автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методы структурного моделирования природно-техногенных схем (на примере гидрогеологии)

РГ0 ОД - 8

ИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК519.6+519.7]:556.3

СПИВАК Лев Феликсович

МЕТОДЫ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ (на примере гидрогеологии)

Специальность: 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

А ВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск-1996

Работа выполнена в Институте космических исследований Министерства Науки - Академии Наук Республики Казахстан.

Научный консультант -член-корреспондент АН РК, доктор

технических наук, профессор Веселое В.В..

Официальные оппоненты -член-корреспондент РАЕН, доктор

физико-математических наук, профессор Воронин Ю.А. -доктор физико-математических наук, профессор Поттосин И. В. -доктор геолого-минералогических наук, Порядин В. И. Ведущая организация -Всероссийский научно-

исследовательский институт геологических, геофизических и геохимических систем (ВНИИГеосистем).

Защита состоится "_/_." 1996 в час.^мин. на

заседании Специализированного£/Совета Д063.98.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора паук при Новосибирском Государственном Университете по адресу:

630090, Новосибирск, 90, ул. Пирогова,2. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГУ. Автореферат разослан 1996г.

Ученый секретарь специализированного Совета

кандидат технических наук ^ Ю.И.Еремин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Для современного этапа применения вычислительной техники и математических методов в науках о Земле характерны две тенденции. С одной стороны, из вспомогательного приема для решения отдельных прикладных задач моделирование превратилось в ведущий способ изучения геосистем различных рангов. С другой стороны, уровень развития компьютерных технологий моделирования все еще уступает сложности объектов и задач исследований. Успехи в автоматизации сервисных функций не MOiyr компенсировать недостатков методологического и теоретического обеспечения.

Гидрогеология относится к тем областям, где разрыв между потребностями исследователей и возможностями средств моделирования ощущается особенно остро. В своей практической деятельности гидрогеологам все чаще приходиться иметь дело со сложными системами, компоненты которых различаются параметрами вмещающих пород, характеристиками флюида, пространственными и временными масштабами гидродинамических процесов, режимами техногенного воздействия. При этом требуется не только получить достоверные количественные оценки их текущего состояния, но и дать обоснованный прогноз региональных и локальных изменений гидрогеологических условий, с учетом динамики антропогенных нагрузок, водообмена и миграции загрязнений между компонентами. Применение для моделирования подобных систем традиционных подходов, основанных на создании единой модели сложной среды, требует больших материальных затрат, значительных технических ресурсов и, как правило, не позволяет добиться приемлемой точности получаемых решений. В этой связи вопросы создания эффективных технологий моделирования природно-техногенных гидрогеологических систем (ГГС), доступных широкому кругу специалистов, становятся чрезвычайно актуальными. Их решению и посвящена настоящая диссертационная работа. В качестве методологической основы в работе использован структурный подход. Основная идея подхода заключается в представлении сложных гидрогеологических условий в виде совокупности взаимосвязанных компонентов, для которых известны модели и алгоритмы решения задач.

В научно- методическом плане переход к формированию систем разномасштабных постоянно действующих моделей порождает целый спектр проблем, связанных со структурной схематизацией гетерогенных

областей геофильтрации, интеграцией различных сетей наблюдений, компмлексированием и синхронизацией гидродинамических процессов, сопряжением их конечно-разностных аппроксимаций, синтезом сценариев моделирования и т.п. Нужно сказать, что в отдельности многие из них, в той или иной мере, уже являлись объектами исследования. Но для создания законченной технологии, охватывающей все этапы процесса моделирования природно-техногенных ГТС, необходимо было -переосмыслить и обобщить различные частные методы с единых системных позиций.

Следует отметить, что работа представляет особый интерес для Казахстана, испытывающего хронический дефицит водных ресурсов. Вопросы повышения эффективности изучения и использования запасов подземных вод имеют для республики жизненно важное значение.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель работы заключалась в создании и обосновании концептуальных основ, научно-методической базы и инструментальных средств поддержки технологии структурного моделирования сложных природно-техногенных систем и их практической отработке при изучении реальных гидрогеосистем Казахстана.

Для достижения цели потребовалось решить следующие задачи:

- проанализировать и обобщить тенденции развития средств и методов компьютерного моделирования сложных природно-техногенных -систем;

- сформулировать и обосновать основные принципы структурного подхода к моделированию таких систем в гидрогеологии;

спроектировать структуру и состав баз знаний для информационной и интеллектуальной поддержки процесса моделирования;

- построить классификацию гидрогеологических систем, выделить базисные типы гидрогеологических условий и определить набор системо-образующих отношений для конструирования моделей сложных ГГС;

- разработать методы схематизации ГГС и средства описания их структурных схем;

разработать методы и средства синтеза сценариев решения прикладных гидрогеологических задач на моделях сложных гидрогеосистем;

- разработать типовые процедуры для сопряжения различных моделей в процессе решения задач;

- разработать комплекс инструментальных средств для реализации технологии структурного моделирования на персональных компьютерах;.

- отработать технологию структурного моделирования на реальных гидрогеосистемах Казахстана.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе широко использованы идеи и методы системного и структурного анализа, структурного программирования, теории формальных систем, структурного распознавания образов, теории баз данных, искусственного интеллекта, экспертных систем, теории классификаций, имитационного моделирования и численного решения гидрогеологических задач.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Сформированы и развиты научно-методические основы структурного моделирования - нового направления в области автоматизации исследований ириродно-техногенных систем. Его отличает: переход от представления сложной природной среды в виде единой замкнутой модели к ее представлению в виде открытой системы взаимодействующих моделей отдельных компонентов; выделение и унификация специальных конструкций и правил сопряжения моделей; перенос акцента на организацию и интеграцию знаний, использующихся в процессе моделирования.

2. Показано, что для информационной и интеллектуальной поддержки технологии структурного моделирования необходимо сформировать: базу знаний об объектах предметной области, базу знаний о прикладных задачах и сценариях их решения и базу методических знаний, регламентирующих особенности постановки и решения задач для различных типов объектов. Предложено методические знания представлять системой продукций, а знания об объектах и задачах -специальными исчислениями.

3. Разработано исчисление для конструирования описаний ГГС из совокупности простых моделей, характеризующих базисные типы гидрогеологических условий (ГГУ), и конечного набора системообразующих отношений. Доказано, что для формирования структурных схем шдрогеосистем, допускающих послойную схематизацию, необходимо и достаточно четырех бинарных отношений, с помощью которых формируются типовые структурные комплексы и их комбинации.

4. Введена концепция "шлкров" - специальных процедур, предназначенных для сопряжения гетерогенных моделей с учетом особенностей структурной схематизации областей и процессов геофильтрации, вида их конечно-разностных аппроксимаций и типа граничных условий. Проведена классификация условий сопряжения реальных гидрогеологических объектов и показано, что они могут быть сведены к комбинации типовых преобразований, из которых и собираются конкретные "шлюзы".

5. Разработаны методика и алгоритмы синтеза сценариев моделирования сложных ГГС из совокупности сценариев решения прикладных задач для типовых гидрогеологических условий и набора "шлюзов". Методика основана на доказательстве леммы и теорем о синтезе сценариев для структурных комплексов.

6. Разработана архитектура и системное обеспечение автоматизированного рабочего места гидрогеолога (АРМ-ГГ) для реализации технологии структурного моделирования на персональных компьютерах типа IBM AT. Инструментальные средства АРМ-ГГ обеспечивают: конструирование и описание структурных схем ГГС; формирование банков моделей и процедур; синтез, настройку и реализацию сценариев решения прикладных задач моделирования.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ Й ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Технология структурного моделирования и отдельные инструментальные средства внедрены в Институте космических исследований и Институте гидрогеологии и гидрофизики МН-АН PK, Казахстанской опытно-методической экспедиции НПО "Казнедра", Отделении гидрогеологических, инженерно- геологических, геоэкологических исследований (ОГИНГЕО) КазИМСа и Жетысуйской пвдрогеолого-мелиоративной экспедиции Минсельхоза PK. Они были использованы при моделировании целого ряда гидрогеосистем Казахстана. Полученные результаты являются достоверными и обоснованными.

В наиболее полной мере возможности технологии удалось продемонстрировать в ходе формирования иерархической системы гидрогеологических моделей Казахстанской части побережья Каспия, системы взаимосвязанных разномасштабных моделей гидрогеологических условий Восточного Приаралья и эколога - гидрогеологической модели Алматинской промзоны.

