Под занавес уходящего года госкорпорация «Росатом» провела онлайн-презентацию, на которой рассказала о возможностях и потенциале программного модуля «Логос Гидрогеология». Инструмент предназначен для решения задач, связанных с оценкой воздействия крупных промышленных объектов (электростанций, плотин, промзон, хранилищ отходов) на состояние подземных вод, а также c профилактикой их техногенного загрязнения. Эксперты называют это решение инструментом управления экологическими рисками промышленных предприятий. Модуль представляет интерес для учреждений и структур, одним из приоритетов которых на фоне набирающей популярность ESG-повестки становится рациональное природопользование.
Во вступительном слове директор по математическому моделированию госкорпорации «Росатом» Дмитрий Фомичев отметил, что модульный подход является основополагающим для решения промышленных, научных задач, развития компетенций и знаний специалистов, которые применяют инструменты математического моделирования в своей деятельности.
«Логос Гидрогеология» решает специализированные задачи, но его возможности и потенциал выходят за рамки отраслевых интересов. Экологическая безопасность находится в списке государственных приоритетов, определяющих актуальность международной повестки, движимой принципами устойчивого развития.
Цели и подцели проекта
Цифровой продукт «Логос Гидрогеология» создан для моделирования задач подземной гидродинамики и поверхностного стока, переноса с ними примесей в сложных геологических средах. Начальник научно-исследовательской лаборатории РФЯЦ-ВНИИЭФ (госкорпорация «Росатом») Виталий Пронин сообщил, что решение появилось не на пустом месте. Ему предшествовал программный продукт «НИМФА», работы по созданию которого начались еще в 1998 г. в рамках гособоронзаказа. Их продолжением в 2010–2012 гг. стал проект «Развитие суперкомпьютеров и грид-технологий».
Среди подцелей текущего проекта, рассчитанного на два года, эксперт отметил разработку программных средств, создание коммерческого дистрибутива «Логос Гидрогеология» и продуктовой инфраструктуры для коммерциализации продукта.
В конце 2022 г. компания планирует подать документы для аттестации цифрового продукта в Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности (НТЦ ЯРБ).
Сферы применения продукта
К основным областям применения цифрового продукта относится оценка воздействия техногенных объектов (ядерных станций, хранилищ отработанного ядерного топлива, промзон, свалок твердых бытовых отходов и т. п.) на подземные воды и грунты. Можно моделировать как нормальный, так и аварийный режимы работы предприятий. Продукт позволяет прогнозировать уровни затопления и подтопления территорий в результате сезонных явлений или строительства гидросооружений, например, плотин, дамб, гидроузлов, каналов.
Еще одна область его применения – прогнозирование ореолов загрязнений, возникающих в подземном пространстве из-за техногенных объектов. Продукт дает возможность оценить объем загрязнений поверхностных вод при нормальном и аварийном режимах на предприятиях.
Специфика рынка
Объем гидрогеологического рынка в России может достигать 50 млн руб. в год, в мире – 1 млрд руб.
Специфика данного рынка состоит в том, что большинство пользователей применяют коммерческие программные пакеты (некоторые стоимостью тысячи долларов). При этом используются программные пакеты частично. Следует учитывать, что зарубежное ПО не аттестовано, есть трудности с техподдержкой, на фоне санкций сохраняются риски ограничения продажи лицензий.
Разработка отечественных программных комплексов позволит преодолеть зависимость от иностранного коммерческого ПО в области трехмерного моделирования, создавать новые сквозные технологии, чтобы использовать современные методы расчета и суперкомпьютерные вычисления.
Сохраняется высокая потребность в создании цифровых моделей нового поколения, в том числе региональных, которые содержат большой объем входных данных, множество процессов, влияющих друг на друга.
Целевое внедрение продукта «Логос Гидрогеология» эксперты связывают с такими направлениями, как атомная энергетика, геоэкология, МЧС, гидрогеология и горнодобывающая отрасль.
Потенциальными потребителями пакета программ могут быть проектные институты, компании, осуществляющие мониторинг окружающей среды, горнодобывающие предприятия, научные организации, учебные заведения, государственные органы, занятые решением задач экологической безопасности и рационального природопользования.
В настоящее время продукт дает возможность оперировать с такими процессами, как насыщенная и ненасыщенная фильтрация жидкости переменной плотности в пластах, массоперенос примесей, гидродинамическая дисперсия, молекулярная диффузия, сорбционные процессы, радиоактивный распад, теплопроводность, поверхностный сток и течения по руслам рек и водоемов.
От препроцессинга до постпроцессинга
В «Логос Гидрогеологии» воплощена сквозная технология проведения расчетов, когда пользователь, не выходя из приложения, может задать задачу, все процессы, начальные и граничные условия, выполнить расчет и обработать его результаты. Расчет можно производить в параллельном режиме на суперЭВМ.
Для подготовки данных используется препроцессор – инструмент конечного пользователя. В рамках препроцессинга готовится концептуальная модель – множество объектов и данных без использования сетки.
«В большей части коммерческих программных продуктов используется сеточная модель, на которую опираются, «навешивают» свойства, задают все необходимое. Мы пошли по другому пути – задаем область в виде контуров, объектов, что позволяет сэкономить память», – пояснил Виталий Пронин.
Сетка строится в рамках счетной части, ее можно подстроить под заданные пользователем объекты. Предусмотрен валидатор сформированной модели, позволяющий перед запуском модели в расчет проверить, все ли задано корректно. Препроцессор реализован на языке Python. На выходе формируется набор файлов, которые могут выступать в качестве входных данных при расчетах на суперЭВМ.
В расчетный модуль, реализованный на языке C++, встроен генератор сетки. Здесь концептуальная модель, заданная пользователем на этапе препроцессинга, преображается в сеточную. Аппроксимация потоков осуществляется методом отложенной коррекции. Составленная система линейных алгебраических уравнений решается с помощью решателя LParsol, разработанного РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Гидрогеология и фильтрация связаны с осадочными породами, поэтому сетка строится слоями. В основном сетка неструктурированная (в виде призм, в общем случае многогранников).
Результаты вычислений анализируются в рамках постпроцессинга, реализованного в рамках единой оболочки на языке Python. