И еще разок о граничных условиях

Наткнулся на замечательную статью на сайте USGS (это уже становится традицией, не находите) о граничных условиях в геофильтрационном моделировании: System and Boundary Conceptualization in Ground-Water Flow Simulation — там внизу найдете ссылку на 3-меговую pdf-ку. С удивлением узнал, что разделение граничных условий по родам имеет место и в англоязычной литературе. Раньше мне это как-то в глаза не бросалось.

Как ускорить работу MapInfo

Думаю, для тех, кто много работает с этой программой, мой следующий совет новостью не станет, хотя лично я о этой функции частенько забываю. Так вот, если вы заметили, что MapInfo начал ни с того ни с сего заметно подтормаживать в процессе отрисовки карты при зуммировании или перетаскивании, то вам поможет функция Table\Maintenance\Pack Table, «натравленная» на самые большие открытые таблицы. Скорость работы возрастает на порядки. Не забудьте предварительно сохранить все таблицы и рабочее пространство (особенно его, т.к. в процессе «упаковки» таблицы будут закрыты).

Сертификат соответствия для Modflow

Есть у наших доблестных экспертов и представителей СРО такой пунктик: требовать от гидрогеологов сертификат соответствия и лицензию на расчетные программы. Вообще, согласно нашему законодательству, сертификация программных средств является добровольной и экспертам рекомендовано интересоваться наличием этих самых сертификатов соответствия. Насколько я помню, из всей массы программ для геофильтрационного моделирования сертификат есть только у Geolink ModTech, да и то не факт, что он до сих пор действителен. Modflow, являясь некоммерческой разработкой Геологической Службы США, такой сертификации не проходил. Кроме того, почему-то сертифицируют у нас не сам расчетный модуль (что было бы логично), а т.н. пре- и постпроцессоры. Вот, две полезные ссылки по теме:

1. http://csert.ru/doc/r3.htm
2. http://csert.ru/doc/letter.htm

Так что же делать, если эксперт требует этот несчастный сертификат. Первым делом — насторожиться, поскольку по моему личному опыту такой вопрос чаще всего возникает в случаях, когда эксперту поручено «зарезать» отчет. В качестве отписки могу лишь посоветовать отправить эксперту нижеследующий текст — иногда срабатывает. А вот что делать, если в уставе СРО прописано обязательное использование исключительно сертифицированных программных средств, я не знаю.

Справка об используемых программных средствах

В настоящее время наиболее разработанными и широко используемыми во всем мире для решения задач связанных с моделированием движения подземных вод являются программа MODFLOW и связанные с ней программы MODPATH, MT3DMS,PEST и некоторые другие. Начало разработки этого пакета программ положено более 20 лет и в настоящее время он является наиболее оттестированным и надежным. MODFLOW и связанные с ней программы фактически являются мировым стандартом для решения задач фильтрации и массопереноса. Большая часть задач, связанных с поземной гидросферой, решается на основе использования этих моделей. При порождении международных экспертиз часто требованием экспертов является именно использование этих программ.
В США MT3D и MODFLOW рекомендуются к использованию Агентством окружающей среды и Геологической службой. На сайтах этих организаций представлены тестовые примеры, подтверждающие правильность результатов расчетов, выполненных с помощью MODFLOW и связанных с ней программ.
Согласно Федеральному закону от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ «О техническом регулировании»: сертификация делится на обязательную и добровольную. Программные средства для гидрогеологических расчетов не включены «Перечень продукции, подлежащей обязательной сертификации». Таким образом, сертификация таких программ является добровольной.
В России MODFLOW и связанные с ней программы широко применяются в таких уважаемых организациях как: ГИДЭК, МГУ, СПГУ, НИИ ВОДГЕО, Гидропроект и многих других. Для подготовки данных и визуализации результатов расчетов при использовании MODFLOW и связанных с ней программ в нашей организации используется следующее программное обеспечение:

• PMWIN 5.1 — распространяется бесплатно.
• ModelMuse 2.13.0.0 — распространяется бесплатно.

Что же касается лицензий на дорогостоящие программные комплексы типа PMWIN 8.0, Visual MODFLOW, GMS и т.п., то все что я могу посоветовать — это купить их. Других вариантов у меня нет.