В настоящее время в Казахстане ведутся работы по созданию и развитию автоматизированных постоянно действующих моделей

(АПДМ) гидрогеологических условий экологически неблагоприятных регионов республики на основе комплексного использования технологии структурного моделирования и геоинформационных систем. Кроме; того, методы структурного моделирования были использованы при разработке проектов ситемы экологического мониторинга территории Казхастана и ГИС-"Казахстан".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы неоднократно докладывались на международных и республиканских конференциях, совещаниях и семинарах. В течение последних пяти лет теоретические и прикладные аспекты структурного моделирования обсуждались на: постоянно действующем семинаре по вычислительной геологоразведке (Новосибирск, 1991, 1993, 1995); научной конференции "Проблемы региональных гидрогеологических исследований в Казахстане", посвященной 80-летию со дня рождения академика АН РК У.М.Ахмедсафина (Алматы,1992); международной конференции US AID (Израиль, 1993); международном - симпозиуме "Водные ресурсы Центральной Азии и проблемы окружающей среды" (КНР -Казахстан, 1993); международной конференции " Проблемы подспутникового и космического мониторинга Казахстана" (Алматы, 1993); международной конференции "Аэрокосмические методы геологических и экологических исследований" (Санкт-Петербург, 1994); Франко-казахстанском семинаре-совещании "Решение прикладных задач методами дистанционного зондирования и ГИС-технолопш" (Алматы, 1995). International Geoscience and Remote Sensing Symposium. (Nebraska, USA. 1996), Third USA/CIS joint conference on environmental hydrology and hidrogeology. (Tashkent,Uzbekistan, September 1996).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ (в том числе, 9 отдельных изданий ц монографий), написанных самостоятельно и в соавторстве.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Список литературы включает 340 наименований. Объем работы 276 страниц текста, 27 рисунков и 18 таблиц.

В диссертации обобщены результаты исследований, проведенных лично автором, под его руководством или при активном участии с 1976 года в Казахстанской опытно-методичесокой экспедиции, Центре экологического прогнозирования Института математики и механики АН РК, Институте космических исследований и Институте гидрогеологии и гидрофизики МН-АН РК. Завершающий этап работы выполнен в

рамках программы фундаментальных исследований АН РК "Научные основы дистанционного зондирования и моделирования природно-техногенных систем". Часть результатов была получена в ходе выполнения фанта USAID "Estimation of Seasonal Dynamics of Arid -Zone Pasture and Gгор Productivity using AVHRR Data" и гранта Министерства науки и новых технологий РК "Формирование эколош-гидрогеологаческой модели для оценки и прогноза динамики ресурсов и качества подземных вод Алматинского промрайона".

Характер работы требовал привлечения, систематизации и интеграции знаний из самых различных областей научных исследований. В частнсти, при работе над диссертацией автор опирался на результаты фундаментальных и прикладных исследований в области: логики и методологии научного познания (работы В.И.Вернадского, Л.Витгенштейна, Г.фон Вригга, Б.Рассела, К.Поппсра, А.Пуанкаре, Т.Куна, Е.П.Никитина, Д.Пойя и др.), формализации описательных наук (работы А.М.Боровикова, А.Н. Берлянда, Ю.А.Воронина, Э.А.Еганова, О .Л.Кузнецова, А.АЛютого, А.А.Никитина, А.Ю.Ретюма, К.А.Салищева И.П.Шарапова, и др.), системного и структурного анализа (работы Р.Акоффа, Л.Бертланфи, У.Гренандера, М.Месаровича, В.Н.Садовского, -А.И.Уемова, Ю.А.Урманцева, К.Фу, Ю.А. Шрейдера, Э.Г.Юдина и др.); искусственного интеллекта, автоматического синтеза программ, структурного программирования, интеграции знаний (работы Н.Вирта, Э.Дейкстра, А.П.Ерщова, Л.А. Калиниченко, Ж.-Л.Лорье, М.Минского,

A.С.Нариньяни, Н.Нильсона, Э.В.Попова, Г.С. Поспелова, Д.А. Поспелова, И.В.Поттосина, Г.Саймона, Э.Х.Тыугу, П.Уинстона,

B.К.Финна, Р.Шенка и др.), математического моделирования гидрогеологических объектов и процессов (работы Ф.Б.Абуталиева,

C.Н.Антонцева, В.В.Веселова, И.К.Гавич, В.Н. Демидова, Г.П. Епихова, И.Е.Жернова, А.А.Кашеварова, А.А.Киселева, И.И.Крашина, ЛЛукнера, В.М.Мирласа, В.А.Мироненко, Н.С.Огняника, А.Ф.Рошаля, В.М.Шестакова, Л.С.Язвина и др.); региональных гидрогеологических исследований в Казахстане (работы Т.К.Айтуарова, У.М.Ахмедсафина, В.С.Жеваго, Т.Т.Махмутова, С.Ш.Мирзаева, С.М.Мухамеджанова, В.И.Порядина, Ж.С.Сыдыкова, А.С.Хасенова, С.М.Шапиро, • В.Ф.Шлыганой и др.).

Автор выражает искреннюю благодарность: научному консультанту, члену-корреспонденту АН РК В.В.Веселову, признанному главе Казахстанской школы компьютерного моделирования гидрогеологических систем; академику АН РК У.М.Султан газину и д.т.н., проф.

Э.А.Закарину, проявлявшим постоянный интерес к работе и оказавшим существенную помощь в ее реализации; сотрудникам Института гидрогеологии и гидро-физики МН-АН РК Паничкину В.Ю., Трушель Л.Ю., Мирошниченко О.Л., а также гидрогеологам КОМЭ и ОГИНГЕО во птаве с В.А. Киктевым, осуществившим практическую отработку технологии на реальных объектах; сотрудникам лаборатории космическою мониторинга региональных геосистем Института космических исследований МН-АН РК, взявшим на себя основной объем программирования и нелегкий труд по корректировке и оформлению текста диссертации. Автор признателен: В.А.Амелькину, Д.Н.Беляшову, М.Ш.Ишанкулову, В.М.Мирласу, А.А.Никитину, В.А.Сиротюку, советы и поддержка которых в значительной мере способствовала завершению работы; М.М.Бежановой, А.А.Преснякову и М.И.Рахимбердиеву, нашедшим время ознакомиться с работой и высказавшим ряд ценных предложений и замечаний, а также проф. А.Иссару и проф. А.Гительсону (Универстит Бен-Гуриона,Израиль) за плодотворное обсуждение основных концепций структурного моделирования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРНОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

Первая глава посвящена методологическим вопросам автоматизации наук о Земле. Анализируется специфика процесса познания в науках, объектами исследования которых являются сложные природно-техногенные системы (география, геология, гидрогеология, экология и т.п.). Показано, что они относятся к пограничной области между номотетическими и идеографическими науками. Основная масса исследователей, работающая в них, занимается изучением и описанием конкретных объектов. Их деятельность, в первую очередь, направлена не на обнаружение общих закономерностей, а на создание детального целостного представления (модели) изучаемою объекта и определение его непосредственно ненаблюдаемых характеристик. Отсюда - ведущая роль моделирования в этих науках.

Глобальная структура предметных знаний описательных наук может быть представлена тройкой

<БЗО,БЗЗ,БМЗ>

гае: БЗО - база знаний об объектах предметной области; БЗЗ - база знаний, о задачах предметной области и сценариях их решения; БМЗ -база методических знаний, регламентирующих особенности постановки и реализации задач для различных классов объектов.

Эти базы знаний образуют информационную и интеллектуальную основу процесса моделирования. Каждая база отличается не только характером знаний, но и формой их представления. Таким образом, одна из ключевых проблем автоматизации описательных наук состоит в необходимости совместного представления и использования различных систем организации знаний.

Для гидрогеологии, как и для большинства описательных наук, характерно различие между персональными базами знаний (ПБЗ) отдельных исследователей и обобществленными базами знаний (ОБЗ), представляющими предметную область в целом. Диалектика взаимосвязей ПБЗ и ОБЗ достаточно сложна. Они являются частями единого механизма, обеспечивающего развитие описательных наук, дополняют и питают друг друга. В первом приближении можно считать, что ПБЗ порождают новые знания, а ОБЗ обеспечивают их селекцию и преемственность. Многие просчеты предшествующих этапов автоматизации описательных наук связаны с недооценкой роли субъекта-исследователя (СИ) и ПБЗ. В отличие от классической однозвенной схемы объект исследования (ОИ) - предмет науки> в основу автоматизации исследований гидрогеосистем следует положить двухзвенную схему - < ОИ - СИ (ПБЗ) - ОБЗ >.

Процесс исследования/моделирования гидрогеосистем, в принципе, является индивидуальным познавательным процессом и связан со сбором, накоплением, анализом и обработкой больших объемов разнородной информации. Результаты моделирования непосредственно зависят от совокупности знаний, которыми располагает субъект-исследователь (СИ), и его способности формулировать вопросы, осмысливать новую информацию и делать правильные выводы. Специалист, обладающий более мощной и лучше организованной базой знаний, имеет неоспоримые преимущества. Чем сложней объект, тем существеннее эти преимущества. Таким образом, одна из главных целей автоматизации описательных наук заключается в расширении совокупности знаний, доступных исследователю, и повышении эффективности их использования.

