология.
В состав комплекса средств, реализующих основные принципы геоинформационно-математического моделирования, в настоящее время входят программы MaрInfo 5, FOXPRO 3.0 и GMS 3.1 . Они выполняют функции создания и ведения баз графических и семантических данных, математических моделей гидрогеологических объектов, а также позволяют решать на моделях содержательные гидрогеологические задачи. Кроме этого имеется набор сервисных средств, обеспечивающих обмен данными между основными компонентами системы, а также программы, решающие задачи справочно-информационного обслуживания внешних и внутренних пользователей системы. Ниже приводится их описание.
Система геоинформационного моделирования MAPINFO. Для создания геоинформационной системы Восточного Приаралья использована программа MaрInfo. Система обеспечивает прямой доступ к информации, хранимой в форматах dBase, Excel, Lotus, ACCESS. Возможна работа в сети. Комплекс представляет широкие возможности для оформления выходных документов: большое количество шрифтов, контролирование масштаба, работа в режиме WISIWYG. Система поддерживает языки программирования MaрBasic, MaрCode, создание пользовательских «меню». Программа работает более чем со 150 картографическими проекциями. Имеется аппарат для создания пользовательских проекций, обеспечивается интеграция растрового изображения в векторное и размещение векторного сверху растрового. Поддерживается ввод с дигитайзера, сканера, с систем GРS, по растровой подложке и адресное геокодирование. Инструментальные средства обеспечивают решение задач обработки изображений, пространственной статистики, пространственных измерений, тематической картографии, графического анализа.
MaрInfo ориентирована на работу с графическими геоизображениями в векторной форме. Системой поддерживается послойное представление графических данных. MaрInfo работает с точечными, линейными, площадными и комбинированными графическими объектами, с каждым из который может быть связана содержательная информация. Эта информация легко просматривается при работе с ГИС, а также используется для решения задач схематизации гидрогеологических условий и подготовки исходных данных для математической модели.
Система управления базами данных FOXPRO. Для создания баз семантических данных Восточного Приаралья и работы с ними используется СУБД (система управления базами данных) FOXPRO 3.0 , более полное название которой - Visual FoxPro 3.0 [М.Д.Антонович, 1996]. Система позволяет достаточно быстро работать на персональном компьютере с таблицами, содержащими миллионы записей. Имеется возможность разрабатывать экраны и отчеты с помощью специальных проектировщиков или мастеров (Screen Designer и Report Designer), используя технологию WYSIWYG – «что видишь, то и получай». Другими важными особенностями FOXPRO 3.0 являются:
Последующие версии FOXPRO отличаются в основном только возможностью создавать и использовать серверы COM, а также публиковать приложения в Internet. Для доступа к данным Visual FoxPro через WEB имеются следующие возможности:
Описание одной из последних версий Visual FoxPro приводится в [Базиян, 2001].
Система математического моделирования GMS 3.1. В настоящее время осуществляется перевод математической модели гидрогеологических условий Восточного Приаралья в форматы системы моделирования GMS 3.1 – одной из наиболее совершенной системы моделирования гидрогеологических процессов, имеющей широкие функциональные возможности. Ниже приводится ее краткое описание, составленное на основе эксплуатационной документации на систему.
Система GMS 3.1 предназначена для моделирования в зонах полного и неполного насыщения движения подземных вод и переноса растворенных в воде компонентов, построения линий токов и т.п. Комплекс включает в себя также средства калибровки модели и визуализации результатов моделирования, инструменты для создания триангуляционной нерегулярной сети, конструирования трехмерных моделей стратиграфии и некоторые другие компоненты. Полная версия системы содержит графический пользовательский интерфейс и набор программ - MODFLOW, MT3DMS, RT3D, SEAM3D, SEEP2D, FEMWATER, UTCHEM, NUFT, PEST, MODPATH.
Графический интерфейс поделен на 10 модулей – TIN, Borehole, Solid, 2D Mesh, 2D Grid, 2D Scatter Point, 3D Mesh, 3D Grid, 3D Scatter Point, Map.
Cистема GMS 3.1 освоена и адаптирована в комплекс геоинформационно - математического моделирования. Ниже приводится краткая характеристика ее основных компонентов.
