Subsurface and groundwater hydrology: Basic theory and application of computational methods

Коллега поделился замечательной книгой под авторством Tuomo Karvonen, профессора Helsinki University of Technology Department of Civil and Environmental Engineering: Subsurface and groundwater hydrology: Basic theory and application of computational methods. Книга представляет собой несколько упрощенную версию известной монографии Wolfgang Kinzelbach “Groundwater modelling”.
Раньше книга была выложена на личной странице автора, которая уже давно недоступна, да и сам автор пропал с экранов радаров. Думаю, я никому не наврежу, если выложу её в публичный доступ — не пропадать же такому добру.

How the Aquifer Works

Русская инструкция к MODFLOW

Вы не поверите, что я откопал! Я нашел частичный перевод инструкции к программе Processing Modflow 5-й версии. Я знал, что он существует — его делал мой научный руководитель в универе М.М. Кузнецов, но поскольку я достаточно свободно владею техническим английским, то мне он как-то не особо был нужен и я его не сохранил. Наткнулся я на него в профильном сообществе вКонтакте. В общем, кому надо, качайте: русскую инструкцию к Processing Modflow 5.3.
Версия конечно старая, но это во всяком случае лучшее из того, что есть. Кроме того, основные положения с тех пор практически не поменялись. Считайте это моим новогодним подарком читателям.

Кстати, о «верховодке»

Отчеты инженеров-геологов частенько грешат неправильным употреблением терминов «верховодка» и «грунтовые воды». Важно понимать, что это разные вещи.
«Верховодка» — локальный водоносный горизонт, невыдержанный по простиранию и времени существования, образующийся как правило в верхней части разреза в виде линз воды над относительно слабопроницаемыми грунтами (тоже часто залегающими в виде линз).
Грунтовый водоносный горизонт — первый от поверхности земли выдержанный по простиранию и времени существования водоносный горизонт.
Кстати, в чистом виде MODFLOW формирование «верховодки» считать не умеет. Т.е. если вам вдруг досталась задача по расчету осушения «верховодки», то либо придется менять инструмент, либо идти на «сделку с совестью» — считать её как полноценный водоносный горизонт, что приведет к заведомо завышенным расходам, а часто вообще невозможно в силу особенностей строения верхней части разреза.
Если же вода вскрыта не всеми скважинами, а водоупор не линзообразный, то это т.н. «горизонт спорадического распространения». Формально, каждая верховодка — горизонт спорадического распространения, но не каждый горизонт спорадического распространения — верховодка.

Чудеса нашего городка

С занятным гидрогеологическим казусом столкнулся при выполнении одной работы. Объект в центре Москвы, недалеко от одноименной реки.
Разрез представлен сверху вниз: техногенными грунтами, современным аллювием (сверху пески крупные и даже гравелистые, ниже — мелкие), флювиогляциальными отложениями разного состава (пески, суглинки), карбонатными отложениями каменноугольного периода.
Воду изыскатели нашли в крупных аллювиальных песках. Причем водоупором для них служат — барабанная дробь... мелкие аллювиальные пески, которые оказались абсолютно сухими. Пески чистые, промытые, т.е. повышенного содержания пылеватых и глинистых частиц не обнаружено. Следующий водоносный горизонт вскрыли только в нижней части водно-ледниковых отложений (установившийся уровень существенно ниже первого горизонта).

Я бы с радостью списал такую картину на «верховодку», которая образовалась на относительно слабопроницаемых мелких песках после сильного ливня, прошедшего накануне изысканий. Да одна беда: изыскания проводились несколькими независимыми фирмами, в разные годы и в разные периоды года.
И все нарисовали одну и ту же картину — полноценный водоносный горизонт с водоупором из песков. Понимая, что выглядит все это очень странно, называют этот горизонт «верховодкой», которой тут и не пахнет, судя по всему.
Что с этим делать, как объснить, а главное — как моделировать влияние стены в грунте, закопанной аж на 40 метров, я пока не придумал.

Новости нашего законодательства: обновили СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства.

Обновился СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства (СП 47.13330.2012).
Сам документ в последней редакции можно скачать по ссылке: http://iziskately.ru/download/office_....pdf.
Всех изменений пока не знаю, но уже нашел неприятные моменты. В частности, пункт 4.9 из старой редакции стал пунктом 4.24 и существенно дополнился.
Было:

4.9 Средства измерений, применяемые при инженерных изысканиях для строительства, подлежат государственному метрологическому контролю и надзору, выполняемому аккредитованными метрологическими службами в порядке, установленном Госстандартом России.

