Алгоритмическое и программное обеспечение геоинформационной системы для решения гидрогеологических задач

На сегодняшний день в мире остро стоят и требуют решения проблемы охраны окружающей среды. В странах ЕС разработаны общие требования, нормативные показатели и критерии оценки качества ресурсов окружающей среды. В России в 2002 г. принят Федеральный закон «Об охране окружающей среды», который стал первым шагом в создании законодательной базы для осуществления экологического контроля и управления природными, в том числе и водными ресурсами. При этом проблемы, связанные с информационным и техническим обеспечением процесса организации экологического контроля за состоянием природных ресурсов становятся все более актуальными[5]. Организация такого контроля осуществляется в рамках систем мониторинга тех или иных ресурсов: воздуха, водных, лесных ресурсов и т. п.

Под мониторингом здесь и далее понимается наблюдение объектов и/или явлений в одних и тех же точках пространства во времени и обработка полученных таким образом данных с целью оценки и анализа протекающего процесса для решения прогнозных задач и в случае выявления нарушения установленного режима функционирования объекта исследования, выработка мер по ликвидации последствий и нормализации режима функционирования [40]. Особенно актуальна проблема создания систем мониторинга водных ресурсов, в первую очередь подземных вод как наиболее важных для обеспечения жизнедеятельности человечества.

При мониторинге водных ресурсов собираются и обрабатываются данные разноцелевых исследований ресурсов. К таким исследованиям относятся геофизические, гидрологические, гидрогеохимические и т. п. исследования. Их результаты представляются в виде наборов атрибутивной и пространственной информации, которую следует в рамках той или иной системы мониторинга хранить, анализировать и отображать в удобном для пользователя виде. Учитывая тенденции развития современных информационных технологий, решать поставленные задачи мониторинга следует с применением геоинформационного подхода, который заключается в применении геоинформационных систем.

ГИС) для создания технологий обработки результатов наблюдений в виде атрибутивных и пространственных данных [1, 13, 21, 93]. В настоящее время сделаны только первые шаги в разработке таких геоинформационных технологий [6,18,21].

Важным аспектом проблемы организации мониторинга подземных вод является необходимость решать задачи прогноза состояния геологической среды и находящихся в ней водных ресурсов, которые подвергаются техногенному воздействию. Для этого в рамках детерминированного подхода к моделированию применяются методы математического моделирования, набор которых в настоящее время достаточно велик. JI. Лукнером, В. М. Шестаковым, А.Б. Вис-телиусом и др. предложен ряд математических моделей и методов для описания гидродинамических процессов, происходящих в земной коре. Однако аналитические методы нацелены на решение узкоспециализированных, как правило, двумерных задач, а численные методы, хотя и применяются к трехмерным моделям геологической среды, но не позволяют в полной мере решать задачи прогноза состояния подземных вод. Более того, существующий уровень современных средств вычислительной техники делает актуальным создание и использование не применявшихся ранее стохастических методов моделирования гидродинамических процессов в рамках трехмерных моделей геологической среды.

Все вышеизложенное позволяет считать, что, несмотря на достигнутые результаты в области разработки систем гидрогеологического мониторинга, актуальной является задача создания новых методов и алгоритмов моделирования гидродинамических процессов в геологической среде и разработки соответствующего программного обеспечения, позволяющих в рамках геоинформационного подхода оценивать и прогнозировать состояние подземных вод.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание алгоритмического и программного обеспечения ГИС для решения гидрогеологических задач с использованием стохастического метода Монте-Карло. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать принципы построения и структуру ГИС для решения гидрогеологических задач.

2. Разработать способ описания моделей гидрогеологической среды в ГИС и реализующие его алгоритмы.

3. Исследовать применимость метода Монте-Карло для решения задач моделирования процессов влагопереноса в геологической среде и разработать на основе результатов таких исследований алгоритмы, позволяющие эффективно решать указанные задачи.

4. Создать программное обеспечение ГИС для ввода, хранения, обработки и анализа данных мониторинга гидрогеологической среды с целью прогноза ее состояния, а также для визуализации исходных данных и результатов анализа (моделирования) в виде цифровых карт.