Программа MODFLOW имитирует трехмерную фильтрацию потока грунтовых вод в гетерогенной и анизотропной среде. Используется метод конечных разностей. Область, в которой моделируется поток, аппроксимируется ортогональной равномерной или неравномерной сетью, включающей строки, столбцы и слои. Слои могут быть напорными, безнапорными и напорно-безнапорными. Модель может учитывать влияние на подземные воды водозаборных скважин, областей питания и разгрузки, дрен и различных поверхностных водных объектов.
Программа MT3DMS имитирует трехмерный перенос подземными водами растворенных в них загрязняющих компонентов.
Программа RT3D имитирует трехмерный перенос подземными водами твердых и растворенных в ней загрязняющих компонентов с учетом химических и микробиологических реакций.
Программа SEAM3D имитирует транспорт подземными водами растворенных в них компонентов с учетом аэробного и последующего анаэробного разложения.
Программа SEEP2D предназначена для создания плоских плановых и профильных моделей движения подземных вод в изотропной и анизотропной, гомогенной и гетерогенной среде. Моделируются напорные и безнапорные профильные потоки в зоне полного и неполного насыщения, напорные плановые потоки в зоне полного и неполного насыщения. Имитируется работа горизонтального дренажа и скважин.
Программа FEMWATER предназначена для моделирования трехмерного потока подземных вод в зоне полного и неполного насыщения с учетом изменения плотности фильтрующегося флюида. FEMWATER использует метод конечных элементов. Система GMS 3.1 включает графический интерфейс для работы с программой FEMWATER. Сформированная с помощью специальных средств концептуальная модель гидрогеологического объекта в дальнейшем отображается на трехмерную сеть в форматах, используемых FEMWATER.
 |
Вид концептуальной модели гидрогеологического объекта, отображенной на трехмерную треугольную сеть
Программа UTCHEM предназначена для моделирования движения подземного трехмерного грунтового потока многофазного флюида, а также транспорта растворенных в нем компонентов с учетом различных химических превращений.
Программа NUFT предназначена для моделирования многофазных неизотермических процессов влаго- и массопереноса в зоне аэрации. Она может быть использована для имитации испарения, конденсации водяного пара, движения водяного пара в зоне аэрации и т.п.
Программа NUFT предназначена для моделирования многофазных неизотермических процессов влаго- и массопереноса в зоне аэрации. Она может быть использована для имитации испарения, конденсации водяного пара, движения водяного пара в зоне аэрации и т.п.
Программа PEST предназначена для калибровки модели, реализуемой MODFLOW. Программа PEST реализует алгоритм, который приводится в [Бард Й, 1979; Doherty J., 2000]. Программа PEST в качестве исходных использует данные 4-х основных типов (терминология заимствована у разработчиков программы) (Doherty J., 2000):
Выходные данные, полученные в результате работы PEST, используются для редактирования параметров модели гидрогеологического объекта (набора исходных данных для программы MODFLOW) в процессе ее идентификации.
Программа MODPATH является частью пакета обработки и визуализации результатов моделирования, полученных с помощью программы MODFLOW. MODPATH предназначена для построения линий токов стационарного потока подземных вод. Программа вычисляет траектории движения частиц в потоке подземных вод и отображает их в графическом виде.
 |
Изображение линий тока, сформированных программой MODPATH
Модуль Tin используется для моделирования поверхностей с помощью треугольной сети. Сеть формируется путем соединения некоторого набора отдельных точек, располагающихся в трехмерном пространстве, сторонами треугольников. Поверхность представляется набором треугольных граней. Tin может быть использован для изображения поверхностей различных геологических тел или поверхностей, определяемых математическими функциями. Высоты или другие параметры, связанные с сетью, могут быть показаны цветными контурными линиями или закрашенными зонами. Сеть, построенная с помощью модуля Tin, может быть использована для конструирования тел или в процессе формирования конечно-элементной модели.
Модуль Borehole предназначен для визуализации и редактирования данных по скважинам. Скважины могут содержать данные по стратиграфии и (или) материалы по результатам опробования. Стратиграфические данные используются для представления слоев пород, которые были вскрыты при бурении. Слои пород изображаются с помощью контактов и сегментов.