Особую остроту вопросы выработки новой концептуальной схемы автоматизации приобрели в связи с резким усложнением объектов и задач гидрогеологии, С учетом предшествующего опыта такая схема должна удовлетворять трем главным требованиям. Во-первых, учитывать особенности процесса исследования в описательных науках. Во-вторых, обеспечивать возможность согласованного представления и совместного использования различных тематических и персональных баз знаний. Наконец, максимально использовать знания, накопленные на предшествующих этапах автоматизации. Здесь среди различных подходов наиболее привлекательными являются такие, в рамках которых решение сложной задачи на сложном объекте можно свести к определенной (регулярной) последовательности решений простых задач на простых объектах.

С учетом вышеизложенного в Казахстане основные усилия в последние годы были направлены на развитие технологии структурного моделирования гидрогеосистем. Как нам кажется, на сегодняшний день она наиболее полно отвечает перечисленным требованиям. На концептуальном уровне применение технологии структурного моделирования характеризуется следующими ключевыми моментами:

- переходом от представления сложной природной среды в виде единой замкнутой модели к ее представлению в виде открытой системы взаимодействующих моделей отдельных компонентов;

- выделением и унификацией соединительных конструкций и правил сопряжения моделей компонентов;

- организацией знаний, обслуживающих процесс моделирования, по принципу формализованных систем -.исчислений. В общем случае такие системы включают множество базисных элементов (аксиом) и правила построения новых объектов.

Необходимыми условиями применимости структурного подхода являются:

- возможность разбиения изучаемой гидрогеосистемы на части (структурные компоненты), каждая из которых может рассматриваться в качестве самостоятельного объекта при решении прикладных задач;

- возможность синтеза целостного решения задачи из решений, полученных для отдельных структурных компонент, в частности, за счет учета эффектов, связанных с взаимодействием между ними.

Переход к структурным технологиям моделирования во многом аналогичен переходу к структурным методам в программировании. На практике это означает переход от искусства к дисциплине, основанной

на унификации набора стандартных деталей и правил их объединения в более сложные конструкции. В результате не только обеспечивается возможность моделирования реальных гидрогеосистем с учетом разнообразия их конфигураций, но и сам процесс моделирования. становится более технологичным. Упрощается проблема добавления, удаления или модификации компонентов системы, появляется возможность автономно формировать, совершенствовать и накапливать отдельные модели, "конструировать" сложные структуры из хорошо отлаженных частей, просто и естественно осуществлять их развитие.

В основе структурного подхода лежит обобщенная схема моделирования, изображенная на рис.1. Ее реализация предусматривает:

- отделение моделей гидрогеологических объектов (ГГО) от решаемых на них гидрогеологических задач (ГТЗ);

- разделение декларативных моделей, характеризующих области геофильтрации (ОГФ), от процедурных моделей, описывающих процессы геофильтрации (ПГФ);

- разделение постановок задач и сценариев их решения;

- разделение моделей-"образов", специфицирующих обобщенные типы гидрогеологических условий (ГГУ), и моделей конкретных объектов . (индивидов);

- разделение универсальных моделей ГГО и их целевых подмножеств, использующихся при решении конкретных задач;

- динамическое объединение и согласование моделей ГГО и сценариев решения прикладных задач непосредственно в момент реализации решения.

Схема позволяет независимо формировать и гибко комбинировать модели состояний и процессов (декларативные и процедурные модели), настраивать общие (универсальные) сценарии решения задач с учетом индивидуальных особенностей конкретных ГГО, легко расширять круг приложений, оперативно переходить от формирования моделей к их использованию.

Следует подчеркнуть, что предложенное разделение объектов и задач не является чисто технологическим приемом. В его основе лежит важное методологическое различие между характером и назначением. знаний о природных объектах и о процессе их изучения. Эти знания дополняют и порождают друг друга. Совокупность знаний и незнаний об объекте служит основой для постановки задач, а результаты решения задач - используются для синтеза модели объекта.

Субъект

* исследователь

Модели ГГО

Решение ГГЗ на модели ГГО

Модели ГГЗ

Типовая полная модель ОГ4> (схема ОГФ)

м

Типовая модель ПГФ

(математическая модель)

И

Частная полная модель ОГФ (база данных)

н

Частная модель ПГФ

(ковачво-разн. аппроксимация)

Л"-

Частная целевая модель ОГФ (исходные данные и результаты)

Комыотерная процедура решения ГГЗ

Р

Прикладная конкретная постановка ГГЗ

Индивидуальный сценарий реывния задачи

Теоретическая абстрактная постановка

задачи (формальная постановка)

Универсальный сценарий решения задачи

Систематизация, анализ и оценка опыта формирования моделей ГГО

т

_Т

........

Систематизация,анализ и оценка опыта решения задач

Результаты эмпирических исследований

Систематизация, анализ и оценка опыта формирования моделей ГГЗ

J

Реальные ГГО

4

Рис. 1. Обобщенная схема моделирования ГГС.

Таким образом, речь идет об интеграции в рамках единой технологии двух исчислений, предназначенных соответственно для конструирования моделей структурно сложных гидрогеосистем и для синтеза сценариев решения задач на этих моделях.

Глава 2. СТРУКТУРНЫЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ГИДРОГЕОСИСТЕМ

В соответствии с принципами структурного моделировапиия сложные ГТС представляются в виде взаимосвязанной совокупности простых ГГО, для которых известны модели и алгоритмы решения прикладных задач. Применение методов структурного моделирования позволяет конструировать модели разнообразных ГГС из конечного набора базисных структур, но требует предварительной классификации ГТО и унификации их описаний (моделей).

Гидрогеологическим объектом (ГГО) будем называть часть подземной, гидросферы, выделенную в пространстве и времени путем указания соответствующих граничных условий (ГРУ). Модель (описание) гидрогеологического объекта (ГГО) представляет собой тройку

М (ГГО) = < ОГФ, ПГФ, ГРУ>, где: ОГФ - множество одномоментных состояний выделенной области геофильтрации. В частном случае это может быть одно (начальное) состояние;

ПГФ - множество процессов геофильтрации, определяющих закономерности изменения значений параметров ОГФ в пространстве и времени. Математическими моделями ПГФ обычно служат дифференциальные уравнения в частных производных.

ГРУ - граничные условия, представляющие собой схематизацию внешней, по отношению к объекту, среды. Описание ГРУ предусматривает задание пространственного расположения граничных контуров и процессов взаимодействия с внешней средой.

В принципе, один и тот же ГГО может быть схематизирован различным образом. Выбор вида схематизации (представления) зависит не только от размеров и сложности строения ГТО, но и от целей исследования, требований к точности и достоверности результатов и т.п.

В зависимости от соотношения выделяемых при схематизации ОГФ и ПГФ будем различать четыре класса моделей:

- структурно и функционально простые (одна ОГФ - один ПГФ);

- структурно простые - функционально сложные (одна ОГФ - много ПГФ);

- структурно сложные - функционально простые ( много ОГФ -один ПГФ);

- структурно и функционально сложные (много ОГФ - много ПГФ).

Модель ГТО будем называть структурно простой, если

соответствующая ОГФ схематизирована в виде односвязной фигуры. Модель структурно простой ОГФ в момент времени I может быть представлена двумя множествами

ОГФ (0 = < X, Р(Х,1)>,

где; Х={хк:к=1 ,...,К} - совокупность точек в трехмерном евклидовом пространстве, аппроксимирующих выделенную часть подземной гидросферы (множество X включает и подмножество X *с X граничных точек); Р={Р;Ц=1,...,п} - множество первичных гидрогеологических параметров, характеризующих свойства вмещающей среды и флюида.

Простая ОГФ граничит только с внешней средой и должна быть однородной в пространстве свойств, т.е. значения свойства Р1 для двух любых точек XI и хг е X должны принадлежать одному классу (диапазону однородности), т.е. тосКР^Х],!) - Р1(х?Д)) < в, (1=1,...,п).

Если обозначить множество, элементами которого являются классы однородности значений свойства Р| через Г),= ( Оп, П|2,..., 0,к,}, то множество различных типов простых ОГФ будет представлять собой декартово произведение 0=В1 х х... х Оп. Это множество образует базис для конструирования моделей структурно сложных систем. Конструирование осуществляется с помощью системообразующих отношений.

В работе доказывается, что для формирования моделей ОГФ, допускающих плоскопараллельную (послойную) схематизацию, необходимо четыре бинарных отношения:

- 1*1 (а1,а2) - "контактировать в разрезе (по потоку)". Это отношение позволяет объединить две простых модели (ах и аг), области геофильтрации которых лежат в одном водоносным пласте, полностью покрывают его в плане и имеют общую границу в сечении потока;

- Я2 (а1,а2) - "контактировать в плане (на одном слое)". Это отношение служит для сопряжения моделей, области геофильтрации которых располагаются в пределах одного водоносного слоя, частично покрывают его в плане и имеют общую границу;

- 113 (а1,а2) - "располагаться над/под (сверху/снизу)". Это. отношение позволяет объединить два обекта, если их области геофильтрации лежат в разных горизонтах, но имеют общую границу, через которую реализуется движение флюида в вертикальном направлении;

- (а1,а2) - " являться частью/целым". Это отношение позволяет задать иерархический порядок (вложенность) компонентов ГТС.

