МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СЫРДАРЬИНСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА
реклама
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СЫРДАРЬИНСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА В.Ю.Паничкин, О.Л.Мирошниченко, Л.Ю.Трушель, Н.М.Захарова, Ж.Ерикулы Институт гидрогеологии и геоэкологии им.У.М.Ахмедсафина МОН РК Для территории Сырдарьинского бассейна единственным надежным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения являются подземные воды. Но массированный неконтролируемый отбор подземных вод может привести к ухудшению их качества, истощению запасов, негативно повлиять на поверхностные водотоки и водоемы, состояние растительного покрова и т.п. Решение задач рационального использования ресурсов подземных вод, защиты их от истощения и загрязнения возможно только с применением методов геоинформационного и математического моделирования [1]. Модель гидрогеологических условий Сырдарьинского артезианского бассейна создана в Институте гидрогеологии и геоэкологии им.У.М.Ахмедсафина. Концепции моделирования изложены в [1]. Разработанная методика моделирования включает в себя создание геоинформационной модели, разработку на ее основе математической модели, ее калибровку, решение нескольких вариантов прогнозных задач, оформление и анализ результатов, а также разработку рекомендаций по рациональному использованию ресурсов подземных вод. Технология моделирования в значительной степени определяется особенностями выбранных инструментальных средств. Структура информационной базы геоинформационно-математической модели гидрогеологических условий Сырдарьинского артезианского бассейна приведена на рис. 1. Геоинформационная модель создавалась с помощью MapInfo 10 и ArcGIS 10. Для создания математической модели гидрогеологических условий Сырдарьинского артезианского бассейна была выбрана система моделирования GMS 9. Конвертирование результатов моделирования в ArcGIS для их последующего оформления осуществлялось программой MODFLOW Analyst. Подробное описание инструментальных средств и их функциональных возможностей приводится в [2-5]. Проанализировав цели моделирования и состав необходимых для разработки математической модели исходных данных, требования к форме их представления, было принято решение о создании векторной ГИС [6]. Перед векторизацией картографические материалы сканировались, изображения карт привязывались в географической системе координат WGS-84. Каждому графическому объекту присваивался порядковый номер (код), с помощью которого затем связывалась соответствующая атрибутивная информация. Оцифровка осуществлялась в пределах выбранной границы исследуемой области. Рисунок 1 - Структура информационной базы геоинформационноматематической модели гидрогеологических условий Сырдарьинского артезианского бассейна Из отдельных слоев в дальнейшем составлялись карты, необходимые для анализа исходных данных, схематизации гидрогеологических условий, а также формирования в соответствии с результатами схематизации карт специальных гидрогеологических параметров для создания математической модели. Одним из преимуществ ГИС по сравнению с другими графическими программами является возможность связывания с графическими объектами содержательной (атрибутивной) информации [7]. Это позволяет в дальнейшем автоматизировать ее обработку. Для каждого слоя необходимо составить список атрибутов и выполнить их описание. После завершения составления списка атрибутов и определения их свойств для каждого графического объекта в диалоговом режиме вводятся значения их атрибутов. При создании ГИС исследуемой области использовалась и другая технология связывания с графическими объектами атрибутивной информации. Таблицы атрибутивных данных создавались автономно, с помощью Excel. Каждая колонка таблицы соответствовала тому или иному атрибуту. Каждая строка таблицы соответствовала тому или иному графическому объекту слоя. Для установления однозначного соответствия строки таблицы определенному графическому объекту использовался код – целое число, которое присваивалось графическому объекту при его создании с помощью ГИС в соответствующей строке в таблице атрибутивной информации. С помощью этой технологии вводились, в частности, сведения по месторождениям подземных вод, расположенным на исследуемой территории, данные по режиму подземных вод и т.