Сегмент представляет слой, а контакт – границу между двумя слоями. Контакты и сегменты могут быть использованы при конструировании поверхностей (с помощью модуля Tin), тел и сетей для конечно-разностных моделей гидрогеологических объектов.
 |
Представление стратиграфии пород с помощью контактов и сегментов
Модуль Solid предназначен для конструирования трехмерных моделей стратиграфии гидрогеологических объектов.
 |
Трехмерная модель стратиграфии гидрогеологического объекта
Один раз созданная, такая модель может быть многократно использована для генерации изображений различных разрезов. С помощью модуля Solid можно также рассчитывать объем геологических тел.
 |
Изображение разрезов, сгенерированных модулем Solid
Модуль 2D Mesh используется для конструирования двумерной конечноэлементной сети. Инструмент обеспечивает автоматическую генерацию и редактирование сети. Такая сеть создается при моделировании с помощью программы SEEP2D, а также в процессе конструирования трехмерной треугольной сети для отображения различных поверхностей.
Модуль 2D Grid применяется в процессе создания и редактирования двумерных прямоугольных сетей. Такие сети используются в основном для отображения поверхностей и рельефа. Это осуществляется путем интерполяции на сеть и последующего ретуширования (shading).
 |
Изображение сети, построенное модулем 2D Grid
Модуль 2D Scatter Point используется для интерполяции наборов точечных данных на решетки, сети. Поддерживаются различные схемы интерполяции, включая крайгинг. Интерполяция используется в процессе подготовки и ввода исходных данных для моделирования.
Модуль 3D Mesh содержит интерфейс программы FEMWATER и предназначен для создания и редактирования трехмерной конечноэлементной сети. Один раз созданная сеть может использоваться для задания граничных условий и параметров в процессе моделирования программой FEMWATER.
Модуль 3D Grid содержит интерфейс программ MODFLOW, MODPATH, MT3DMS, RT3D, NUFT, UTCHEM и SEAM3D. Модуль используется для создания трехмерной прямоугольной сети. Эти сети предназначены для интерполяции, построения поверхностей, разрезов и в процессе моделирования методом конечных разностей.
Модуль 3D Scatter Point применяется для интерполяции наборов трехмерных точечных данных на сеть или решетку. Используются различные методы интерполяции, включая крайгинг.
Модуль Мар предназначен для создания концептуальной модели на основе ГИС-объектов, включающих точки, линии и зоны. Концептуальная модель конструируется независимо от решетки или сетки. Это высокоуровневое описание частей, включающих источники-стоки, границы моделируемой области, зоны питания и разгрузки транспирацией, материала зон внутри каждого слоя .
 |
Схематизация гидрогеологических граничных условий Восточного Приаралья
Типовые объекты системы моделирования GMS 3.1, используемые для описания граничных условий: линии задания: 1 - напоров, 2 - потоков, 3 - рек; зоны задания: 4 - напоров; точки: 5 - водозаборов
Система управления базами данных ACCESS. Программа ACCESS выполняет функции системы управления базой библиографических описаний документов по проблемам Аральского региона. В настоящее время база обслуживает в основном внутренних пользователей системы. Предполагается, что в перспективе доступ к данным будет организован и через сеть Internet.
ACCESS позволяет поддерживать реляционные модели данных. Допускается использование различных форм для ввода данных в базу, выдача их в виде отчетов. Проектирование форм и отчетов осуществляется с помощью мастеров, конструкторов, запросов. Кроме этого имеются так называемые автоформы и автоотчеты. ACCESS позволяет использовать три языка программирования:
Для организации работы с данными из Internet в ACCESS 2000 используются файлы особого типа - страницы доступа к данным (Data Access Page). Они обеспечивают пользователю доступ к данным и работу с ними, позволяют вести поиск и структуризацию данных в информационных сетях. По своим функциям страницы доступа к данным похожи на классические формы и отчеты. Для их создания в ACCESS 2000 есть специальный пакет – Data ACCESS Page Toolbox. С помощью этого инструмента создаются HTML-страницы, которые содержат динамические ссылки на данные. ACCESS является частью широко распространенного пакета Mictosoft Office. Подробное описание ACCESS приводится в многочисленных публикациях, например в [Дубнов П.Ю., 2000] и др.
Программа разработки WEB-страниц FRONTPAGE. Программа FRONTPAGE применяется для разработки и сопровождения WEB-страниц, на которых публикуются сведения по гидрогеологическим условиям Восточного Приаралья, предназначенные для свободного распространения.