ГГС, модели которых конструируются с помощью отношений одного вида, будем называть комплексами. В соответствии с количеством базисных отношении различаются четыре тина комплексов: каскад, мультиконтурнает структура, многослойная структура и иерархическая структура (дерево).

Линейная последовательность (конкатенация) двух и более простых моделей, связанных попарно отношением "контактировать по потоку", образует комплекс тина каскад (рис,2(1а)). Примером каскада могут. служить кусочно-линейные пласты.

' Совокупность одной и более пар простых моделей, связаных отношением "контактировать в плане", образует комплекс типа мультикоитурная структура (рис.2(2а)). Пример: планово-радиальные пласты. Любой элемент мультиконтурной структуры может граничить с несколькими другими. Таким образом, это отношение позволяет конструировать сложные мозаичные структуры на одном слое .

Совокупность двух и более компонент, связанных попарно отношением "располагаться над/под", образует комплекс типа многослойной структуры (рис.2(3а)).

Совокупность моделей, связанных друг с другом отношением "являться частью/целым"; образует иерархическую структуру (дерево) (рис.2 (4а)). Количество -уровней иерархии определяет ранг дерева. Любой компонент дерева может включать произвольное число моделей компонент более низкого ранга и, в свою очередь, может входить в. качестве подструктуры в модель более высокого ранга.

В общем случае любой комплекс может выступать в качестве самостоятельного компонента в структурных отношениях. Более того, одна и та же модель (структура) может участвовать в нескольких различных отношениях. Это позволяет конструировать модели ГГС произвольной сложности.

Описание ГГС, выполненное в термипах конечного набора базисных структур и отношений между ними, будем называть

1. Каскад (вид в разрезе)

ЩЩр

1

А1

А1 А2 АЗ

а)

АЗ

1*1(1,2) 112(2,3) б)

2. Мультикоптурная система (вид в плане )

Е2(1,2) 112(2,3)

I.

а)

б)

3.Многослойная система (вид в разрезе)

л

■.'■Ши^м щ км* »

А1 А2 АЗ А4

а)

б)

4.Дерево. Иерархическая: система (вид в плане)

а) 6)

Рис. 2. Базисные комплексы и их структурные схемы.

структурной схемой. Структурная схема представлят собой ориентированный граф, вершины которого соответствуют моделям компонент, а дуги - отношениям между ними. На рис.2 представлены структурные схемы, соответствующие типовым комплексам. Правила конструирования различных структур можно задать в виде порождающей грамматики языка описания структурных схем (ЯОСС). Для записи продукций воспользуемся модифицированной формой Бэкуса-Наура (БНФ), включающей следующие метаязыковые конструкции:

1. Все нетерминальные символы языка заключаются в скобки <и >;

2. Символ ::= означает "по определению есть";

3. Символ I служит для разделения альтернатив;

4. Конструкция + (...) указывает на возможность одного и более повторений выражения, заключенного в круглые скобки, а конструкция * (...) - на возможность пуль и более повторений.

Упрощенный синтаксис ЯОСС может быть описан следующим набором продукций;

<с-с модель> ::= <комплекс> I <с-с модель> *( скомплекс. >)1 <с-с модель> *( <отношение> <комплекс>) <комплекс>::= <каскад> I <м-к структура> I <м-с структура:»! <дерево>

<отношение>::= Ш I 112 I 113 I Я4

< каскад >:: = < с-п модель> +( Ю < с-п модель>) <м-к структурах: = +(<с-п модель> Я2 < с-п модель>) <м-с структура>:: = < слой> + ( НЗ < слой>)

< слой >:: = <с-п модель>1 <м-к структура>1<каскад> <дерево> ::= < вершина> + ( И4 < вершина>) <вершина> ::= <с-п модель>1 <комплекс>

Здесь: с-с модель - структурно сложная модель; с-п модель - структурно простая модсль;м-к структура - мультиконтуная структура;м-с структура многослойная структура.

Нужно сказать, что не все синтаксически допустимые конфигурации являются семантически истиными. Критерию истинности удовлетворяют только те структуры, которые реализуются в природе. Для конструирования структурных схем, непротиворечащих законам природы,

в набор аксиом исчисление ГГО включено множество бинарных отношений, фиксирующих допустимые сочетания базисных типов гидрогеологических условий в пространстве.

• Модель ГГО является функционально простой, если в соответствующей ОГФ действует только один процесс, и функционально сложной, если в ОГФ действует одновременно несколько различных процессов. Описание перечня ПГФ задается функциональной схемой. Отметим, что разделение ОГФ и ПГФ (структурной и функциональной схемы) дает возможность независимо формировать, совершенствовать и комбинировать модели состояний и процессов.

Полное описание ГГС получают путем объединения структурной и функциональной схем, которое может осуществляться динамически (непосредственно в момент решения задачи). В случае одного процесса объединение реализуется путем векторизации структурной схемы, т.е. заданием ориентации структурных связей (отношений) с учетом направления действия процесса, которое, обычно, совпадает с направлением движения воды. Объединение структурной и функциональной схем будем называть нормализованной комплексной схемой описания ГГС. Она представляет собой ориентированный мультиграф, различные дуга которого отвечают различным процессам, и является основой для формирования расчетных схем решения конкретных задач (сценариев моделирования).

Глава 3. СИНТЕЗ СЦЕНАРИЕВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Модели ITC могут использоваться для решения самых разнообразных гидрогеологических задач (ГГЗ). Каждая прикладная задача характеризуется своей постановкой, которая может быть представлена пятеркой:

< Zo, Zk, S, К, D >, где Zo - начальное состояние;

Zk - множество конечных (целевых) состояний;

S - множество сценариев решения задачи (СРЗ), отличающихся качеством результата и ресурсами, необходимыми для его получения;

К - критерии оценки качества результатов решения;

D - ограничения на сроки и ресурсы, выделенные для решения.

Отметим, что начальное состояние фиксирует как то, что известно (дано), так и то, что требуется найти. Конечные состояния соответствуют

возможным вариантам ответов. В принципе, различие между тем, что дано, и тем, что требуется найти, может служить основанием для классификации и упорядочения множества задач.

Сценарий, позволяющий решить задачу для одного конкретного объекта, будем называть индивидуальным, для любого конкретного объекта некоторого базисного класса - типовым, для конкретного объекта' любого из базисных классов - универсальным. Универсальные и типовые сценарии должны иметь возможность настраиваться на определенные условия (в частности, класс объекта, виды процессов и т.п.). С этой целью они содержат специальные параметры для настройки. Настройка осуществляется динамически в момент вызова СРЗ. В процессе настройки вместо операций подставляются соответсвующие программные модули. Настроенный СРЗ представляет собой программу, готовую к выполнению на компьютере.

Таким образом, в общем случае решение задачи предусматривает:

- выбор (с учетом ограничений и критерия качества) конкретного СРЗ и еш настройку ß соответствии с реальными условиями;

- реализацию настроенного снгнария.

Подобно множеству ГГО множество ГГЗ также имеет иерархическую структуру, отражающую отношение "задача - подзадача". Задача называется простой, если сценарий ее решения не использует" сценариев решения других задач, и структурно сложной, если сценарий ее решения может быть сконструирован из сценариев решения других задач. Таким образом, простота или сложность задачи определяется не постановкой! а сценарием решения.

Будем называть СРЗ структуризованным, если соответствующая ему блок-схема состоит только из конструкций структурного программирования:

- простой блок;

- предикатный блок (if then else);

- циклы ( for, while, until).

- вызов подпрограммы ( call).

Основу исчисления ГТЗ образует множество структуризованных сценариев решения простых задач для простых моделей. Они используются в качестве исходных конструкций для синтеза сценариев моделирования структурно сложных ITC. Сценарии решения задач" удобно представлять в канонической форме. В частности, каноническая форма сценария решения прямой стационарной задачи имеет вид:

begin: So......S*.....-— Sk-----> end

где: So - преамбула;

S* - основной блок ( ядро );

Sk - итерационный тест ( i=max or mod (Hi-Hi-j) < eps ). Для нестационарной прямой задачи каноническая форма СРЗ представляется следующей схемой

begin: So......S*.......Sk-----St --— end

I_I I

где: So - преамбула;

S* - основной блок (ядро);

Sk - итерационный тест для очередного временного шага;

St - time-тест на завершение решения (t > Tk ).

Настройка сценария решения прямой задачи может предусматривать задание: размерности модели (одно-, двух- или трехмерная); типа аппроксимации ( например, конечно- разностная схема); метода реализации, (например, метод прогонки) и т.д. В частности, для конечно-разностных аппроксимаций основной блок может представлять модуль прогонки, а дополнительные параметры настройки включать: вид схемы (явная или неявная), шаблон (число и конфигурация точек), направление прогонки и т.п.

