Применение информационно-моделирующего экспертного комплекса для мониторинга геотехногенных систем

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩЕГО ЭКСПЕРТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГЕОТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ

, ,

ФГОУ ВПО «Северская государственная технологическая академия», г. Северск

При глубинном захоронении радиоактивных и токсичных отходов предприятий атомного энергопромышленного комплекса, добычи полезных ископаемых методом подземного выщелачивания формируются природно-антропогенные физико-химические гидродинамические системы [1, 2]. Для совершенствования, оптимизации геотехнологических процессов и предотвращения загрязнения подземных вод необходим мониторинг этих систем. В процессе геотехнологического мониторинга возникает необходимость обработки больших объемов разнородной информации вследствие сложности строения подземных водоносных горизонтов, а также нелинейной взаимосвязи происходящих там процессов. Поэтому применение современных информационных технологий для хранения, обработки и визуализации данных мониторинга становится актуальным. В связи с технической сложностью и высокой стоимостью непосредственного наблюдения за состоянием подземных природно-антропогенных физико-химических гидродинамических систем, для проведения прогнозных расчетов изменения их состояния в результате техногенных воздействий становится целесообразным использование методов математического моделирования [3-5]. Для анализа результатов мониторинга и моделирования, подготовки управленческих решений целесообразно применять информационные экспертные системы, сопряженные с базами знаний и данных. В настоящей работе представлены структура и принципы функционирования информационно-моделирующего экспертного комплекса (ИМЭК), позволяющего собирать, хранить, обрабатывать и использовать информацию о состоянии природно-антропогенных физико-химических гидродинамических систем, а также проводить прогнозное моделирование, экспертную оценку и анализ их эволюции.

ИМЭК состоит из геоинформационной, моделирующей и экспертно-аналитической систем, обменивающихся между собой разнородной информацией о состоянии природно-антропогенной физико-химической гидродинамической системы (рисунок 1). Геоинформационная система (ГИС) позволяет собирать, хранить и визуализировать информацию о состоянии природно-антропогенной системы. Моделирующая система (МС) дает возможность проводить эпигнозные и прогнозные расчеты изменения состояния системы. Экспертно-аналитическая система (ЭАС) может применяться для оценки и анализа результатов мониторинга и моделирования, а также для поддержки принятия управленческих решений.

БД – база данных; БЗ – база знаний; Р – решатель

Рисунок – Структура ИМЭК

ГИС состоит из блоков взаимодействия с пользователем, контроля данных, хранения данных мониторинга и геологического моделирования. Блок взаимодействия с пользователем позволяет с помощью системы диалогов вводить, просматривать, редактировать и визуализировать разнородные данные (геологические, гидрогеологические, минералогические, геохимические и т. д.). Блок контроля данных оценивает достоверность введенных данных, проводит их первичную обработку, подготавливает к сохранению, осуществляет резервное копирование. В блоке контроля осуществляется ведение протокола ввода данных, позволяющего определить и проконтролировать работу лиц, ответственных за введенные данные, дифференцирование доступа к данным (возможность просмотра, добавления и редактирования данных) посредством пароля пользователя, проверка непротиворечивости информации. Блок хранения данных предназначен для хранения данных различного типа, проведения резервного копирования данных и обеспечения целостности информации. Моделирующий блок ГИС предназначен для построения на основе первичных данных трехмерной цифровой модели гидрогеологической среды. Моделирующий блок производит экстраполяцию/интерполяцию геологических, минералогических, гидрогеологических, геохимических и прочих данных. Блок должен содержать несколько методов экстраполяции/интерполяции данных и позволять пользователю выбирать способ расчета и редактировать параметры метода.

МС основывается на комплексной физико-математической модели многофазной многокомпонентной неизотермической фильтрации и состоит из трех взаимосвязанных частей, описывающих физико-химические, фильтрационные и тепловые процессы. В физико-химической части модели учитываются следующие процессы: сорбция и десорбция, гомогенные и гетерогенные химические реакции, образование минеральных осадков, растворение твердой фазы и радиоактивный распад. Фильтрационная часть модели включает в себя описание фильтрации жидкости и связанные с ней конвективный массоперенос, гидродинамическую дисперсию, изменение фильтрационных характеристик пористой среды и свойств жидкости, неоднородности фильтрационных параметров подземного горизонта. Термодинамическая часть модели описывает конвективный теплоперенос, теплопроводность, тепловыделение в результате физико-химических процессов.