WEB-страницы создаются с помощью специального языка форматирования, который называется hypertext markup language (HTML). Они могут включать текст, изображения, звуки, анимацию и видео. Язык HTML может читать любой компьютер, если на нем установлен WEB–браузер, представляющий сoбой программу, преобразующую инструкции языка HTML в визуальную форму мультимедиа-документа WEB. WEB- страницы обычно объединяются в группы, которые называются WEB-узлами. Перемещение от одной страницы к другой происходит с помощью щелчков на гиперссылках, которые могут быть представлены словами или изображениями. Щелкнув на гиперссыле, можно перейти на другую WEB-страницу.
В процессе разработки WEB-узла определяют цели его создания, планируют структуру, для каждой страницы пишут текст, подбирают графику и другие элементы.
На начальной стадии разработки WEB-узла, при определении целей, обычно уточняют, для кого создается сайт, какую именно информацию предполагается на нем помещать, какие ресурсы (денежные, временные) могут быть затрачены на его разработку и эксплуатацию.
При проектировании структуры сайта уточняются сведения, которые предполагается опубликовать. После этого данные разбиваются на логические группы. Определяется, сколько WEB-страниц необходимо для каждого подраздела, какую информацию должна содержать каждая страница. Продумывается система их связывания с помощью гиперссылок.
Затем выполняется работа над дизайном WEB-страницы (определение стиля публикации, стиля иерархии, размера шрифта, подготовку графики и т.п.).
После завершения проектирования приступают к формированию сайта с помощью FRONTPAGE. В состав этой программы входит три основных компонента, предназначенных для создания и обслуживания WEB-узла: WEB-сервер, FRONTPAGE EXPLORER и FRONTPAGE EDITOR.
FRONTPAGE хранит WEB-узлы на компьютере, на котором работает программа-сервер. С помощью программы FRONTPAGE EXPLORER создается WEB-узел и изменяется его структура. Создание WEB-страниц выполняется с помощью FRONTPAGE EDITOR.
Подробное описание приемов работы с FRONTPAGE приводится, например, в [Microsoft FrontPage 98. Шаг за шагом, 1998].
Сервисные программы. Сервисные программы реализуют функции обмена данными между отдельными компонентами системы, а также задачи справочно-информационного обслуживания внутренних пользователей. Именно эти программы обеспечивают эффективную работу пользователей с системой в процессе геоинформационно-математического моделирования.
Комплекс аппаратных средств. Система геоинформационно-матема-тического моделирования гидрогеологических условий Восточного Приаралья установлена в Институте гидрогеологии и гидрофизики МОН РК в Лаборатории моделирования и гидродинамики. Используется аппаратный комплекс, состоящий из сервера и 5 рабочих станций. Функции рабочих станций выполняют компьютеры PIII-PIV, процессоры которых работают на частотах от 800 МГЦ до 3.0 ГГЦ. Оперативная память 128-512 Мб. Сервер – HP NetServer LC 2000 PIII. Все машины объединены в одноранговую локальную сеть, пропускная способность которой 100 Мб/c. Кроме этого в состав комплекса входит несколько принтеров (цветные и черно-белые) формата А4-А2, а также цветной струйный плоттер HP DJ 500 формата А0. Связь с INTERNET осуществляется по выделенной линии.
Геоинформационно-математические модели, создаваемые как основа системы управления рациональным использованием водных ресурсов, могут эксплуатироваться достаточно длительное время. В комплекс вводятся значительные объемы оперативных данных об объекте моделирования и протекающих на нем процессах. Последние многократно используются для уточнения модели, поддержании ее адекватности изменяющимся природным условиям. Исходные данные для создания и эксплуатации модели представляются в графической и семантической форме. После соответствующей обработки они конвертируются в массивы параметров, которые образуют внутримашинную информационную базу системы математического моделирования. Результаты моделирования в свою очередь из числовой формы преобразуются в графическую, удобную для последующего анализа и использования специалистами. Учитывая вышеизложенное, представляется, что информационная база геоинформационно-математической модели в общем случае должна включать в себя три компоненты:
Между компонентами с помощью специальных программных средств необходима организация обмена данными.
