Пакет программ Программный продукт для 3D математического моделирования при решении

Пакет программ
Программный продукт
для 3D математического
моделирования при решении
гидрогеоэкологических задач
Ключевой инновационный проект РФЯЦ-ВНИИЭФ
«Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий»
2
Организации – участники разработки
пакета программ НИМФА
Санкт-Петербургское отделение
Учреждения Российской академии наук
Института геоэкологии
им. Е.М. Сергеева РАН
(СПбО ИГЭ РАН)
Казанский филиал Межведомственного
суперкомпьютерного центра РАН – НИИ
математики и механики им.Н.Г.Чеботарева
(НИИММ КПФУ - КФ МСЦ РАН) и
Институт вычислительной математики и
информационных технологий
(кафедра прикладной математики)
Казанского (Приволжского) университета
Институт проблем механики
Московский государственный
университет им. М.В. Ломоносова (МГУ,
Геологический факультет)
РФЯЦ
ВНИИЭФ
Программный
комплекс
Московский физико-технический
институт
(МФТИ, Факультет управления и
прикладной математики)
Санкт-Петербургский
государственный университет (СПбГУ,
Геологический факультет)
3
Основное предназначение
Основное предназначение комплекса программ
НИМФА - численное моделирование
распространения загрязнения в трех средах:
В атмосфере
В поверхностных водах
В подземных водах
4
Области применения пакета программ НИМФА
Нефтегазодобыча



Природопользование
и геоэкология
Оптимизация
схем
разработки
месторождений;
Прогнозирование
повышения
нефтеотдачи;
Контроль, планирование и обработка
результатов
комплексных
гидродинамических и миграционных
испытаний пластов и скважин.


Создание
постоянно-действующих
моделей для ведения мониторинга сред на
техногенно нагруженных территориях;
Создание
экспертных
систем
для
принятия обоснованных управленческих
решений в условиях интенсивного
техногенного воздействия на природную
среду.
5
Области применения пакета программ НИМФА
Экология и
гидрогеология




Прогноз последствий штатной эксплуатации и аварийного воздействия
предприятий на поверхностные объекты и подземное пространство;
Оценка эффективности мер по предотвращению загрязнения поверхности и
подземного пространства, например, при сооружении миграционных завес,
оптимизации технологического цикла и т.п.;
Выбор площадок для АЭС, разработка
адаптированных сценариев штатного и
аварийного воздействия предприятий
ЯТЦ на окружающую среду;
Прогнозирование воздействия, в том
числе долгосрочного, на природную среду
при
захоронении
(окончательной
изоляции) радиоактивных и токсичных
отходов в поверхностных и подземных
хранилищах (могильниках);
6
Области применения пакета программ НИМФА
Горнодобывающа
я отрасль