Синтез конкретного сценария решения задачи осуществляется на основании структурной схемы моделируемой ГТС. При этом необходимо обеспечить два вида сопряжения: сопряжение по управлению, определяющее последовательность решения задачи на отдельных моделях и сопряжение по информации, предусматривающее согласование граничных условий связываемых моделей. Сопряжение по управлению реализуется путем выбора моделей в порядке, определенном нормализованной структурной схемой. Сопряжение по информации реализуется с помощью специальных процедур. По аналогии с аппаратно-программными устройствами для стыковки гетерогенных информационно-вычислительных сетей будем называть эти процедуры - "шлюзами". В процессе синтеза для каждой компоненты выбирается соответствующий СРЗ, а вместо отношений подставляются процедуры "шлюзы". Каждой допустимой паре базисных классов моделей и каждому типу отношения

соответствует определенный "шлюз", реализующий их сопряжение. Конечному набору базисных классов соответствует конечное множество "шлюзов". При этом добавление или удаление любого базисного класса связано только с разработкой или модификацией соответствующих процедур. В общем случае "шлюзы" должны обеспечивать сопряжение компонент с учетом: . временной разномасштабности процессов; особенностей пространственной схематизации областей геофильтрации и их конечно-разностных апроксимаций (сеток); различия граничных условий.

Предложено различать следующие типы "шлюзов".

1. О - шлюз. Фиктивный шлюз, не предусматривающий никаких преобразований.

2. Н-шлюз, осуществляет сопряжение ГРУ при несовпадении размерности стыкуемых моделей.

3. 1-шлюз, используется для стыковки конечно-разностных сеток моделей при несовпадении узлов на общей границе.

4. Н - шлюз, позволяет определить значения ГРУ2 в узлах сети, для которых имеются значения ГРУ1, при известных типах ГРУ или по. заданной функциональной зависимости ГРУ2= Г (ГРУ1).

5. Т-шлюз, применяется при стыковке моделей отличающихся скоростью течения процессов.

6. Б-шлюз, используется в случаях, когда объекты непосредственно не контактируют в пространстве (например, два водоносных горизонта. В этом случае шлюз имитирует разделяющий слой).

В работе приводятся алгоритмы реализации соответствующих "шлюзов", часть которых известна из литературы и успешно использовалась на практике.

При стыковке некоторых моделей может возникнуть необходимость использовать комбинации различных простых "шлюзов". При этом порядок некоторых преобразований фиксирован (например, Т-шлюз всегда первый), а некоторые можно изменять, например Я-1-Н- или Н-1-Я.

Таким образом, для синтеза сценариев моделирования ГГС используются два типа исходных конструкций: сценарии решения задач на базисных типах моделей и процедуры - "шлюзы" для их сопряжения.

В основе алгоритма синтеза лежит следующая лемма.

Лемма. Пусть: Sl-сценарий решения прямой нестационарной задачи на модели Ml; S2- сценарий решения прямой нестационарной задачи на М2; q (1,2) - шлюз, реализующий сопряжение Ml и М2, Тогда СРЗ на модели R1(M1,M2) будет иметь вид begin: So------S*-------Sk.....St -— end

где: So = Slo U S2o - объединенная преамбула;

S* - ядро, которое имеет вид SI* - q (1,2) - S2*;

Sk - итерационный тест для очередного временного шага;

St - time-тест на завершение решения (t > Tk).

Таким образом, решение прямой нестационарной задачи для двух моделей реализуется по следующей блок-схеме:

1) выполнение расчетов для текущего временного шага на первом объекте и определение ГРУ1 (T,+i) i=0,k-l;

2) выполнение соответствующего шлюза и расчет значений ГРУ2

(Ti+i);

3) решение задачи для текущего временного шага на втором объекте;

4) проверка итерационного теста для очередного временного шага;

5) проверка условия завершения решения (йте-тест). Примечание. Возможны и другие структуры представления

синтезированного сценария. Например, итерационные тесты можно сохранить для каждого объекта в отдельности, а в конце осуществлять проверку их согласования. В принципе, преамбулы могут быть включены в этап настройки и также выполняться перед вызовом расчетного ядра.

Обобщением леммы является следующая теорема о синтезе СРЗ для каскадов, которую несложно доказать методом математической индукции. Теорема I, Пусть:

- Rl ( Mi,...,Mn) - схема каскада;

- S={Si:i=l ,...,п) - множество сценариев решения задачи, причем Si - СРЗ на Mi-ой модели;

- Q1 ={ql (i,j)} - множество'"шлюзов", реализующих отношение R1, причем ql (i,j) обеспечивает сопряжение моделей Mi и Mj.

Тогда сценарий решения задачи может быть представлен схемой:

begin: So------S*........Sk-----St-----end

l__I I

ще: So = U Sio- объединение преамбул;

S* = Sl* - ql (1,2) - S2* -.... - gl (n-l,n) - Sn*;

Sk - итерационный тест для очередного временного шага;

St - time-TecT на завершение решения (t > Тк).

В работе приводятся формулировки и доказательства теорем о синтезе сценария решения прямой задачи для мультиконтурной, многослойной и иерархической структур, а также алгоритм синтеза СРЗ для произвольных ITC. Показано, что аналогично могут быть построены и сценарии решения сложных задач на моделях ГТС, имеющих регулярную структуру, т.е., когда процесс решения сводится к ее последовательному обходу. Более того, изложенные выше методы доказательства можно расширить и для случаев, когда исходная комплексная схема ГГС допускает возможность распараллеливания.

Глава 4. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ ТЕХНОЛОГИИ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Технология структурного моделирования базируется на трех обеспечивающих контурах:

- методологическом, определяющем и обосновывающем целостное концептуальное представление процесса моделирования;

- теоретическом, представленным, в частности, исчислениями для конструирования моделей ГГС и синтеза сценариев решения прикладных задач моделирования;

- инструментальном, объединяющем информационные, лингвистические, программные и технические средства, необходимые для реализации технологии на компьютере.

Концептуальные основы технологии изложены в главе 1. Теоретическому обеспечению посвящены главы 2 и 3. Инструментальный комплекс представляет собой автоматизированное рабочее место (АРМ) гидрогеолога на базе персональных компьютерах типа IBM PC. На рис 3. приведена укрупненная схема АРМ, включающая три функциональных подсистемы: подсистему проектирования моделей ГТС; подсистему проектирования СРЗ; подсистему моделирования, обеспечивающую синтез и реализацию сценариев решения прикладных задач.

Отметим, что АРМ имеет "двухэтажную" архитектуру. Первый "этаж" образуют средства моделирования простых объектов.

и

Подсистема _общении

Подсистема проектирования _ моделей ГГС_

Правила схематизации

Редак-

"ОБРАЗЫ ОГФ тор схем

"ОБРАЗЫ ПГФ

СХЕМЫ ГГС

Подсистема моделирования ( решение задач )

Генератор сценариев

X

БМЗ

Интерпретатор _схем

Подсистема проектирования СРЗ

Постановки

ГГЗ

Редактор

Типовые СРЗ

СРЗ

Процедуры "шлюзы"

ЦБД

М1

Редак- М2

тор

моделей

Мп

Монитор задач

Описание параметров ГГЗ

Си

Fortran f

ОБД J

Библиотека модулей

Рис. 3. Архитектура средств поддержки технологии структурного моделирования ( I - простые ГГО, II - ГГС ).

К ним, в частности, относятся: Редактор моделей, Библиотека модулей, из которых собйраюся сценарии решения прикладных ГГЗ и Монитор задач, управляющий процессом решения простых задач на моделях простых объектов. Второй "этаж" базируется на первом и обеспечивает моделирование структурно сложных ГГС. В его состав входят: Редактор структурных схем ГТС; Библиотека процедур-"шлюзов"; Генератор СРЗ, осуществляющий синтез сценариев моделирования на моделях ГГС; Интерпретатор схем, обеспечивающий выполнение СРЗ на структурно сложных: моделях. Важную роль в функционировании АРМ играет подсистема общения, которая осуществляет взаимодействие с пользователем на основе специальных сценариев диалога.

В принципе, каждому гидрогеологу, занимающемуся исследованием реальных пщрогеосистем, нужен свой - индивидуальный АРМ. В тоже время методологические основы, теоретическая база и системные соглашения по организации АРМ могут и должны быть едиными. Один из способов разрешения этого противоречия, успешно применявшийся при создании экспертных систем, заключается в разделении, так называемой, "оболочки" и содержательного наполнения АРМ. При этом "оболочка", представляющая собой комплекс инструментальных средств, является типовой, а содержательное наполнение - индивидуальным.