5. Апробировать созданную ГИС при решении ряда практически важных гидрогеологических задач.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции ИНТЕРКАРТО-4 «ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий» (Барнаул, 1998) — на IV Международном симпозиуме по проблемам геотехнологий, связанных с охраной окружающей среды и глобальным развитием (Бостон, США, 1998) — на II Российско-корейском симпозиуме по науке и технологиям (Томск, 1998), на Международной конференции ИНТЕРКАРТО-5 «ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий» (Якутск, 1999) — на Международной конференции «Anniversary scientific conference 50 years faculty of hydrotechnics ACEG University» (София, Болгария, 1999) — на V Международном симпозиуме по проблемам геотехнологий, связанных с охраной окружающей среды и глобальным развитием (Бело Горизонте, Бразилия, 2000) — на Международной научно-практической конференции «Геоинфор-матика-2000» (Томск, 2000) — на Международной конференции по проблемам ГИС для развития территорий (Сиракузы, Италия, 1999) — на Российско-французском семинаре «Загрязнение окружающей среды и управление природными ресурсами» (Томск, 2000) — на IV Конференции ГИС-лабораторий Европы — AGILE-IV (Брно, Чехия, 2001).

По результатам исследований опубликовано 19 работ, в том числе 15 статей.

Работа выполнялась в 1996 — 2002 гг. в рамках следующих научно-технических программ и была поддержана следующими грантами:

1. Межвузовская НТП «Геоинфокад» Минобразования России.

2. Межвузовская НТП «Разработка научных основ создания геоинформационных систем» Минобразования России.

3. Грант РФФИ № 00−07−90 124.

4. Грант для поддержки ведущих научных школ Минпромнауки РФ № 0015−98 478.

Кратко изложим основное содержание работы.

В первой главе изложены цели и задачи гидрогеологического мониторинга. Показаны проблемы, которые необходимо решать при проведении гидрогеологического мониторинга подземных вод. Проведена классификация моделей гидрогеологической среды и параметров, участвующих в ее описании. В качестве основных для решения указанных задач моделирования выделены два подхода — детерминированный и стохастический.

Рассмотрены основные модели и методы, применяемые в рамках детерминированного подхода при решении задач влагопереноса в геологической среде. Приведен сравнительный анализ используемых в мировой практике методов численного моделирования. Показано, что перспективным является стохастический подход при решении задач гидрогеологического моделирования. Для моделирования процессов влагопереноса предложено использовать метод случайных блужданий (метод Монте-Карло). Сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе определены требования к ГИС для решения задач гидрогеологического мониторинга, которые сформулированы с учетом специфики гидрогеологической информации при ее хранении, анализе и визуализации.

Сформулированы основополагающие принципы построения ГИС для решения гидрогеологических задач. Рассмотрены этапы создания ГИС для решения задач гидрогеологического мониторинга. Предложена обобщенная функциональная схема разрабатываемой ГИС.

Проанализированы возможные способы описания модели геологической среды и полученной на ее основе модели гидрогеологической среды. В качестве основных отмечены квазидвумерные и трехмерные модели геологической среды. Предложен способ формирования трехмерных моделей гидрогеологической среды в виде трехмерных многопараметрических моделей, учитывающий положительные аспекты указанных выше способов.

Формирование трехмерных многопараметрических моделей среды предложено проводить в три этапа. Разработаны алгоритмы расчета такой модели на основе данных о литологии и стратиграфии исследуемого геологического участка. Предложены способы описания и хранения параметров среды в рамках трехмерной многопараметрической модели гидрогеологической среды.

Исследована эффективность предложенного способа формирования трехмерной многопараметрической модели гидрогеологической среды и реализующих его алгоритмов. Предложенный способ далее применяется для формирования моделей гидрогеологической среды при решении задач гидродинамического моделирования.

В третьей главе описан и исследован предложенный алгоритм для моделирования процессов переноса мигрантов в гидрогеологической среде. Алгоритм разработан на основе методе Монте-Карло, в рамках которого рассматривается перенос частиц в неоднородных средах различной физической природы средах, и который не использовался ранее для решения гидрогеологических задач. Описаны параметры моделирования и гидродинамические параметры, которые участвуют в решении гидродинамических задач. Выполнена постановка задачи моделирования влагопереноса в геологической среде с применением метода Монте-Карло. Предложен алгоритм для решения поставленной задачи.