Моделирование извлечения больших объемов подземных вод для хозяйственнопитьевого водоснабжения и водопонижения при добыче полезных ископаемых,
расчет ущерба поверхностному и подземному стоку;
Расчет водного баланса территорий, в том числе, расчет взаимосвязи
поверхностных и подземных вод в увязке с погодными и климатическими
факторами (учет влияния снеговых и дождевых паводков, твердого стока и
заиления и т.п.);
Добыча полезных ископаемых методом выщелачивания (золото, уран, соли);
Оценка эффективности мероприятий по снижению водопритоков к горным
выработкам, например, гидравлических завес и оптимизация дренажных систем;
Засоление горизонтов пресных подземных вод на приморских территориях за
счет проникновения морской воды;
Обратная закачка дренажных рассолов
горнорудных предприятий, в том числе в
мерзлую зону;
Удаление
технологических
отходов,
например, оценка влияния отвалов пустых
пород,
шламои
хвостохранилищ
попутных рассолов путем закачки в
подземные горизонты и т.д.
7
Организация пакета НИМФА
Окно
редактирования
данных
Пользователь
Оболочка комплекса
Редактор
начальных
данных
Решатель
Визуализация
Постобработка
Консольное окно.
Протокол расчёта.
Файлы
импорта
Файлы
начальных
данных
Данные из
внешних
источников
Выдачи
Результаты
обработки
Визуализация и постобработка
8
Дополнительные модели
Течение в заглинизированном пласте
Трещиновато-пористая
пористости)
среда
(модель
двойной
Неньютоновские течения (вязкая нефть)
Модель развития карстовых трещин
Тритий/гелий-3 метод определения возраста молодых
подземных вод
Экспертные системы для оптимизации защитных мер по
произвольному набору параметров (нейронная сеть)
12
Новые модели
Модель поверхностного стока
Модель снеготаяния и весеннего паводка
Модель геомеханики
Модель переноса аэрозолей в атмосфере
Модель устойчивости бортов карьеров
Миграция радионуклидов на коллоидах
Модель распространения сейсмических волн и
влияние их на сооружения
13
Сервис
Визуализатор
данных
Графический
интерфейс
пользователя
Информационносправочная система
База данных
Конверторы
данных в широко
применяемых
форматах (Eclipse,
ModFlow, Surfer и
др.)
14
Иллюстрации расчетов.
Расчеты защитных экранов
Без экрана
Без экрана
Экран из глины
Экран из глины
Расчётная карта
региональной модели
Экран из сорбирующего геля
Поле концентрации в плане (вид сверху)
Экран из сорбирующего геля
Поле концентрации в вертикальном разрезе
15
Иллюстрации расчетов.
Расчет поверхностного стока
Уровень водного слоя в расчетной области на разные моменты времени
Гидрологический рельеф
поверхности фрагмента
бассейна р. Меша
(р.Татарстан)
Зависимость толщины
слоя воды в створе реки
Меша (р.Татарстан) от
времени
16
Иллюстрации расчетов.
Нижнекамский промышленный узел
Заказчик:
ФГУП
Геоцентр РТ»
«НПО
Число ячеек:
~ 68 млн.
Число процессоров:
256
Трёхмерная модель
Граница моделируемой области
Цель исследования: выработать рекомендации по режиму
эксплуатации Галиевского месторождения пресных подземных вод и
техническим мероприятиям по защите подземных вод от загрязнения
Область
распространения
загрязнений
Результат: Получен прогноз на ближайшую перспективу (10-30 лет) по двум вариантам миграционного
моделирования: в естественном гидрогеологическом режиме состояния очага загрязнения и с учетом
технических мероприятий по его локализации
17
Иллюстрации расчетов.
Илецкое месторождение каменной соли
Заказчик: ОАО «ВНИМИ»
Размещение
гидрогеологических объектов
Число ячеек:
32 млн.
Число процессоров:
4 800
Изменение поля напоров
Цель исследования: выработать рекомендации по безопасному режиму эксплуатации Илецкого месторождения
каменной соли. Под безопасным режимом эксплуатации подразумевается промышленная и экологическая
безопасности.
Результат: Определены наиболее вероятные участки развития поверхностного и глубинного карста.
Основной объем загрязняющих компонентов – хлоридов и сульфатов – в реки, протекающие в
районе месторождения поступает из-за пределов территории рудника. Эксплуатация рудника № 2 не
оказывает негативного воздействия на качество подземных и поверхностных вод.
18
Иллюстрации расчетов.
Модель района Токтогульского водохранилища.
Заказчик: Институт водных
проблем и гидроэнергетики
Национальной
академии
наук
Кыргызской
Республики
Расчётная модель
Карты бассейна
Токтогульского
водохранилища
Цель исследования: Прогнозирование качества и уровня воды Токтогульского водохранилища.
Результат: Создана динамическая модель течения подземных вод окрестностей Токтогульского
водохранилища. Особенность модели – перепад высот 3км.
19
Иллюстрации расчетов.
Площадка Балтийской АЭС
Заказчик: ОАО «СПб НИИИ
Энергоизыскания»
Число ячеек:
98 млн.
Число процессоров:
10 000
Карта моделируемой области
Поле напоров при работе водозабора
Цель
исследования:
Обоснование
Трёхмерная модель