п. Технология формирования математической модели включала в себя формирование массивов исходных данных для модели, создание проекта модели и конвертирование исходных данных в форматы GMS, создание концептуальной модели, проектирование сеточной аппроксимации моделируемой области и отображение концептуальной модели на сеть. Массив исходных данных для создания математической модели гидрогеологических условий Сырдарьинского бассейна формировался средствами ГИС путем выборки нужных сведений из ранее созданной графической базы данных. Использовались также данные SRTM и некоторые другие дополнительно введенные данные. Проект модели создавался средствами GMS. Затем считывались подготовленные на предыдущем этапе текстовый файл с абсолютными отметками подошв слоев модели, данные SRTM, шейп-файлы с картами гидрогеологических параметров для каждого слоя модели, границами и типами граничных условий моделируемой области для каждого слоя. Затем была сформирована концептуальная модель объекта. Концептуальная модель описывает границы и граничные условия моделируемой области, структурные элементы модели (слои), параметры структурных элементов, зоны питания и разгрузки и т.д. Испарение с поверхности грунтовых вод задавалось на модели с помощью разновидности граничных условий III рода – EVT package [4]. На исследуемой территории в разное время функционировало порядка 2000 самоизливающихся скважин, фильтры которых установлены в меловых водоносных горизонтах. Дебит этих скважин зависит от положения пьезометрической поверхности подземных вод мелового горизонта относительно поверхности земли. Вода из скважин выливается на поверхность земли и часть ее фильтруется в неоген-четвертичный горизонт грунтовых вод. Для имитации работы самоизливающихся скважин на модели использована разновидность граничных условий III рода DRT (Drain Return Package) [4]. Для создания сеточной аппроксимации моделируемой области использовались инструменты модулей Map и 3D GRID системы моделирования. При создании модели гидрогеологических условий Сырдарьинского артезианского бассейна исследуемая область аппроксимирована ортогональной равномерной сетью с шагом 5000 м. Размерность сети в плане M x N = 232 x162. В разрезе сеть состоит из 22 блоков. Общее количество расчетных блоков порядка 500000. Для доказательства адекватности созданной модели существующим гидрогеологическим условиям выполнялась ее калибровка. Она включала в себя решение обратной стационарной и обратной нестационарной задач. При решении обратной стационарной задачи на модели подбирались значения площадного питания, испарения с поверхности грунтовых вод, коэффициенты фильтрации водовмещающих пород, а также параметры граничных условий модели. Для решения дифференциального уравнения, описывающего моделируемый процесс фильтрации, была использована одна из разновидностей метода сопряженных градиентов – Preconditioned Conjugate Gradient Solver with Improved Nonlinear Control. Описание алгоритма решения приведено в [8]. При решении обратной нестационарной задачи на модели подбирались значения емкостных параметров модели, уточнялись граничные условия модели. Всего для калибровки модели были использованы сведения по более чем 4500 скважинам, большая часть которых приурочена к неогенчетвертичному и верхнетурон-сенонскому водоносным комплексам. Разработанная в Институте гидрогеологии и геоэкологии им.У.М.Ахмедсафина методология, методика и технология геоинформационно-математического моделирования была успешно апробирована в процессе создания модели гидрогеологических условий Сырдарьинского артезианского бассейна. На созданной математической модели решены прогнозные задачи сроком на тридцать лет (до 2045 г.) по двум вариантам – сохранение существующего на конец 2013 года водоотбора и эксплуатация месторождений в рамках утвержденных запасов по сумме категорий. ЛИТЕРАТУРА 1. Паничкин В.Ю., Мирошниченко О.Л. Концепции геоинформационноматематического моделирования гидрогеологических условий Сырдарьинского артезианского бассейна для оптимизации использования ресурсов подземных вод //Известия НАН РК. Серия геологии и технических наук. – 2012. – № 6. - С. 82-87. 2. ArcGIS 9. ArcMap Tutorial. – 2006. 3. MapInfo Professional. Version 10.0. User Guide. – 2009. 4. GMS User Manual (v9.0). - 2013. 5. Arc Hydro Groundwater Tutorials. - 2012. 6. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС: Учебное пособие. Изд.2-е ис-правленное и дополненное. – М., 1997. – 160 с. 7. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях: Учебное пособие для вузов. – М.: Академический Проспект, 2005. – 352с. 8. Hill, M.C., 1990, Preconditioned conjugate-gradient 2 (PCG2), a computer program for solving ground-water flow equations: U.S. Geological Survey WaterResources Investigations Report 90–4048, 43 p.
