Инструментарий — моделирование

Программ, а чаще даже программных комплексов для создания геофильтрационных моделей создано великое множество. Одних только классификаций можно придумать штук несколько: аналитические, полуаналитические, численные, конечно-разностные и конечно-элементные, профильные, радиальные и трехмерные и т.д. и т.п. Конечно же я не могу похвалиться досканальным знанием каждой из них. Более того, относительно хорошо я разбираюсь от силы в двух-трех программных комплексах.
Одной из самых популярных программ для гидрогеологического моделирования является разработка Геологической Службы США — MODFLOW. Программа работает в консольном режиме, принимая на входе специально сформированные текстовые файлы, и на выходе — тоже файлы. Не сложно догадаться, что эффективно работать с такой программой в «голом» виде решительно невозможно. Для облегчения труда модельеров было создано множество т.н. препроцессоров — программ, предназначенных для удобной и интерактивной подготовке данных для MODFLOW. Большинство из них также представляют инструментарий для визуализации полученных результатов расчетов.
К таким препроцессорам относятся такие программы как: GMS, Visual Modflow, PMWin и многие, многие другие.
У каждой программы есть свои достоинства и недостатки. GMS, к примеру, являясь мощным мультипроцессорным комплексом с весьма развитой Gis-оснасткой, в тоже время не может похвастаться особой стабильностью в работе, особенно с большими объектами.
Visual Modflow — наоборот достаточно стабилен, но в нем крайне сложно работать с моделью на уровне отдельных ячеек (впрочем, у GMS с этим тоже не все в порядке, хотя и получше) и список поддерживаемых программ-процессоров ограничивается собственно самой MODFLOW, PEST и парой довесков для расчета геомиграции.
Своим ученикам (да, я преподаю моделирование на курсах повышения квалификации) я всегда советую начинать с простого, но очень мощного (не в последнюю очередь, благодаря своей простоте) программного пакета Processing Modflow (PMWin).
Об этой замечательной программе я буду еще много писать — это мой любимый инструмент, в ней я делаю 90% своих моделей. К её несомненным достоинствам стоит отнести удобство и интуитивную простоту работы с модельной сеткой. Ну, а самое главное — программа не делает попыток думать за пользователя. Это сперва кажется не очень удобно, особенно в процессе обучения, зато когда сталкиваешься с реальной проблемой, все эти свистелки и перделки только мешают. Работая в PMWin, ощущаешь модель на самом низком уровне — ниже только вручную файлы набивать. В то же время, при должном умении, создание модели «с нуля» в этой программе занимает не больше времени, чем в более навороченных аналогах.

Инструментарий

Мне очень хочется рассказать про все имеющееся в арсенале специалиста гидрогеолога-модельера программные средства, но это займет не один пост. И, пожалуй, даже и не два — посмотрим, как дело пойдет.
Поэтому начну с того, с чем регулярно приходится работать лично мне. Опишу свой, как говорится, workflow.
Создание геофильтрационной модели как правило происходит в несколько этапов:
1) Сбор и анализ имеющихся материалов. Если со сбором всё более или менее понятно — поднимаются связи в региональных фондах, достаются полулегально (о причинах этого маразма я обещаю как-нибудь рассказать) колонки скважин и отчеты по изысканиям, детальные карты и т.п.; то с анализом всего этого, нарытого праведно и неправедно добра, часто возникают затруднения. Лично мне удобнее работать с цифровыми данными, поэтому в первую очередь я перевожу все бумажные материалы в цифровой вид. Сканирую текст отчетов, карты (о них, кстати, будет еще много записей в этом блоге, ибо тема весьма благодатная), вбиваю в табличном виде содержимое колонок и так далее. Инструменты на данном этапе использую следующие: программа для сканирования и распознавания текста; Golden Software Surfer — для интерполяции точечных данных; GIS Mapinfo — привязка и векторизация карт и схем, а также создание новых (об этой замечательной программе я тоже еще буду много рассказывать); Microsoft Excel — ну, это понятно: работа с любыми табличными данными. Много еще каких программ используются на этом этапе по мере необходимости, но эти четыре поменяются мною всегда.
2) Второй этап — самый муторный, заключается в подготовке полученных на первом этапе данных к экспорту в программу моделирования. Тут используются все те же Excel и Surfer. Ну, и встроенные средства моделирующих программ, о которых позже.
Про следующие этапы — непосредственно моделирование и визуализацию результатов я расскажу в следующий раз.

Философское

Среди заказчиков и даже коллег смотреть бытует мнение, что мол «сейчас сделаем модель и выясним, как там все под землей творится».
Лично мне кажется, что использовать гфм в качестве инструмента познания — это ставить телегу перед лошадью.  Только когда у исследователя уже сложилась в голове четкая картина «мира», тогда следует приступать к моделированию. Но никак не наоборот — рассчитывая из каши в голове получить готовый обед из 16 блюд, который  представляет собой хорошая модель, если оставаться в рамках кулинарной терминологии.
Не получится, увы.

Для чего это все нужно

Если честно, то я пока толком и не придумал — зачем мне этот блог. Просто как то так получилось, что в голове возникло несколько мыслей, не поделиться которыми я не могу, а подходящей площадки для мыслеизлияния как-то не случилось поблизости. Всякие там фейсбуки с ЖЖ и вконтакты с гуглобаззами меня не прельстили. В общем, формат персонального стенд-алон блога мне на данном этапе кажется наиболее органичным.
Ах, да, что я тут, собственно говоря распинаюсь. Для чего нужно геофильтрационное моделирование. В первую очередь, гфм используется при оценке запасов подземных вод, являясь одним из наиболее популярных инструментов определения оптимального дебита скважин, зон санитарной охраны и т.д.
Гфм широко используется при проектировании гидротехнических сооружений. Моделирование часто необходимо при выборе методов защиты подземных вод от загрязнения. Ну, и мой так-сказать «конек», при оценке воздействия проектируемых сооружений или инженерных мероприятий на подземную гидросферу.
Прикладных областей применения геофильтрационного моделирования, на самом деле, еще очень много. Сходу я их всех и не упомню. Но обещаю по мере прояснения памяти дописывать этот пост.
А вот применение гфм при фундаментальных исследованиях лично мне всегда казалось несколько притянутым за уши. Впрочем, это вопрос дискуссионный и заслуживает отдельного поста.

Начало

Начнем потихоньку. Начну, пожалуй, с краткого рассказа о себе. Я — гидрогеолог. Занимаюсь, как не сложно догадаться — гидрогеологией. Если быть совсем уж точным, то прикладной её частью — так называемым геофильтрационным моделированием.
Пару слов от том, что это такое. Движение подземных вод (основной объект изучения науки гидрогеология) имеет четкие закономерности, которые поддаются аналитическому, а в сложных случаях — численному расчету. Тут, кстати, нельзя не вспомнить добрым словом человека, который впервые описал математически большую часть этих закономерностей, на днях ушедшего от нас Всеволода Михайловича Шестакова. Царствие ему.
Так вот, моей работой является создание численных геофильтрационных моделей. Тут есть небольшой нюанс в терминологии: моделью часто называют, как сам инструментарий моделирования, так и сам результат работы этого инструментария. В основном я работаю с уже имеющимся инструментарием и создаю с его помощью модели, описывающие локальные закономерности движения подземных вод. Впрочем, парочку своих «инструментов» я все же создал, под чутким руководством старших товарищей, конечно.
В следующий раз я расскажу о том, для чего все эти старания.