 |
Структура информационной базы системы геонформационно-математического моделирования
Предполагается, что комплекс должен работать следующим образом. Вся семантическая информация об объекте и протекающем на нем процессах вводится в систему (с клавиатуры, с других информационных систем, с систем автоматизированного мониторинга). Это соответствующим образом структуризованные описания скважин, шурфов, колодцев и т.п., результаты различных опробований, разовых замеров, стационарных наблюдений и т.д. После первичной обработки эти сведения записываются в базу семантических данных. Картографическая информация с помощью специальных устройств вводится в базу графических данных. В соответствии с заданной пространственно-временной схематизацией и с учетом особенностей используемых программных средств на основе сведений, хранящихся в базах семантических и графических данных формируются массивы гидрогеологических параметров. Последние записываются в базу моделей и используются в процессе моделирования, результаты которого в цифровой форме накапливаются в этой же базе. С помощью специальных программных средств массивы параметров конвертируются в форматы графической базы данных, после чего могут просматриваться, редактироваться, а затем использоваться для построения различных совмещенных карт. Для эффективного управления процессом моделирования специалист-моделировщик должен также иметь возможность просматривать исходные семантические данные, редактировать их, преобразовывать в графическую форму, более удобную для анализа. Функциональная структура системы, способная реализовать основные принципы геоинформационно-математического моделирования гидрогеологических объектов приведена на рисунке.
 |
Функциональная структура системы геонформационно-математического моделирования
Анализ и схематизация гидрогеологических условий (А1) должны выполняться с учетом целей и задач моделирования. В результате создается гидродинамическая схема и карты специальных гидрогеологических параметров, которые используются в качестве исходных данных для формирования и идентификации модели (А2). На процедуру формирования и идентификации модели оказывают влияние также цели и задачи моделирования. В результате создается откалиброванная математическая модель, которая используется для решения содержательных задач (А3). В процессе выполнения идентификации модели может быть принято решение об изменении принципов схематизации гидрогеологических условий и повторном выполнении процедуры А1. Итогом решения содержательных задач на модели (А3) должны быть оформленные результаты. Вместо этого может быть принято решение об изменении математической модели и (или) принципов схематизации гидрогеологических условий.
Структура функций анализа и схематизации гидрогеологических условий приведена на рисунке.
 |
А1. Структура функций анализа и схематизации гидрогеологических условий
Для реализации функции А1.1 необходимо организовать сбор исходной информации, ее оценку, подготовку и ввод в базу семантических и графических данных.
Введенные в графическую и семантическую базы данных сведения после их проверки и редактирования используются в первую очередь для изучения гидрогеологических условий. При этом определяются примерные границы моделируемой территории. Выполняется ее районирование по условиям формирования режима подземных вод и водного баланса, характеру границ и граничных условий, литологическому строению и т.п. Итогом является схема гидрогеологического районирования и ее описание. Районирование выполняется обязательно с учетом целей и задач моделирования.
Для реализации функций А.1.2 система должна обеспечивать возможность выполнения гидрогеологом-моделировщиком детального анализа гидрогеологических условий исследуемой территории. Задача схематизации – максимально упростить гидрогеологические условия, учесть только те факторы, которые существенно влияют на имитируемые процессы. При этом необходимо использовать специальные критерии, позволяющие качественно и количественно оценивать допустимость этих упрощений, вычислять погрешность, которая при этом возникает [Гавич И.К., 1980; 1988]. На этом этапе должна быть выбрана модель имитируемого процесса и схематизирована область геофильтрации, итогом является гидродинамическая схема и ее описание.
Процесс схематизации моделируемой области можно условно разбить на следующие этапы:
Для реализации функции А.1.3 система должна обеспечивать построение комплекта карт специальных гидрогеологических параметров в автоматизированном режиме. От содержания карты существенно зависит методика ее построения и подход к автоматизации. С известной долей условности можно считать, что карты отображают: свойства водовмещающих пород (коэффициенты фильтрации, гравитационной водоотдачи, сорбционной емкости, распределения и т.п.); свойства подземной воды (давление или абсолютная отметка уровня, температура, концентрации растворенных в воде компонентов и т.п.), процессы взаимодействия моделируемого объекта с окружающей средой (инфильтрация атмосферных осадков, испарение с открытой водной поверхности, разгрузка родниковым стоком, эксплуатация подземных вод водозаборными сооружениями, дренаж и т.п.), а также некоторые интегральные показатели, характеризующие свойства выделенных слоев (водопроводимость, упругая водоотдача пласта, мощность, и т.п.). Для отображения на картах значений параметров, которые изменяются в пространстве непрерывно и закономерно, используют изолинии.