При помощи предложенного алгоритма решались два класса задач. Первый из них — моделирование процесса инфильтрации мигрантов в ненасыщенной зоне аэрации (процесса проникновения с поверхности земли и распространения мигрантов в верхних пластах гидрогеологической среды), и второй — закачка жидкости в глубинные пласты. Описаны основные положения гидродинамики, характеризующие эти процессы.

Моделирование проводилось на основе моделей геологической среды, описанных в главе I, с различными условиями моделирования. Проведен анализ полученных результатов. Выявлены зависимости и соответствие между параметрами моделирования и физическими параметрами гидрогеологической среды, описывающими фильтрационные и емкостные свойства геологических пород.

Полученные зависимости и сделанные выводы основаны на большом количестве численных экспериментов. Сделаны выводы о пределах применимости предложенного алгоритма, реализующего метод Монте-Карло при решении задач влагопереноса в геологической среде.

В четвертой главе описано созданное программное обеспечение (ПО) ГИС и рассмотрены результаты применения разработанного алгоритмического и программного обеспечения ГИС для решения практических задач, связанных с обработкой и анализом данных гидрогеологических исследований.

Обоснован выбор программных средств, применяемых в качестве базовых для разработки соответствующего ПО создаваемой ГИС. Представлена структура разработанного ПО ГИС.

Описано применение ГИС на каждом из этапов ее работы с реальными данными, полученными при проведении гидрогеологических исследований. Приведены результаты апробации созданной ГИС по данным о гидрогеологических объектах Томской и Омской областей и Красноярского края.

Научную новизну полученных в работе результатов определяют: 1. Принципы организации и структура созданной ГИС для комплексного решения гидрогеологических задач.

2. Трехэтапный способ формирования трехмерных многопараметрических моделей гидрогеологической среды, учитывающий особенности строения геологической среды.

3. Алгоритмы создания моделей гидрогеологической среды на каждом из трех этапов предложенного способа.

4. Алгоритм моделирования процессов влагопереноса в геологической среде, разработанный на основе впервые примененного для решения таких задач метода Монте-Карло.

5. Результаты исследования эффективности и пределов применимости метода Монте-Карло и реализующего его разработанного алгоритма стохастического моделирования процесса инфильтрации воды в ненасыщенной зоне аэрации и процесса закачки жидкости в глубинные пористые пласты. Практическая ценность и реализация результатов работы. Практически значимыми являются созданные модели, алгоритмы и программные средства ГИС для решения гидрогеологических задач. В состав программного обеспечения ГИС входят программные средства подсистем «Мониторинг», «SurfMap-рег», «Mapper3D» и «Легенда». Часть этих подсистем имеют самостоятельное практическое значение. Программные средства ГИС функционируют на компьютерах типа IBM PC под управлением операционной системы Windows 95/NT. Объем исходного кода системы составляет более 6000 строк кода на языках Object Pascal и MapBasic.

Программные средства подсистемы «SurfMapper» внедрены в Омской геологоразведочной экспедиции, в Северском центре государственного санитарно-эпидемиологического надзора № 81 и в Томском отделении Сибирского научно-исследовательского института геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГиМС).

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение подсистемы «Mapper3D» внедрено в Томском отделении СНИИГГиМС и применялось при моделировании процесса распространения закачиваемых с целью утилизации подтоварных и сточных вод в глубинные пласты. Результаты моделирования использованы в геолого-технических обоснованиях утилизации этих вод, которые получили положительные экспертные оценки Сибирского центра технической диагностики и экспертиз «Диасиб», ОГУП Территориального центра «Томскгеомониторинг» и были утверждены Управлением Западно-Сибирского округа Федерального горного и промышленного надзора России и Главным управлением природных ресурсов и охраны окружающей среды Министерства природных ресурсов по Томской области.

Получено четыре акта о внедрении перечисленных подсистем. Личный вклад:

1. Постановка задач исследования и разработка концепции ГИС для решения гидрогеологических задач выполнены автором совместно с Н. Г. Марковым.

