В статье определено значение геофильтрационного моделирования для решения прогнозных задач. Приведено определение геофильтрационной модели, выделен один из основных видов моделирования геофильтрации — численное. Обозначены этапы построения геофильтрационной модели. Для обеспечения наиболее точного прогнозирования движения потоков подземных вод предлагается использовать программу MODFLOW, основным преимуществом которой является соответствие международным стандартам.
Ключевые слова: геофильтрационное моделирование, недропользование, геофильтрационная модель, численное моделирование геофильтрации, MODFLOW.
На сегодняшний день все больше возрастают требования к эффективности гидрогеологических исследований, к качеству и достоверности получаемой информации, надежности и обоснованности проектных решений и прогнозов. Принятие обоснованных решений по управлению процессом недропользования возможно только с применением современных информационных технологий и моделирования процессов, происходящих в геологической среде. Геофильтрационное моделирование сейчас является одним из основных инструментов для осуществления прогнозных решений.
Геофильтрационное моделирование используется для оценки запасов подземных вод, нефтяных залежей, определения водопритоков в шахты и карьеры и т. д. Моделирование в гидрогеологии представляет собой искусственное воспроизведение на различных моделях процессов фильтрации подземных вод и связанных с ними явлений для обеспечения эффективного решения различных гидрогеологических задач [1]. Перемещение подземных вод в пористой горной породе осуществляется под действием перепада давления — напора. Процесс движения воды по порам горной породы называется фильтрацией. Геофильтрационная модель — это плоскопространственное или объёмное представление объекта с заданными начальными и граничными условиями, учитывающее динамические характеристики пластовых процессов [2].
На данный момент широко используется численное моделирование геофильтрации, базирующееся на конечно-разностном методе решения дифференциальных уравнений и предполагающее сеточную разбивку области фильтрации. Напоры и коэффициенты фильтрации являются основными гидродинамическими параметрами данных уравнений. Количество уравнений соответствует числу блоков сеточной разбивки [3]. Таким образом, численное моделирование заключается в решении уравнений фильтрации с учетом заданных граничных условий и структуры фильтрационного поля.
Процесс разработки и создания геофильтрационной модели состоит из следующих этапов:
- Информационное обеспечение модели
- Схематизация и составление математической модели
- Разработка вычислительного алгоритма и составление программы обработки данных или использование готового программного продукта
- Калибровка модели
- Прогнозное моделирование и решение прямых задач
Информационное обеспечение подразумевает наличие достоверной информации по условиям питания и разгрузки водоносных пластов и горизонтов, а также фильтрационным параметрам. Полнота и точность модели напрямую зависят от ее информационного обеспечения. На практике случаются ситуации, когда не хватает первичных гидродинамических и гидрогеологических данных, в этой ситуации прогнозы могут иметь «диапазонную оценку».
При построении численной модели определенной области нужно выполнить следующие основные этапы [3]:
- Определить внешние границы исследуемой области с указанием гидродинамического характера условий на контурах границы.
- Разбить расчетную область фильтрации на отдельные слои и прямоугольные блоки.
- Задать внутренние граничные условия — объекты, определяющие структуру фильтрационного потока. Граничными условиями могут отражаться реки, рудники, водоразделы подземных вод, источники, скважины, зоны вклинивания водоносных пластов и т. д.
Далее осуществляется генерация сеточной модели и привязка ее к местности с помощью азимута и географических координат левого нижнего угла. Сеточная модель — описание рельефа в виде набора высотных отметок в узлах прямоугольной регулярной сети в виде матрицы высот или глубин. На размеры блоков прямоугольной сетки влияют следующие факторы: количество исходного материала, требования, предъявляемые к точности расчетов, общий размер в плане расчетной области, назначение модели, а также возможности программного обеспечения. В каждый блок задаются значения необходимых параметров, данные по напорам, а в граничных блоках — уровни воды в водотоках, водоемах, коэффициенты пропорциональности и расходы. Каждый блок имеет декартовы координаты Х и У, а вводимая характеристика приписывается к центру блока. Результаты проведенных расчетов также привязываются к центрам блоков. Таким образом, чем больше будет блок, тем в меньшей степени можно привязать напор в нем к конкретной точке в пределах блока. Цифровая карта в результате будет представлять собой двумерный массив. Количество слоев задается для конкретной задачи с учетом принятой гидрогеологической схематизации. Необходимый для моделирования набор параметров задается отдельно для каждого расчетного слоя.
Для моделирования и прогнозирования движения потоков подземных вод вместо разработки собственного алгоритма можно использовать готовые программные решения, например, MODFLOW [4]. MODFLOW — программа, считающаяся международным стандартом и используемая гидрогеологами для моделирования потока подземных вод через водоносные горизонты, позволяющая создать трехмерную конечно-разностную модель подземных вод [5]. Семейство программ, связанных с MODFLOW, позволяет осуществлять моделирование связанных систем грунтовых или поверхностных вод, потока переменной плотности, включая соленую воду, системы водоносных горизонтов, оседания суши и т. д.
Калибровка модели проводится в процессе решения обратных задач с целью уточнения различного рода параметров. Основная цель калибровки — достижение соответствия математической модели реальным гидрогеологическим условиям моделируемого объекта, поэтому корректировка параметров и граничных условий математической модели производится до стадии ее соответствия реальным гидрогеологическим условиям.
Прогнозное моделирование проводится с целью определить пространственно-временное распределение элементов фильтрационного потока при заданных параметрах и граничных условиях. Решение прямых задач проводится с целью анализа возможного изменения гидродинамической обстановки, выработки рекомендаций и принятия решений по управлению процессом недропользования. Например, для оценки изменения гидродинамической ситуации при заполнении гидротехнических сооружений до проектной отметки, оценки возможности удовлетворения заявленной потребности в хозяйственно-питьевой воде на действующих водозаборах и т. д. Таким образом, геофильтрационное моделирование является на данный момент одним из основных инструментов для решения различных гидрогеологических задач. Численное моделирование геофильтрации активно применяется для оценки запасов подземных вод, водопритоков в горные выработки шахт, разработки региональных схем рационального использования водных ресурсов и т. д. Создание геофильтрационной модели также позволяет обобщить знания и представления об исследуемой территории, условиях питания, стока и разгрузки подземных вод, характере техногенного воздействия на них.
Литература:
- Моделирование фильтрации подземных вод. geoekonomica: сайт: URL: http://www.geoekonomica.ru/gnssn/met_ggi/met_ggi_gl7.htm (дата обращения 29.03.2023).
- Анализ способов построения математических моделей месторождений минеральных вод. fundamental-research: сайт: URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36029 (дата обращения 29.03.2023).
- Мусин Р. Х. Введение в численное моделирование геофильтрации: учебно-методическое пособие / Р. Х. Мусин, М. Г. Храмченков. — Казань, 2019. — 41 с. — URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F_721844554/Vvedenie.v.chislennoe.modelirovanie.geofiltracii.pdf (дата обращения: 30.03.2023).
- Люкина, С. Ю. Сравнительный анализ графических пользовательских интерфейсов (GUI) для моделей геологической службы США (USGS) MODFLOW/ С. Ю. Люкина, О. Л. Гиниятуллина // Инновации в информационных технологиях, машиностроении и автотранспорте: сборник материалов VI Международной научно-практической конференции (30 ноября — 01 декабря 2022 года). — Кемерово, 2022. — C. 171–176.
- MODFLOW and Related Programs. usgs.gov: сайт: URL: https://www.usgs.gov/mission-areas/water-resources/science/modflow-and-related-programs (дата обращения 30.03.2023).