Для отображения на картах значений параметров, которые могут изменяться скачкообразно, используются зоны. С каждой зоной связываются значения параметров, а также задаются интервалы их допустимых изменений. Карты параметров строятся для каждого слоя, выделенного в разрезе.
Функции формирования и идентификации математических моделей показаны на рисунке.
 |
А2. Структура функций формирования и идентификации математической модели
В результате выполнения этих функций должна быть сформирована и откалибрована математическая модель исследуемого гидрогеологического объекта.
Формирование наборов исходных данных – это операция преобразования собранных исходных данных в форматы, используемые системой математического моделирования. Требования к форматам зависят от особенностей системы математического моделирования, входящей в комплекс. В набор должны входить данные по геометрии выделенных в процессе схематизации пластов, сведения по наблюдательным точкам, в которых контролируется совпадение вычисляемых на модели параметров с фактически замеренными по результатам полевых или лабораторных работ, а также расходы эксплуатационных скважин, уровни воды в водоемах и водотоках, концентрации загрязняющих веществ в источниках и т.п. Формирование наборов исходных данных должно осуществляться в автоматизированном режиме с помощью специально разрабатываемых для этого программных средств.
Построение концептуальной схемы. Концептуальная схема является отображением гидродинамической схемы средствами системы математического моделирования. Как и гидродинамическая, она включает в себя плановое и в разрезе изображение концептуальной схемы, а также изображения карт гидрогеологических параметров в форматах системы моделирования.
Числовые модели карт гидрогеологических параметров, хранящиеся в базе графических данных, должны быть преобразованы в форматы системы математического моделирования. Если нужные фактографические сведения в базе данных отсутствуют, то они на этом этапе должны быть дополнены экспертом-моделировщиком на основе анализа косвенной информации или приняты по аналогии с другими, более изученными объектами и т.п.
Аппроксимация по пространству и времени. Для преобразования концептуальной схемы в фильтрационную необходимо задать сеточную аппроксимацию моделируемой области в пространстве (в плане и разрезе), выполнить аппроксимацию моделируемого процесса во времени и отобразить на пространственно-временную сеть все исходные данные (концептуальную схему, карты гидрогеологических параметров и наборы исходных данных).
Аппроксимация по пространству должна выполняться с учетом особенностей выбираемых программных средств и метода решения дифференциальных уравнений, описывающих имитируемый процесс. Аппроксимация моделируемой области в разрезе осуществляется на основе сведений о геометрии выделенных слоев (используя абсолютные отметки поверхности земли и подошв выделенных слоев), представленных в концептуальной схеме, или выполняется моделировщиком так же, как и для плановой сети (т.е. описывается с помощью перечисленных выше параметров).
Для осуществления аппроксимации моделируемого процесса во времени используются результаты схематизации - время, которое принимается за начало процесса моделирования, количество и длина стрессовых периодов. Каждый стрессовый период в случае необходимости должен разбиваться на некоторое количество шагов для записи результатов решения задачи на каждом из них.
Генерация фильтрационной схемы. Фильтрационная схема представляет собой отображение концептуальной схемы на пространственную и временную сеть. Фильтрационная схема должна генерироваться системой автоматически. При этом также выполняется интерполяция в ячейки пространственной и временной сети и результаты представляются в форматах, используемых выбранной программой моделирования. С помощью специальных программных средств должна также осуществляться формальная проверка исходных данных и их редактирование в случае обнаружения ошибок. Генерация фильтрационной схемы и интерполяция параметров в узлы пространственной и временной сети завершают этап создания математической модели.
Калибровка модели. Калибровка является важнейшим этапом моделирования и выполняется для доказательства адекватности модели природным условиям. Иногда термин «калибровка» заменяется на другой – «идентификация модели путем решения на ней серии обратных задач». В процессе проведения идентификации должен осуществляться подбор параметров модели. Для гидродинамических задач такими параметрами являются площадное питание, коэффициенты фильтрации, упругой и гравитационной водоотдачи и т.д. Для задач переноса растворенных в воде компонентов – коэффициенты гидродинамической дисперсии, сорбционной емкости, концентрации растворенных в воде компонентов непосредственно в источнике (если ее невозможно замерить опытным путем) и т.п. Качество решения обратных задач должно оцениваться по ряду критериев и ограничений - динамических, диагностических, физического правдоподобия, которые определяются экспертом – моделировщиком (Гавич И.К., 1980, 1988).