2. Трехэтапный способ и реализующие его алгоритмы создания трехмерных многопараметрических моделей гидрогеологической среды предложены и разработаны автором.

3. Алгоритм стохастического моделирования гидрогеологических процессов разработан автором. Постановки задач исследования эффективности метода Монте-Карло и предложенного на его основе алгоритма сделаны совместно с Н. Г. Марковым и В. Г. Спицыным. Результаты этого исследования получены автором.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение подсистемы «SurfMapper» разработано автором совместно с Н. Г. Марковым, Р. В. Ковиным и Р.И. Га-ряевым.

5. Разработка алгоритмического и программного обеспечения подсистемы «Mapper3D» и подсистемы «Легенда» выполнены автором.

6. Результаты применения разработанного алгоритмического и программного обеспечения ГИС при решении практических гидрогеологических задач получены совместно с Н. А. Ермашовой, А. А. Напрюшкиным и Н. Г. Марковым.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный трехэтапный способ формирования трехмерных многопараметрических моделей гидрогеологической среды учитывает особенности геологического строения такой среды.

2. Реализующие трехэтапный способ алгоритмы более эффективны по быстродействию, чем известные алгоритмы создания моделей гидрогеологической среды и позволяют формировать описание ее моделей, требующее для хранения минимальных объемов памяти ЭВМ.

3. Разработанный на основе метода Монте-Карло алгоритм моделирования процессов влагопереноса в геологической среде позволяет решать трехмерные задачи гидродинамического моделирования, в частности, моделировать процессы инфильтрации в зоне аэрации и закачки жидкости в глубинные неоднородные пористые пласты.

4. Программное обеспечение созданной ГИС позволяет решать задачи гидрогеологического мониторинга, включая ввод, хранение и анализ данных, в том числе и пространственный анализ, а также позволяет вести моделирование процессов влагопереноса в геологической среде.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Н. Г. Маркову за большую помощь в подготовке диссертационной работы и плодотворное сотрудничество при подготовке публикаций. Автор также благодарит за ценные советы и совместную работу сотрудников кафедры Вычислительной техники Томского политехнического университета ассистента Р. В. Ковина, д.т.н., профессора В. Г. Спицына, ассистента А.А. На-прюшкина, инженера Я. В. Степанову. За предоставленные материалы и обсуждение результатов исследований автор выражает благодарность сотрудникам ТО СНИИГГиМС к.г.-м.н., научному консультанту Г. М. Волощук, заведующему лабораторией Геоинформатики О. В. Крылову, а также к.г.-м.н., доценту ТПУ Н. А. Ермашовой.

4.7. Выводы по главе.

1. Разработана структура ПО ГИС для решения гидрогеологических задач. В качестве базовых программных средств для работы с атрибутивной информацией была выбрана СУБД ACCESS, а для работы с пространственной информацией — ГИС Maplnfo Professional.

2. В составе ГИС для решения гидрогеологических задач на основе базового ПО разработаны подсистемы: «Мониторинг», «SurfMapper», «МаррегЗБ» и «Легенда».

3. Разработанное ПО ГИС апробировано при решении следующих задач:

Ввод, хранение, анализ и визуализация атрибутивных данных, полученных в результате геологических, гидрологических и гидрогеохимических исследований гидрогеологических участков на территории Томской и Омской областей и Красноярского края. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение для решения перечисленных задач внедрено и используется в Северском центре государственного санитарно-эпидемиологического надзора № 81 и в Омской геологоразведочной экспедиции.

Расчет и картирование гидродинамических параметров среды на примере работы с данными по нефтяным месторождениям Томской области. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение было использовано при выполнении хозяйственных договоров и внедрено в Томском отделении СНИИГГиМС.

Построение и описание трехмерных многопараметрических моделей участков гидрогеологической среды на территории Томской области и Красноярского края.