безопасности
строительства
водозабора подземных вод в долине р.Неман для Балтийской АЭС
Результат: Создана геофильтрационная модель участка Балтийской АЭС. Обосновано безопасное
местоположение и объем водозабора для Балтийской АЭС, а именно, показано, что:
1. Понижение уровня подземных вод на водозаборных скважинах не превысит предельно
допустимого.
2. Депрессионная воронка не достигнет площадки строительства АЭС.
20
Иллюстрации расчетов.
Сейсмобезопасность АЭС
(математическое моделирование волнового воздействия)
Отдельное здание
Модель контайнмента
Модель района площадки
Балтийской АЭС с распределением
напоров при работе скважин
Фрагмент модели с
распределением упругих свойств
Волновая картина
21
Иллюстрации расчетов.
Комплексный расчёт распространения радионуклидов.
Площадка Балтийской АЭС
Гипотетическая авария
•последствия выброса диспергированных радиоактивных веществ за пределы
контеймента станции
Направление ветра (по наихудшему сценарию):
•от станции в сторону населённого пунктов г. Краснознаменск
Моделируемая область в плане
Цель
исследования:
Анализ
безопасности
с
расчётом
всех
возможных аварий и оценкой их
последствий на стадии обоснования и
утверждения проекта Балтийской АЭС
Миграция радиоактивной примеси при выбросе на
АЭС (две разномасштабные по времени стадии):
•На первой стадии рассматривается распространение радиоактивных
примесей при мезомасштабном переносе в атмосфере. На больших временах
формируются области радиоактивного заражения местности за счёт
гравитационного осаждения примеси на поверхность земли (ПП ПРОГНОЗ);
•На второй стадии радиоактивная примесь поступает через почву в
подземное пространство в результате процессов инфильтрации влаги на
поверхности, в том числе выпадающей в виде осадков (ПП НИМФА).
22
Иллюстрации расчетов.
Комплексный расчёт распространения радионуклидов.
Площадка Балтийской АЭС
Первая стадия расчета
ЗD карта со стороны г.
Краснознаменск, t=3 часа
Космический снимок (вид со
стороны АЭС), t=1 час 30 мин
Вывод по первой стадии расчета: В первые 3 часа после аварии люди, расположенные в этих зданиях
должны быть эвакуированы. Решение по их эвакуации должно приниматься МЧС России.
23
Иллюстрации расчетов.
Комплексный расчёт распространения радионуклидов.
Площадка Балтийской АЭС
Вторая стадия расчета
Размещение пятна загрязнения
на начальный момент времени
Распространение пятна
загрязнения через 10000 суток
Распространение пятна
загрязнения через 30000 суток
Вывод по второй стадии расчета: На момент 10000 суток пятно загрязнения дойдёт до первого
водоносного слоя. Хотя проницаемость первого водоносного слоя не велика, из этого слоя
подпитываются поверхностные реки. То есть можно ожидать, что радиоактивное загрязнение через
10000 суток может быть обнаружено в реках.
Через 30000 суток загрязнение достигнет второго водоносного слоя, который, как правило,
используется для питьевого водоснабжения.
24
Иллюстрации расчетов.
Комплексный расчёт распространения радионуклидов.
Площадка Балтийской АЭС
Рассмотренный сценарий радиоактивного выброса и его переноса в атмосфере даёт 3 часа
для активного вмешательства силам МЧС по предотвращению серьёзных последствий для
населения г. Краснознаменск.
Вторая стадия аварийного сценарий сопровождается поступлением радионуклидов в зону
аэрации с атмосферными осадками. Дальнейшая их миграция происходит вместе с
инфильтрационными водами.
В случае реализации рассмотренного аварийного сценария загрязнение будет поступать в
основные водоносные горизонты с существенной задержкой. Так существенное
загрязнение для межморенного горизонта фиксируется только через 10 лет после выброса
радионуклидов, а мелового водоносного комплекса только через 100 лет.
Таким образом, у МЧС России есть 10 лет для принятия мер по снижению последствий ЧС
на второй стадии, чтобы не допустить существенное влияние радиоактивной аварии на
население.
25
Резюме
Пакет программ НИМФА - универсальный инструмент численного
моделирования фильтрационных течений и переноса примесей. С его
помощью возможно:
•Создание постоянно-действующих моделей для ведения мониторинга сред на
техногенно нагруженных территориях
•Создание экспертных систем для принятия обоснованных управленческих решений в
условиях интенсивного техногенного воздействия на природную среду
•Прогноз последствий штатной эксплуатации и аварийного воздействия предприятий на
поверхностные объекты и подземное пространство
•Прогнозирование паводков
Для проблемы повышения уровня Чебоксарского водохранилища:
1) подтопление прилегающих территорий
2) загрязнение водохранилища за счет затопления загрязненных территорий
3) активизация оползневых процессов по берегам водохранилища при повышении уровня грунтовых вод и
подтоплении.
26
Спасибо за внимание!
моделирование
ильтрации и
играции