Важное дополнение! На сайте сертификационного центра выложен список сертифицированных программ: http://csert.ru/list.php. Вот цитата из него:

Обозначение программной продукции	Название программной продукции	№ сертификата соответствия и срок его действия.	Нормативные документы, на соответствие которым выдан сертификат соответствия
Подкласс 2.41. Защита от опасных геофизических воздействий.
Программа PMWIN. Версия 5.3	Геофильтрационные и геомиграционные расчеты на основе численных методов конечных элементов.	РОСС RU.СП15.Н00551 (28.11.2012 – 27.11.2014)	СНиП 2.04.02-84*, СНиП 22-02-2003, СП 116.13330.2012 (СНиП 22-02-2003), СНиП 2.06.15-85

Таким образом, у одной из версий PMWIN (древней, но к счастью бесплатной) таки есть сертификат. Осталось раздобыть где-нибудь его копию, дабы от экспертов отвязаться раз и навсегда.

Расчет самозатопления карьера

Решил поделиться одной своей наработкой из области горной гидрогеологии. Заранее оговорюсь: этот подход совершенно неуниверсален и крайне маловероятно, что получится его применить еще где-нибудь.

Постановка задачи:

Есть карьер, расположенный склоне небольшой горы (высотой примерно 800 метров). Глубина карьера составляет 550 м (абсолютная отметка дна карьера равна 410 м). Под горой протекает река с абсолютной отметкой уреза — 450 м. Расстояние от карьера до реки в среднем составляет 80 м. Периметр подгорной части карьера равен 100 м. Особенности рельефа нагорной части позволяют утверждать, что все атмосферные осадки в пределах области водосбора за вычетом испарения будут поступать только в карьер при любом уровне воды в нем. Области подземного и поверхностного водосбора совпадают. Водоупор находится на глубине 550 м и что важно — рельеф его кровли полностью повторяет рельеф поверхности.

Задача:

Надо посчитать за какой срок после окончания разработки и процедур осушения карьер наполнится водой и до какой отметки.

Решение:

Ну, с водопритоком с нагорной части все понятно:

Q_n=\left (\omega -\varphi \right )\cdot S...(1)
где:

• ω – среднегодовые атмосферные осадки;
• φ – испарение;
• S – площадь водосбора.

Воде на склоне некуда деваться и она либо поверхностным, либо подземным стоком неминуемо притечет в карьер. Чтоб увязать Q_n и q₁ из рисунка — надо разделить Q_n на периметр нагорной части карьера, но для расчета это не нужно.

Водоприток с подгорной части происходит за счет фильтрации подземных вод в/из реки. Приток (отток) подземных вод связан с уровнем воды в реке следующим выражением (при отсутствии поверхностнго стока, см. рисунок):

q_2=k\frac{h_{0}+h_{L}}{2}\cdot\frac{H_0-H_L}{L}-\frac{b(\omega -\varphi )}{2}L...(2)
где:

• q₂ – удельный расход потока;
• k – коэффициент фильтрации;
• h₀ – мощность потока вблизи карьера;
• h_L – мощность потока вблизи ручья;
• H₀ – уровень воды в карьере;
• H_L – уровень воды в ручье;
• L – расстояние между карьером и ручьем;
• b – коэффициент стока.

В данном выражении я увязал вместе две известных зависимости для фильтрации между двумя разноуровенными водоемами: при наклонном водоупоре и при наличии инфильтрации.

Формула приведена для расчета удельного расхода потока, для получения величины водопритока (Q_p) в карьер удельный расход должен быть умножен на периметр подгорной части карьера (P):

Q_p=q \cdot P...(3)

Дальше, казалось бы, задача превращается в очевидную: приравнять выражения (1) и (2) с учетом (3), но увы, тут нас ждет подвох. Дело в том, что выражении (2) присутствует величина H₀ (уровень воды в карьере), которая вообще-то зависит от объема притекшей на заданный момент времени воды в карьер, т.е. эта величина динамически изменяется в зависимости от текущего соотношения Q_p и Q_n. К тому же h₀ ( мощность потока вблизи карьера) равна в нашем безнапорном случае:

h_0 = H_0 - H_v...(4)
где:

• H_v – абсолютная отметка кровли водоупора на краю карьера, обращенном к реке;

Таким образом, мы приходим к классической ситуации: расход зависит от напора, а напор от расхода. Решение я опущу в силу его громоздкости, но поясню суть (если кому интересно, xls-ку можно скачать по ссылке: drive.google.com..., только не просите меня объяснить, как оно работает). Основные положения:

1. Зависимость уровня от объема поступившей воды — ступенчатая, в силу ступенчатости бортов карьера (на рисунке этого не видно, я поленился рисовать уступы).
2. Между «ступеньками» эта зависимость — линейная. Ну, тоже понятно, борта уступов почти линейны и имеют небольшой наклон. Тут я просто вытряс из проектировщиков объемы карьера на заданных отметках (кромках уступов) — предложил было аппроксимировать борт карьера усеченным конусом, но получил по рогам.
3. Выбираем шаг по времени Δt.
4. По формулам (1) и (2,3) считаем объем воды (Q_n + Q_p), поступивший в карьер к моменту времени Δt.
5. По выявленной ранее зависимости уровня воды в карьере от объема поступившей в него воды получаем новый уровень H₀.
6. Считаем водоприток, подставляя в выражение (2) уже новое значение H₀. Объем поступившей воды в карьер соответствует моменту времени 2Δt.
7. Повторяем последние два пункта пока не достигнем «стационара», т.е. до того момента, пока водоприток в нагорной части не уравняется с оттоком в сторону реки. Получаем искомую равновесную отметку воды в карьере и момент времени nΔt, когда произошло это радостное событие.
8. Попутно отмечаем момент, когда q₂ в выражении (2) меняет знак, т.е. подземный приток от реки сменяется на отток.

Краткий итог:

• Насколько я знаю, такая схема называется явной. Очевидно, она чувствительна к выбору шага по времени Δt.
• Важно помнить, что равновесный уровень воды в карьере теоретически может оказаться выше нижней кромки карьера, т.е. вода просто начнет переливаться через край и уйдет в реку поверхностным стоком (у меня на одном из карьеров так и случилось), и тут возникает большая неприятность с величиной ω-φ, но учитывать еще и это мне показалось совсем уж крохоборством.
• А еще там периметр P зависит от H₀ (при подъеме уровня в образующемся озере, очевидно, растет и его периметр) — это я тоже не стал учитывать, а вообще следовало бы т.к. результат оказался очень чувствителен к этому параметру.
• Этот нехитрый расчет вроде бы не очень сложно запихнуть в тот же MODFLOW, но я пока не обдумывал детали — наверняка всплывет какая-нибудь заковыка.

Вот и все. Если что непонятно — спрашивайте. Заметили ошибки — ругайте.

О языках

Уважаемые начинающие гидрогеологи-моделисты и им сочувствующие, всеми святыми заклинаю вас — учите английский язык. Без него вы гарантированно не состоитесь, как специалисты. К величайшему сожалению, отечественная школа геогидродинамики (одним из маленьких разделов которой и является фильтрационное моделирование) умерла вместе с Мироненко и Шестаковым. Но, как говорили классики, «заграница нам поможет»! Вы не представляете, сколько интересных статей публикуется в англоязычной научной периодике — у нас даже в лучшие годы не было и 10% от этого объема. А ныне и говорить даже не хочется. А как невообразимо прекрасны гидрогеологические группы в LinkedIn — но этом я уже говорил. Они закрыты, поэтому ссылку давать бестолку: ищите в поиске по запросу "MODFLOW","Groundwater Modeling", "Hydrogeology" и т.п.
Так что не надо спрашивать у меня ссылку на русское руководство к Modflow — даже если бы знал, не сказал. Учите язык. К счастью, гидрогеологический англо-русский словарь весьма прост в освоении.

Wanted: горные гидрогеологи

Уважаемые читатели моего блога, если среди вас присутствуют горные гидрогеологи или вы, паче чаяния знакомы с такими специалистами, убедительная просьба: свяжитесь со мной в комментариях к этой записи или по емейлу: water+blog@alick.ru. Есть несколько вопросов и возможно предложение о сотрудничестве.

С Днем Геолога!

Поздравляю всех коллег и сопричастных с профессиональным праздником!

Обожаю СНиП-ы

Перечитываю на досуге наш основной документ, дающий хлеб немалому количеству моих коллег — СП 11-105-97 Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Цитата:

8.4.18. Прогноз изменения гидрогеологических и инженерно-геологических условий на территориях развития подтопления при разработке проектной документации должен составляться в соответствии с требованиями пп. 6.7 и 6.20 СНиП 11-02-96, пп. 5.13 и 7.19 СП 11-105-97 (часть I) ), а также пп. 8.1.6, 8.2.12, 8.3.6, 8.3.7 и 8.3.15 настоящего свода правил.

Начинаем просматривать указанные ссылки, доходим до последней и вот что видим:

8.3.15. Прогнозы изменений гидрогеологических условий при изысканиях для разработки предпроектной документации на территориях развития подтопления должны выполняться в соответствии с пп. 8.1.6, 8.2.12, 8.3.6, 8.3.7 и приложением Л.

Замечательно. При всем уважении, всегда считал людей, пишущих СНиП-ы, обладателями весьма странного склада ума. Впрочем, еще более странным складом ума обладают писатели т.н. «пособий к СНиП-ам». Ведь предполагается, что они разобрались в содержании того документа, к которому пишут пособие. Это вообще за гранью добра и зла.