Основу содержательного наполнения конкретного АРМ образует персональная база знаний (ПБЗ). Выше мы показали, что совокупность предметных знаний ; гидрогеолога можно разделить на: базу знаний о гидрогеологических объектах (БЗО); базу знаний о гидрогеологических задачах и сценариях их решения (БЗЗ) и базу методических знаний (БМЗ). Содержание БЗО и БЗЗ определяется сферой профессиональной деятельности пользователя. Обычно, каждый гидрогеолог специализируется на изучении определенных классов объектов (зона аэрации, зона полного насыщения, региональная гидрогеология и т.п.) или на решении некоторого класса задач (прямые задачи геофильтрации, обратные задачи, задачи тепло-массопереноса, задачи управления и т.д.). Содержание БМЗ образует совокупность соображений и правил, позволяющих обосновано осуществлять: схематизацию гидрогеосистем; синтез сценариев моделирования; выбор математических моделей, описывающих различные ПГФ и параметры их конечно-разностных аппроксимаций; выбор метода решения задачи для каждого конкретного ГГО; выбор процедур сопряжения моделей и т.п. Перечисленные знания особенно важны для эффективного функционирования АРМ. К сожалению, их формализации уделяется крайне мало внимания.

Престижней разработать новый метод, чем определить область применеииия уже известных. Представлять соответствующие знания наиболее целесообразно в виде множества продукций, фиксирующих условия выбора альтернатив.

В рамках автоматизированной технологии структурного моделирования исследователю предоставляются возможности для конструирования и описания структурных схем ГГС, формирования моделей ГТО и описаний ГТЗ, формулировки запросов на решение прикладных задач. В работе описаны состав и структура информационных и программных средств банка гидрогеологических данных и банка процедур, использующихся для реализации перечисленных функций.

В современных гидрогеологических исследованиях приоритет отдается изучению регионов с экологически неблагополучной обстановкой и, в первую очередь, зонам интенсивного техногенного воздействия на окружающую гидросферу. Обычно, это участки искусственного орошения земель, интенсивно эксплуатируемые месторождения подземных вод, районы подтопления, возникшие в результате создания и эксплуатации различных пиротехнических сооружений и т.п. Использование компьютерного моделирования в таких случаях является эффективным инструментом исследования, позволяющим, например, оценить влияние инженерных сооружений на подземную гидросферу, дать прогноз изменения гидрогеологических условий в результате проведения агромелиоративных мероприятий, выбрать оптимальный режим эксплуатации месторождений подземных вод. За последние годы в Казахстане выполнен ряд работ по созданию АПДМ гидрогеологических условий экологически неблагополучных регионов на основе комплексного использования технологии структурного моделирования и геоинформационных систем. В диссертации приводятся результаты исследований, представляющих наибольший научный и практический интерес.

Иерархическая система гидрогеологических моделей Казахстанской части побережья Каспия, низовьев р.Урал и района г.Атырау создана для прогноза подпора подземных вод вследствие трансгрессии моря. Подъем уровня Каспийского моря вызвает подтопление значительной территории, на которой расположены жилые здания и промышленные объекты, включая нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие предприятия. Для моделирования динамики гидрогеологических условий Казахстанской части побережья- Каспия

была создана иерархическая система постоянно действующих моделей различного масштаба. С одной стороны, это позволяло учесть не только влияние Каспийского моря, но и таких локальных факторов, как потери воды из коммуникационных сетей, уменьшение испарения с поверхности грунтовых вод на застраиваемых территориях и т.п., способных оказывать существенное воздействие на режим подземных вод. А с другой -обеспечивала возможность постоянного развития системы,' а также уточнения отдельных моделей, в соответствии с изменением реальной ситуации. Первая очередь системы структурно схематизирована в виде иерархии трех компонент: базисной региональной модели территории масштаба 1:500000, модели низовьев реки Урал масштаба 1:200000 и модели подземных вод г.Атырау масштаба 1:10 ООО (см. рис.4). В работе изложены принципы схематизации каждой из компонент и обоснован выбор граничных условий.

Сценарий моделирования включал три основных этапа. Цель' первого этапа состояла в воспроизведении процесса фильтрации подземных вод на условно ненарушенный период (1977г) при отметке уровня воды в Каспийском море -29м. Для этого па каждой модели решалась обратная стационарная задача. Критерием завершения решения являлось совпадение отметок уровней подземных вод, замеренных по скважинам и полученных на моделях с заданной точностью. На втором этапе воспроизводился процесс трансгрессии Каспийского моря и соответствующая динамика подъема уровней подземных вод. Этот процесс имитировался путем решения обратной нестационарной задаче на системе моделей с .граничными условиями I рода в точках, которые перемещались в пространстве в соответствии с динамикой затопления побережья Каспийским морем с 19"77 по 1992г. В течении этого времени уровень поднялся с -29 до -27.1 м. На третьем этапе осуществлялся прогноз дальнейшего изменения уровня грунтовых вод (до 2020г).

В работе подробно описаны основные результаты, полученные в процессе моделирования на региональной модели и врезке 1 уровня. Анализ решения прогнозной задачи на модели г.Атырау показал, что при изменении уровня воды в р.Урал от отметки -26.84м в 1993г. до -26.5м в 2015г. и стабилизации инфильтрационного питания в черте города на уровне 1993г. подъем подземных вод произойдет лишь в прирусловой зоне шириной до 200 м. Величина подъема уровня в 100 м от русла реки не превысит 0.5м. На расстоянии 200м эта величина будет составлять 510 см. Таким образом, удалось показать, что подъем уровня Каспийского моря пе оказывает существенного влияния на режим грунтовых вод на

Pf ч'эктор r*iu w KASPIY

'{»аилы Ouc|i<nm«i иск М«ч»ллн KOMM

м-м «тьц аш РЛ1П TUJI НАИЧННОНАНИИ ] О.ТЧА

KASPIV »401 KASPJY REGION R402 BECION URAJ. R403 HU AI. ATVt! All 00 01 02 OJ HC ггспосЕР. Клавы I IIM ITIUOHAJIbllAJl ИМ МОДЕЛЬ Г.УРАЛ | ПМ M ОПЕЛЬ Г. АТЫРАУ | KASHV В4 I__REGION а« 1___UKAL R« 1 ATVKAI

1-рогиональная модель; 2-модель низовьев р.Урал; 3-модель г.Атырау; 4- спецификация схемы

4 0 d S !2 Н КМ

El

5 /'N0

1>2' положение пшрошошлс но состоянии» на 1977г.; 1-ио фактическим данным; 2- полученное па модели; 3-граппцы модели; 4-рска Урал; 5-коитуры модели П уровня; 6-Ссрсговая линия Каспи>

m

ЕЗ' IZJ'

15 I (Ii 1.0 14 КМ

1-1ПОЛШШИ подъема уровня грунтовых иод к 2010г. (м) относительно 1993г.; 2-конгуры модели; 3-рска Урал; 4-контуры территории г-Атырау.

Рис. 4. Система гидрогеологических моделей побережья Каспийского моря. I- Структурная схематизация. Н- Результаты решения обратной задачи на модели 2-го уровня. III- Прогноз подпора грунтовых вод гАтырау

территории г.Атырау и сказывается лишь в узкой приречной полосе. Подпор грунтовых вод на территории города обусловлен, в первую очередь, процессами самоподтопления за счет утечки из водопроводных и канализационных сетей города, поливов зеленых насаждений и фильтрации из ирригационных каналов. Свою роль в процессе подтопления города играет и ликвидация естестенных и искусственных дренажных коллекторов.

Система взаимосвязанных разномасштабных моделей гидрогеологических условий Восточного Приаралья разработана с целью оценки запасов месторождений подземных вод и обоснования режимов эксплуатации водозаборов. Нарушение экологически обоснованных норм отбора воды из рек Аму-Дарья и Сыр-Дарья привело не только к усыханию Аральского моря, но и к сильному загрязнению поверхностных и фунтовых вод сельско-хозяйственными стоками. В результате население Приаралья, включая города Кзыл-Орду, Байконур, Аральск и др., испытывает острый недостаток питьевой воды. Единственным реальным источником качественных пресных вод в регионе являются глубоко залегающие горизонты меловых отложений. Но при их эксплуатации, нужны особые меры предосторожности, а также разумное регулирование режима водоотбора. Дело в том, что в гидрогеологическом отношении район Восточного Приралья представляет собой сложную систему взаимосвязанных артезианских бассейнов различного порядка, состоящих из сильно минерализованных и пресных водоносных комплексов, разделенных слабопроницаемыми глинистыми отложениями. Нарушение гидродинамического баланса может привести к перетеканию соленых и загрязненных вод с верхних "этажей" и к обострению экологической обстановки.

Для получения точных, научно обоснованных оценок ресурсов и качества подземных вод артезианских бассейнов Казахстанской части Приаралья и учета гидродинамических эффектов их взимодействия, было принято решение, используя технологию структурного моделирования, построить систему автоматизированных постоянно действующих моделей (АПДМ), адекватную реальным гидрогеологическим условиям региона. В работе описаны результаты формирования первой очереди АПДМ, объединяющей региональную модель Восточного Приаралья и локальную модель Кзылжарминского месторождения (см. рис.5).

