В конце 2021 года в составе семейства продуктов «Логос» появился цифровой продукт «-Логос Гидрогеология» разработки ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». В результате у создаваемой отечест-венной CAE-системы существенно расширился класс решаемых задач, появилась возможность моделирования новых, интересных физических процессов.
Цифровой продукт «Логос Гидрогеология» стоит несколько особняком в ряду других продуктов «Логос», поскольку основное его предназначение — трехмерное численное моделирование многокомпонентной фильтрации и переноса примесей в геологических средах сложной структуры. Геологическая среда — это природный объект, отличающийся в плане математического моделирования большими размерами, высокой неоднородностью и слабой изученностью, что и определяет специфику численного решения гидрогеологических задач. А решение этих задач — ключевой компонент работы в таких областях, как:
- оценка воздействия техногенных объектов (АЭС, хранилища ОЯТ, промзоны, свалки ТБО и т.п.) на подземные воды и грунты в нормальном и аварийном режимах;
- прогнозирование ореолов загрязнений и концентраций веществ-загрязнителей в подземном и поверхностном пространствах;
- оценка работы дренажных систем и расчет водопритоков в горных выработках;
- оценка запасов пресных подземных вод;
- прогнозирование уровней затопления и подтопления территорий за счет сезонных явлений или строительства гидросооружений (плотин, дамб, гидроузлов, каналов и т.п.).
Соответственно, потребителями цифрового продукта «Логос Гидрогеология» являются:
- проектные институты;
- предприятия, ведущие мониторинг окружающей среды;
- горнодобывающие предприятия;
- научные организации;
- государственные органы, занятые решением задач экологической безопасности и рационального природопользования;
- учебные заведения.
Цифровой продукт «Логос Гидрогеология» создан на основе аттестованного в органах Ростехнадзора программного комплекса «НИМФА 5.0», который, в свою очередь, вырос из имеющих многолетнюю историю методических разработок ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». В этих работах принимали участие ведущие гидрогеологи, сотрудники университетов (МГУ, СПбГУ, КФУ), Академии наук (ИГЭ РАН), предприятий (ФГБУ «Гидроспецгеология»). В настоящий момент «НИМФА 5.0» доступна в свободной продаже. Также можно оформить лицензию на бесплатную пробную версию.
Обзор функционала и методов моделирования
В настоящее время в цифровом продукте «Логос Гидрогеология» реализованы физико-математические модели следующих процессов:
- напорная и безнапорная насыщенная/ненасыщенная стационарная/нестационарная однофазная фильтрация жидкости;
- однофазная фильтрация газа;
- многокомпонентный массоперенос;
- гидродинамическая дисперсия;
- молекулярная диффузия;
- плотностная конвекция в фильтрационном потоке;
- равновесная сорбция/десорбция;
- радиоактивный распад с учетом цепочек превращений радионуклидов;
- теплоперенос с учетом свободной тепловой конвекции;
- поверхностный сток;
- течение по открытым каналам.
Основная идея метода решения системы определяющих уравнений — расщепление по процессам фильтрации, массопереноса и теплопроводности во взаимодействующих напорных водоносных и разделяющих пластах. Основными величинами, рассчитываемыми методом конечных объемов, являются поля давления, концентрации примесей и температуры в больших многослойных гидрогеологических системах. Время моделирования процессов зависит от задачи (сутки, сотни лет, сотни тысяч лет и т.д.). Исходные дифференциальные уравнения являются нелинейными. Они могут быть связаны между собой через скорость фильтрации, плотность и вязкость жидкости.
Алгоритм решения системы основных уравнений основан на линеаризации системы конечно-объемных уравнений и последовательном решении соответствующего уравнения для каждого процесса и компонентов отдельно друг от друга. Линеаризация системы конечно-объемных уравнений производится относительно приращения давления, приращения концентраций и приращения температуры. Используется неявный метод решения. При аппроксимации потоков применяется метод отложенной коррекции.
Важные функциональные особенности и преимущества
Так же как и другие продукты «Логос», «Логос Гидрогеология» работает на ПК (Win/Astra Linux), рабочих станциях, суперкомпьютерах в скалярном и параллельном режимах. Количество используемых процессоров в параллельном режиме неограниченно.
Следует отметить, что «Логос Гидрогеология» имеет собственный препостпроцессор, разрабатываемый с учетом специфики гидрогеологических задач (рис. 1 и 2).
Рис. 1. Вид основного окна пользовательского интерфейса препроцессора
Рис. 2. Визуализация результатов в постпроцессоре
Важным преимуществом «Логос Гидрогеология» является возможность использования трехмерных неструктурированных сеток, позволяющих легче проводить дискретизацию областей задач сложной формы с возможностью адаптации к особенностям гидрогеологических объектов. Стоит особо отметить, что сетки строятся уже в процессе самого расчета, в параллельном режиме с помощью запатентованного генератора собственной разработки, что позволяет с легкостью создавать модели с миллионами ячеек (рис. 3 и 4).
Рис. 3. Дискретизация русла реки и четырех скважин
Рис. 4. Фрагмент сетки
В качестве весьма важной для решения практических задач опции в цифровом продукте «Логос Гидрогеология» имеются программные средства создания геологических моделей объектов. На основе импорта данных по инженерно-геологическим скважинам (рис. 5) и поверхности рельефа (рис. 6) пользователь в интерактивном взаимодействии с программой получает геологическую модель рассматриваемой области без зазоров и наложений (рис. 7). Далее эта модель применяется в интегрированой среде для геофильтрационного и геомиграционного моделирования.
Рис. 5. Инженерно-геологические скважины и разрезы
Рис. 6. Геологическая модель территории
Рис. 7. Концептуальная модель территории
При создании модели в «Логос Гидрогеология» используется подход концептуального (несеточного) моделирования, то есть модель представляет собой множество объектов разной размерности, несущих информацию различного происхождения, и эти объекты отображаются на сетку лишь в момент проведения расчета. В то же время, у пользователей за период преобладания иностранного ПО накопилось достаточно много сеточных моделей MODFLOW, подготовленных в PMWIN, GMS, VM FLEX. С целью сохранения наследия пользователей и упрощения перехода с моделей, подготовленных в упомянутых выше программах, на формат «Логос Гидрогеология» была реализована процедура реконструкции сеточной модели MODFLOW. Для удобства пользователя предусмотрен мастер-диалог с пошаговыми инструкциями по импорту и реконструкции модели (рис. 8).
Рис. 8. Примеры окон мастер-диалога
Важным этапом решения геофильтрационных задач является этап калибровки модели. Для автоматизации этой работы в «Логос Гидрогеология» есть встроенный блок автокалибровки (рис. 9).
Рис. 9. Пример результатов калибровки. Диаграмма рассеяния
В цифровом продукте «Логос Гидрогеология» имеется встроенное интерактивное руководство пользователя, проводятся обучающие вебинары. По запросам заказчиков организуются очные курсы.
Внедрение «Логос Гидрогеология» позволит предприятиям не просто выполнить импортозамещение, но и получить новые возможности, которых нет и не предвидится у соответствующего зарубежного ПО.