Решение задач влагопереноса в гидрогеологической среде с применением алгоритма, разработанного на основе метода Монте-Карло. Процесс инфильтрации был изучен на примере участка гидрогеологической среды водозабора г. Кедровый Томской области, моделирование процесса закачки жидкости в глубинные пласты проводилось на нефтяных месторождениях Урманское и Соболиное Томской области. Результаты моделирования использованы в геолого-технических обоснованиях утилизации сточных и подтоварных вод путем закачки в скважины указанных месторождений, получили положительные экспертные оценки Сибирского центра технической диагностики «Диасиб», ОГУП Территориального центра «Томскгеомониторинг» и были утверждены Управлением Западно-Сибирского округа Федерального горного и промышленного надзора России и главным управлением природных ресурсов и охраны окружающей среды Министерства при.

180 родных ресурсов РФ по Томской области. Полученные результаты и разработанное алгоритмическое и программное обеспечение внедрены в Томском отделении СНИИГГиМС. 4. Описана методика работы с ПО подсистемы «Легенда», предназначенной для визуализации и оформления сформированных в процессе работы с ГИС карт. Указанное ПО применялось для оформления карт, полученных на каждом из этапов работы с ГИС для решения гидрогеологических задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена созданию алгоритмического и программного обеспечения ГИС для решения гидрогеологических задач.

Получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Проанализированы проблемы, связанные со сбором, обработкой и анализом данных при проведении гидрогеологического мониторинга. Определена роль гидродинамического моделирования при решении задач комплексной оценки и прогноза состояния подземных вод. Проведен обзор и анализ моделей и методов, применяемых в мировой практике для решения задач гидродинамического моделирования. Показана перспективность геоинформационного подхода при создании систем для ведения гидрогеологического мониторинга.

2. Сформулированы основные требования, подходы и принципы создания ГИС для решения гидрогеологических задач. Разработана обобщенная схема функционирования ГИС. Предложена методология создания информационного обеспечения ГИС.

3. Рассмотрены существующие способы описания моделей геологической среды, как основы для построения гидрогеологических моделей. Дана классификация параметров гидрогеологической среды по критерию пространственной локализации. Предложен оригинальный трехэтапный способ формирования трехмерных многопараметрических моделей гидрогеологической среды, позволяющий учитывать особенности строения геологической среды и организовать эффективное хранение описания этих моделей. В рамках такого способа разработаны алгоритмы расчета моделей гидрогеологической среды на основе литолого-стратиграфических данных, полученных на нерегулярной сети наблюдений.

4. Предложен стохастический алгоритм, разработанный на основе метода Монте-Карло, не применявшегося ранее для гидрогеологического моделирования при решении, в частности, задач влагопереноса в геологической среде. Алгоритм реализован с учетом разработанного способа формирования трехмерных многопараметрических моделей гидрогеологической среды. Проведено исследование эффективности разработанного алгоритма для моделирования процессов инфильтрации и распространения мигрантов в глубинных пористых пластах. Исследования проводились для различных моделей среды (однородной и слоистой, как с плоскопараллельными границами пластов, так и неоднородными границами). При моделировании использовались различные типы параметров среды (константные, однородные в отдельном пласте, изотропные в плане, изотропные в разрезе, непрерывно распределенные в трехмерном пространстве). Проведено сравнение результатов моделирования с данными, полученными при использовании традиционных методик расчета характеристик влагопереноса в геологической среде с учетом существующих аналитических зависимостей между физическими параметрами моделирования. По результатам исследований сделан вывод об эффективности разработанного алгоритма и возможности применения метода Монте-Карло для решения указанных задач.

5. Разработана структура программного обеспечения ГИС для решения гидрогеологических задач. Создано ПО ГИС, позволяющее осуществлять: ввод, хранение и анализ атрибутивных и пространственных данных гидрогеологического мониторинга. Программные средства также позволяют формировать трехмерные многопараметрические модели гидрогеологической среды и на их основе моделировать процессы влагопереноса в геологической среде, визуализировать исходные данные, результаты анализа и моделирования в виде цифровых карт и оформлять последние в соответствии с отраслевыми требованиями.

6. Приведены примеры использования разработанного алгоритмического и программного обеспечения ГИС для решения ряда практических задач гидрогеологии, позволяющие считать созданные ГИС-средства эффективными.

7. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение ГИС внедрено в ряде организаций, что подтверждено соответствующими актами.