Региональная модель схематизирована в виде многослойной мульти-контурной структуры. В разрезе моделируемая область аппроксимирована четырьмя водоносными горизонтами, (неоген-четвертичным, верхнетурон-

□ ' Н» £3> Q« Bi в. ЕЗ»

1 • гкпропопи»!. посгроеиные по фаггечесадм датеым; 2 - пцроэтопкад, ■юлучошые яа мелели; Э - грлкипы ходсбпасгк 4 - гранмм »«одели; 5 • узлы сети: 6 • контуры локальной модели : 5 - и ват ар кх Apamexoro мер«

III E3iE3 EU« HJ. E3i ЕЭ- ЕЯ'

1-2 • положение гизраадельег м состоянию и« 1974 г.; 1-п» жеп*-рмченгалмшм яанным: 1-(ычнеясян«в tu мвдгязд 3-*о«|жы« i«mkm (скаажнны); 4-в введенный жук «CT! 5-р.Сырдарк»; в-грлиицы м*дсЛН| >тлы с*тм

Рис. 5. Система моделей гидрогеологических условий Восточного Приаралья .1 - Структурная схематизация. II - III.- Результаты решения обратной стационарной задачи: II - на региональной модели; III - на локальной модели.

сенонским, верхнеальб-сеноманским и нижне-среднеальб-юрским). При схематизации в плане первый горизонт был разделен на 11 водно-балансовых зон (контуров), имеющих самостоятельные области питания и разгрузки. При районировании остальных горизонтов выделено по 9 таких зон. Локальная модель состоит из трех водоносных горизонтов, два из которых (верхний и нижний) содержат сильно минерализованные воды.

В соответствии со сценарием моделирования, как и при моделировании Казахстанской части побережья Каспийского моря, вначале воспроизводились ненарушенные условия формирования подземных вод региона (1962г), а затем имитировался режим водоотбора в последующие годы. Расчеты осуществлялись с учетом регрессии Аральского моря. В процессе решения стационарных и нестационарных обратных задач осуществлялся подбор фильтрационных параметров водоносных и разделяющих горизонтов, уточнялись граничные условия, определялись гидродинамические характеристики потоков, оценивались величины площадного питания и разгрузки для каждого контура. Точность решения контролировалась сравнением расчетных уровней с замерами на наблюдательных скважинах. Отклонения, как правило, не превышали 3-5%.

Многовариантные расчеты на системе моделей позволили уточнить запасы пресных вод напорных горизонтов Кзылжарминского МПВ, оценить темпы сработки уровней подземных вод и осуществить прогноз их динамики при различных режимах эксплуатации. В частности, удалось показать что основную угрозу загрязнения пресных вод представляет верхний горизонт. Следует подчеркнуть, что в ходе исследований были получены новые результаты, существенно расширившие научные представления о факторах, влияющих на формирование и разгрузку подземных вод глубоко залегающих горизонтов Восточного Приаралья.

В работе также приведены результаты формирования и тестирования постоянно действующей эколого-гидрогеологичсской модели Алматинского промрайона, созданной для оценки и прогноза загрязнений подземных вод промышленными и коммунальными отходами. Водоснабжение г.Алматы на 50-60% базируется на подземных водах одноименного месторождения. В результате интенсивного водоотбора' понижение уровня подземных вод на отдельных водозаборах достигло 4050 м. и охватывает территорию общей площадью более 1500 кв.км. Огромную опасность для городского хозяйственно-питьевого водоснабжения представляет интенсификация процессов загрязнения

подземных вод. Лабораторные определения показывают, что в настоящее время фенолами и нефтепродуктами загрязняется верхняя эксплуатируемая 150-метровая толща четвертичного водоносного горизонта. Наиболее опасными в этом отношении являются участки расположения Первомайской нефтебазы и золоотвалов ТЭЦ-1. По результатам опробования наблюдательных скважин, пробуренных на этих участках, отмечено повышенное содержание в них Мп (7-10 ПДК), нефтепродуктов (4 ПДК и более), фенолов (до 20 ПДК), Сё (10 ПДК). Основными причинами, вызывающими загрязнение, являются потери промышленных стоков, выпадение на почву, а затем просачивание в водоносные горизонты вместе с осадками продуктов сгорания топлива на ТЭЦ, в котельных, печах и автомобилях, а также потери фекальных стоков из канализационной сети.

Структурно модель является частью Илийского артезианского бассейна и схематизирована в виде многослойного комплекса. Отличительной чертой модели является ее многофункциональность. Она может быть использована для прогноза динамики уровней и напоров подземных вод, управления режимом эксплуатации водозаборов, контроля распространения и миграции загрязнений. В настоящее время ведутся работы по интеграции модели в ГИС "Экология Алматы".

Приведенные в работе результаты моделирования реальных пщрогео-систем, достаточно убедительно демонстрируют преимущества технологии структурного моделирования. Важнейшими из них являются: создание систем моделей, адекватных сложным гидрогеологическим условиям; увеличение точности, а зачастую и скорости решения прикладных задач; повышение гибкости и организованности процесса моделирования. Эти преимущества с лихвой компенсируют усилия, затрачиваемые на формирование структурных схем гидрогеосистем.

Дальнейшее развитие технологии, в первую очередь, связано с реализацией механизмов эффективного распараллеливания процесса моделирования. В этой связи наиболее перспективным представляется переход к созданию распределенных систем моделей, базирующихся на информационно-вычислительных сетях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы и результаты настоящей диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработаны концептуальные и теоретические основы структурного моделирования, представляющего собой качественно новый этап развития средств и методов автоматизации исследования сложных природно-техногенных систем. В соответствии с принципами структурного моделирования сложные системы представляются в виде взаимосвязанной совокупности компонентов, для которых известны модели и алгоритмы решения прикладных задач. Это позволяет использовать при моделировании сложных систем знания, накопленные при работе с простыми объектами. Определены условия и области эффективного применения структурных методов в описательных науках.

2. В рамках структурного подхода базы знаний, обеспечивающие информационную и интеллектуальную поддержку процесса моделирования, организуются по образцу формализованных систем исчислений, состоящих из множества базисных элементов (аксиом) и правил построения производных структур. Показано, что для реализации технологии структурного моделирования в гидрогеологии необходимо построить два взаимосвязанных исчисления. Одно для конструирования описаний гидрогеосистем, а второе для синтеза сценариев их моделирования.

3. Разработаны методы конструирования моделей структурно сложных ГТС. В качестве базисных элементов (аксиом исчисления) предложено использовать конечное множество типовых гидрогеологических условий и набор системообразующих отношений, регламентирующих их сочетания в пространстве. Доказано, что для формирования моделей гидрогеосистем, допускающих послойную схематизацию, достаточно четырех бинарных отношений (контактировать по потоку, контактировать в плане, контактировать в разрезе и являться целым/ частью). Сформулированы правила, позволяющие строить с • помощью этих отношений типовые комплексы (каскад, мультиконтурную структуру, многослойную структуру, иерархическую структуру), а так же их комбинации.

4. Разработаны методика и алгоритмы синтеза сценариев моделирования гидрогеосистем. В качестве базисных конструкций предложено использовать сценарии решения задач для различных гидрогеологических условий и множество специальных соединительных процедур-"шлюзов". Методика основана на доказательстве леммы и теорем о синтезе сценариев решения задач для структурных комплексов. В общем случае "шлюзы" призваны обеспечить сопряжение моделей с учетом временной разномасштабности процессов, особенностей пространственной схематизации областей геофильтрации и их копечно-разностных аппроксимаций, различия граничных условий. Проведена классификация возможных условий сопряжения реальных гидрогеологических объектов и показано, что в целом ряде практически важных случаев процедура их стыковки может быть сведена к комбинации типовых преобразований, из которых и генерируются конкретные "шлюзы".

5. Разработаны и внедрены в ряде научно-исследовательских и производственных организаций Казахстана инструментальные средства АРМ-ГГ, обеспечивающие поддержку технологии структурного моделирования на персональных компьютеров типа IBM PC. Проведено моделирование гидрогеологических условий экологически неблагополучных регионов республики, в том числе, сформированы системы молелен Казахстанской части побережья Каспийского моря, Восточного Приаралья и Алматинской промзоны. В результате показано, что применение технологии позволяет: существенно расширить спектр моделируемых объектов; создавать модели, адекватные сложным гидрогеологическим условиям; автономно формировать и накапливать типовые модели, процедуры их сопряжения и сценарии решения задач; собирать сложные системы из хорошо отлаженных частей; повысить точность и достоверность результатов моделирования.

6. Идеи и методы, изложенные в работе, могут быть использованы в более широком контексте. В частности, значительный интерес представляет их применение в системах экологического мониторинга для моделирования взаимодействия различных природных сред (атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод и т.п.).

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ Монографии, отдельные издания.