ЭАС состоит из трех блоков. Блок идентификации параметров моделирования предназначен для определения значений параметров, необходимых для осуществления компьютерных расчетов эволюции состояния гидрогеологической системы, и включает в себя решатель и базы данных и знаний. База данных предназначена для хранения значений параметров и характеристик гидрогеологической системы. Содержимое базы знаний представляет собой набор правил, позволяющих решателю на основе модели геологической среды определять параметры моделирования. Блок анализа предназначен для оценки состояния гидрогеологической среды и выработки рекомендаций для подготовки управляющих воздействий. Он включает решатель, базы данных и знаний. База данных содержит критерии оценки состояния и эволюции гидрогеологической системы. В базе знаний находится набор продукционных правил. Решатель на основе базы знаний проводит экспертные оценки и анализ состояния и эволюции природно-антропогенной гидрогеологической системы, оценку геотехнологических показателей (область загрязнения токсичными и радиоактивными веществами в подземных горизонтах, превышение предельно допустимых значений концентраций загрязняющих веществ и т. д.), выработку оптимальных управленческих решений на основе имеющихся данных. Блок общения предназначен для управления работой ЭАС, формирования запросов пользователя, редактирования и заполнения баз данных и знаний, подготовки отчетной документации.

Применение ИМЭК для мониторинга природно-антропогенных физико-химических гидродинамических систем осуществляется в несколько этапов. На первом этапе с помощью ГИС создается цифровая модель природно-антропогенной системы. Цифровая модель содержит данные мониторинга рассматриваемой системы, включающие информацию о строении подземных водоносных горизонтов, химических свойства вод, минералогическом составе пород, гидрологические и геологические свойства водоносных горизонтов. Распределения физическо-химических величин во всей рассматриваемой области строятся моделирующим блоком ГИС на основе первичных данных. Результаты моделирования анализируются специалистами, при необходимости производится пополнение исходных данных и повторная генерация. Результатом первого этапа проектирования разработки является цифровая модель природно-антропогенной физико-химической гидродинамической системы.

На втором этапе, с помощью МС создается цифровая модель техногенного воздействия на гидрогеологическую систему и проводится расчеты изменения состояния системы. Параметры моделирования определяются по результатам лабораторных экспериментов и на основе данных наблюдений за состоянием системы.

На третьем этапе, на основе совокупности данных мониторинга и проведенных прогнозных расчетов, с помощью ЭАС проводится анализ текущего и прогнозируемого состояния природно-антропогенной физико-химической гидродинамической системы. На основе анализа готовятся предложения по проведению природоохранных мероприятий и рекомендации по оптимизации эксплуатации системы.

Таким образом, в работе предлагается концепция информационно-моделирующего экспертного комплекса (ИМЭК), предназначенного для хранения и анализа результатов мониторинга и моделирования эволюции состоянии природно-антропогенных физико-химических гидродинамических систем. ИМЭК может применяться на предприятиях ядерно-топливного комплекса для поддержки принятия управленческих решений по эксплуатации полигонов глубинного захоронения токсичных и радиоактивных отходов, прогнозирования и предотвращения распространения загрязнений в подземных водах, повышения эффективности и экологической безопасности разработки месторождений урана способом скважинного подземного выщелачивания.

Работа поддержана Сибирским химическим комбинатом, грантом РФФИ № -р_офи и грантом президента РФ № МК-5625.2006.8.

Литература

1 , , и др. Подземное выщелачивание полиэлементных руд. – М.: Издательство академии горных наук, 1998. – 446 с.

2 , Румынин гидрогеоэкологии. – Т. 1.: Теоретическое изучение и моделирование геомиграционных процессов. – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1998. – 611 с.

3 , , Кеслер программного экспертного комплекса для управления разработкой месторождения урана и других металлов методом подземного выщелачивания В кн. Подземное и кучное выщелачивание урана, золота и других металлов. – Т. 1: Уран. – М.: Руда и металлы, 2005. – С. 307-316.

4 , , Данилов -моделирующий комплекс для управления режимом работы полигона глубинного захоронения ЖРО на СХК и мониторинга геологической среды // Материалы отраслевой конференции «Технология и автоматизация атомной энергетики». – Северск, 2005. – С. 72.

5 , , и др. Моделирование распределения радионуклиджов в пласте-коллекторе при глубинном захоронении кислых жидких радиоактивных отходов // Радиохимия. – 2007. – Т. 49. – № 2. – С. 182-187.