Структура функций калибровки модели показана на рисунке.
 |
А 2.5. Структура функций калибровки модели
Обычно в качестве контрольных точек используются режимные или разведочные скважины. Моделировщик должен иметь возможность выбрать в качестве контрольных точек все, или только те из них, которые он считает достоверными. Перед началом калибровки модели необходимо присвоить подбираемым параметрам некоторые начальные значения. Чем ближе эти значения будут к истинным, тем выше вероятность успеха. Начальные значения подбираемых параметров должны присваиваться по результатам опытных определений - полевых и (или) лабораторных. В случае отсутствия эксперт-моделировщик должен их задать на основе анализа косвенных данных, использования метода аналогий и т.п. Инструментальные средства должны обеспечивать доступ моделировщика к нужной для принятия решения информации, представлять ее в форме, удобной для восприятия и анализа.
Диапазоны возможных изменений значений подбираемых параметров задаются для оценки степени геологического соответствия модели реальному объекту. Начальные значения подбираемых параметров и диапазоны их изменения должны определяться на этапе создания концептуальной схемы. На этапе реализации функции А2.5.2 и А2.5.3 они могут изменяться, дополняться и уточняться. Выявляются и задаются зоны, для которых значения параметров не будут изменяться в процессе моделирования.
Далее должна решаться прямая задача. Качество подбора оценивается по совпадению вычисленных значений динамических функций (абсолютных отметок уровней и расходов потока) с заданными значениями в контрольных точках. В результате экспертом принимается соответствующее решение. При неудовлетворительном результате, например, могут корректироваться диапазоны изменения параметров, конфигурация зон их задания, начальное распределение искомых параметров, значения параметров, которые считаются известными и неизменными в процессе решения данной задачи и т.п. После этого решение прямой задачи и оценка результатов повторяется. Калибровка модели – достаточно трудоемкая процедура. Однако ее полная автоматизация далеко не всегда гарантирует получение приемлемого результата. На наш взгляд, наиболее перспективным является применение методов оптимального управления в сочетании с экспертным подходом [Веселов В.В., Паничкин В.Ю., 1999, 2001, 2002]. Смысл его заключается в следующем. Задание исходных параметров модели, интервалов их возможных изменений, а также грубая калибровка модели осуществляется экспертом. Автоматизированная система должна предоставлять ему для этого всю необходимую информацию в удобной форме, а также обеспечивать реализацию того или иного принимаемого решения. Тонкая калибровка должна осуществляться автоматически с применением методов оптимального управления.
Процесс должен повторяться до получения удовлетворительных с точки зрения эксперта результатов. Если описанным способом невозможно получить приемлемые значения подбираемых параметров, могут приниматься решения, например, об изменении сеточной аппроксимации моделируемой области, внесения изменений в концептуальную модель, в управляющие параметры, принципы схематизации гидрогеологических условий и т.п.
Решение задачи на сформированной и откалиброванной модели осуществляется с помощью программных средств, входящих в систему математического моделирования. Эти средства должны обеспечивать решение дифференциального уравнения, описывающего имитируемый процесс, численным методом, вычисление балансовых составляющих потока подземных вод и транспорта растворенных в них компонентов, окончательное оформление результатов.
Результаты решения должны представляться в графической форме, в виде карт изолиний и (или) зон, разрезов, изображений поверхностей в изометрии, изображений трехмерных картограмм. Программные средства должны обеспечивать отображение динамических параметров, задаваемых по внешним и внутренним границам модели в виде различных графиков – раздельных и (или) совмещенных.
Обязательно должна быть возможность экспорта результатов моделирования в форматы, используемые геоинформационными системами, графическими редакторами, автоматизированными системами проектирования, специализированными графическими программами (например, SURFER) для построения различных совмещенных карт, отображающих исходные данные, использованные для создания модели и результаты моделирования.
 |
|
 |
|||||||||
Предыдущая глава |
Следующая глава |