¡.Методические указания по созданию информационно-логической системы и ее применению в геологии /КОМЭ Мингеология КазССР, Алма-Ата, 1978 - 131с. (соавторы: Веселов В.В., Курбанаев М.С.).

2. Современные проблемы проектирования и разработки автоматизированных систем в геологии / Математические методы исследований в геологии (Обзор). М.,1981 - 38 с. (соавторы: Юманов Б.Р., Зейлик B.C., Веселов В.В.).

3. Автоматизированные системы управления и обработки геологической информации на основе банков данных / Разработка и создание АСУ-Геология. ВИЭМС, М., 1982, вып.6 (38) - 72 с. (соавторы: Стихарный А., Сергиенко Е.В.,Симон Л.Д.,Рощин Б.И.).

4. АСУ-Казгеология. Автоматизированные системы обработки технико-экономической информации/ Разработка и создание АСУ-Геология. ВИЭМС,М., 1983, вып.2 (42)-(соавторы: Иванов О.В., Веселов В.В. и др.) -76с.

5. Государственный водный кадастр и автоматизированные системы в гидрогеологии и инженерной геологии /Разработка и создание АСУ-Геология. ВИЭМС,М„ 1983, вып.6 (46) - (соавторы: Куреной В.В., Седов Н.В., Цыганов Г.А., Веселов В.В.) - 52с.

6. Автоматизированная система управления материально-техническим снабжением в геологоразведочных организациях./ Алгоритмы и программы, ВИЭМС, М.,1984, вып.4 (72) - 66 с. (соавторы: Веселов В.В., Верченко A.B.).

7. Техническое задание на разработку типовой автоматизированной постоянно действующей модели гидрогеологических условий региона. Министерство геологии КазССР, КОМЭ, Алма-Ата, 1987, 123 с. (соавторы: Веселов В.В., Мирлас В.М., Паничкин В.Ю.).

8. Автоматизированная система управления моделированием гидрогео-логических процессов / Алгоритмы и программы, ВИЭМС, М., 1987, вып.7 (96) - 107с.(соавторы: Веселов В.В.,Мирлас В.М. и др).

9. Технический проект типовой автоматизированной постоянно действующей моделей гидрогеологических условий региона. Алма-Ата, 1989 - 599с. (соавторы: Веселов В.В., Мирлас В.М. и др.).

Статьи, доклады.

10. Основные задачи и направления развития АСУ-Казгеолошя в 1976-1980г.г. /В сб.:Проблемы развития АСУ-Геология и применения математических методов в геологии (Разработка и создание АСУ-Геология). ВИЭМС.М., 1972, вып.1(4), (соавторы: Абакумов A.A., Веселов В.В., Курбанаев М.С. и др.).

11. Некоторые аспекты построения автоматизированного банка: данных месторождений полезных ископаемых /В сб.: Математические методы при поиске и разведке полезных ископаемых. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1978 - с. 39-50.

12. Об одном подходе к формализации описания геологоразведочного процесса /В сб.: Математическое обеспечение задач геологоразведочного прогнозирования. Алма-Ата, КазИМС, 1984, с.100-110.

13. Перспективы развития автоматизированных систем ' моделирования процессов геофильтрации (АС МГП) на ЭВМ // Тез. докл.на 27-м междунар. геол. конгрессе (Москва, 4-14 августа, 1984г.),М.: Наука,

1984. - Т.УП. Секции 13-16. - с. 531-532 (соавторы: В.В.Веселов, В.М.Мирлас, В.П.Степаненко).

14. Перспективы развития автоматизированных систем моделирования процессов геофильтрации на ЭВМ // Водные ресурсы,

1985,N5,c.l77-184. (соавторы: Веселов В.В.,Мирлас В.М.,Степаненко В.).

15. Принципы организации и архитектура автоматизированной системы управления моделированием гидрогеологических процессов // Вестник Академии наук Казахской ССР, 1985, N9, с.59-66. (соавтор Веселов В.В.).

16. Функции и структура автоматизированных постоянно действующих моделей гидрогеологических условий регионов при решении задач рационального использования и охраны водных ресурсов.// Моделирование и прогнозирование измен, природн. условий при перераспределении водн.ресурсов.: Тез.докл. 2-е Всесоюзн. науч. совещание, Новосибирск: Ин-т гидродинамики, 1987. - с.27 (соавторы: Веселов В.В., Мирлас В.М.).

17. Итога и перспективы работ по развитию общесистемных основ "АСУ-Казгеолошя" / В сб.: Теоретическое и алгоритмическое обеспечение задач вычислительной геологоразведки. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1987, с.4-13. (соавторы: Веселов В.В., Туренко С.К.).

18. Особенности моделирования объектов и процессов геологоразведки с помощью ЭВМ / В сб.:Теоретическое и алгорит-

мическое обеспечение задач вычислительной геологоразведки. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1987, с. 14-24.

19. К проблеме интеграции экспертных и теоретических систем / В кн.; : Экспертные системы и анализ данных. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1988, с.5-11.

20. Разработка автоматизированных постоянно действующих моделей гидрогеологических условий крупных регионов в Казахстане / В кн.: Экспертные системы и анализ данных. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1988, с.116-124, (соавторы: Веселов В.В., Мирлас В.М.).

21. Концепция создания автоматизированных рабочих мест в Геосистеме// Разведка и охрана недр, 1989, N9, с.15-19. (соавтор Сиротюк В.А.).

22. Автоматизированное рабочее место геолога (принципы организации и структура) // В кн.: Материалы Всесоюзного совещания главных конструкторов и разработчиков Геосистемы (МНТК "Геос").М., 1990. С.50-56. (соавтор Сиротюк В.А.).

23. Основные концепции, структура программно-математического и информационного обеспечения автоматизированных постоянно действующих моделей гидрогелошческих условий региона / В кн.: Проблемы гидрогеологии и охраны геологической ■ среды Казахстана. "Наука", КазССР, Алма-Ата, 1990, с.185-200. (соавторы: Веселов В.В., Мирлас' В.М., Паничкин В.Ю.).

24. Модели и схемы формализации геологоразведочных знаний/ В сб: 1 Методологическое й алгоритмическое обеспечение геологоразведочных вычислительных центров. Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1990г. - с.73-84.

25. К проблеме создания автоматизированной системы для решения геолого-прогнозных-задач на основе данных и знаний / В сб.: Модели, методы и технологии прогнозирования полезных ископаемых. Алма-Ата, КазИМС, 1991г, с.46-66 (соавторы: Беляшов Д., Савченко И.).

26. Status and Development of Computing Technlogies of Natural Objekts and Processes Modelling. Research on the Water Resources of the Central Asia. Science and Technology Literature Publishing House. China.1992 - pp. 69-76. (Veselov V.V.)

27. Развитие в Казахстане компьютерных технологий моделирования природных процессов / В сб.: Вопросы изучения водных ресурсов Центральной Азии. Алматы, "Гылым", 1993 - 1 п.л. (соавтор Веселов В.В.).

28. Structural approach to the modeling of complex hydrogeosystems // Geoinformatika, 1993, N1, p.43-48, (Veselov V.V).

29. Системный анализ проблемы организации экологического мониторинга территории Казахстана // Доклады Нациопальнной академии наук Республики Казахстан, 1994, N2, с.З -9. (соавтор Закарин Э.А.).

30. Структурные методы описания гидрогеосистем. / Алматы,1994,-11с. Деп. В КазгосИНТИ, N5281-Ka94.

31. Structural modelling of hydrogeosystems// Reports National Academy of Kazakstan. 1995.N2,p.44-49.- (Veselov V.V.).

32. Геоинформационная система Казахстан"/В сб.:Новости науки Казахстана, КазНИИНТИ, Алматы, вып. 3, 1995. с. 35-42 (соавторы: Закарин Э.А., Ахметов Б.Н.).

33. Estimation of seasonal dynamics of arid zone pasture and crop productivity using NOAA/AVHRR data. //International Geoscience and Remote Sensing Symposium. (Lincoln, Nebraska, USA.27-31 May 1996), IEEE, Catalog N96CH35875, Library of Congres N95-80706, pp.208-211. (Kogan F., Gitelson A., Zakharin E.).

34. Методические основы структурного моделирования гидрогеосистем/ Алматы,1996, 24с, Деп. в КазгосИНТИ, N6686-Ka96.

35. Validation of vegetation conditions derived from Remote Sensing data. Remote Sensing of the Enviroment, 1996. (Kogan F., Gitelson A., Zakharin E., Lebed L.).

36. Структурное моделирование гидрогеологических систем в Казахстане //Геология Казахстана, 1996, N2. (соавтор ВеселовВ.В.).

Подписано в печать 20. 08. 96. Формат 60х84!/1б. Бум. офсетная. С готовых оригиналов. Печать офсетная. Усл. п. л. 2,3. Усл. кр.-отт. 2,3. Уч.-изд. д. 2,4. Тираж 100. Заказ 138.

Типография издательства „Гылым" 480021, Алматы, ул. Шевченко, 28.