Стало:

4.24 Средства измерений, применяемые в инженерных изысканиях, подлежат государственному метрологическому контролю и надзору. Применяемое программное обеспечение дожно быть сертифицированным. Применение нестандартного уникального или инновационного оборудования должно быть обосновано в утвержденной заказчиком программе работ.

Одним словом, вольница для гидрогеологов, о которой я писал ранее, похоже, заканчивается. Ситуация складывается крайне неприятная: сертификат то есть только у Геолинка, который очень умно отказался от поддержки своей программы (в частности, они перестали проводить курсы по обучению моделированию в ModTech), а ни у одной из версий MODFLOW, которыми весь мир пользуется, — нет и никогда не было. И совершенно не факт, что когда-либо появится, поскольку серьезно их дистрибуцией у нас никто не занимается.

Перевод отметок рельефа из Autocad в табличный вид

При подготовке данных для моделирования весьма часто возникает необходимость в конвертации отметок рельефа из геоподосновы, сохраненной в формате Autocad DWG, в табличный вид (типа X, Y, Z) для того, чтоб скормить эти данные какому-нибудь интерполятору (Surfer или встроенный в PmWin “Field Interpolator”).
Я почти уверен точно знаю, что эта задача может быть легко и быстро решена с помощью самого Autocad — достаточно запустить соответствующую программу на LISP-е и радоваться жизни. К сожалению, я LISP-а не знаю, да и вообще не являюсь большим специалистом в автокаде.
В современных версиях автокада эта проблема решается еще проще: через инструмент, расположенный в пункте меню Tools\Data Extraction. Инструмент довольно мощный, но в нестандартных случаях возможно придется повозиться.
Но проблему как-то надо решать. Я предлагаю использовать для этого MapInfo (согласен, для кого-то это выглядит сменой шила на мыло). Далее по пунктам:

1. Конвертируем слой с отметками (желательно, чтоб слой содержал только отметки в текстовом виде, без самих точек) из формата Autocad DWG  в формат MapInfo TAB (с помощью встроенного в MapInfo мини-приложения Universal Translator).
2. Подчищаем полученную таблицу от нетекстовых элементов: это можно сделать несколькими способами, наиболее удобный и быстрый — мини-приложение MapCad, но можно и с помощью Query Select и функции ObjectInfo(obj, 1), но там придется сначала создать дополнительный столбец в таблицу, занести него результат выполнения функции ObjectInfo(obj, 1), а уж потом делать Query Select по этому столбцу, выбирая значения, отличные от 10 (а 10 — это как раз текстовые).
3. Еще разок запускаем Update Column (создайте новый столбец с типом float или смените тип существующего столбца) с той же функцией, но с другими параметрами: ObjectInfo(obj, 3). Если все сделано правильно, то в вашей таблице появится столбец типа float с отметками рельефа.
4. Запускаем мини-приложение Coordinate Extractor: в таблице теперь будут столбцы с координатами центра текстовой подписи отметки рельефа. Вот тут важно отметить явный недостаток рассматриваемого метода: наши точки будут немного смещены относительно реальных отметок — ровно на столько, на сколько отличаются координаты середины метки от координат точки замера. Если вы страдаете перфекционизмом, то эту проблему можно решить с помощью простейших математических операций со свежеполученными координатами.
5. Запускаем Table/Create Points, если хотим заменить тектовые метки на точки (а уж сами метки пусть MapInfo своими силами рисует, благо соответствующий столбец в таблице уже есть).
6. Экспортируем полученную таблицу в нужный текстовый формат (txt или csv).

Метода только выглядит громоздко, на самом же деле, у меня уходит на все эти действия не больше минуты — главное не сбиваться и соблюдать порядок действий.

О калибровке модели

Нельзя упускать возможность калибровать модель (ну, т.е. решать обратную задачу) не только по значениям напоров в скважинах, но и по какой-нибудь расходной статье: дебит родника или самоизливной скважины; прирост расхода реки за счет подземного стока и т.п.
В этом случае качество и обоснованность решения обратной задачи существенно возрастает. И вот почему. Если вспомнить закон Дарси:
u=k\cdot I
то не сложно заметить, что нельзя определить k, не зная u и I, т.е. подбирать коэффициент фильтрации, основываясь только на знании градиента, — можно конечно, но для этого обладать большим разнообразием хорошо обоснованных граничных условий, а не только одну границу I-рода по периметру модельной сетки, т.к. при таком раскладе модель может вообще не давать изменения градиента при подборе коэффициента фильтрации. А все вариации будут выражены в изменении расхода потока. Можете сами проверить на простейшей тестовой модели.
Когда речь идет о серьезных гидрогеологических исследованиях, то эта рекомендация превращается в обязательное требование.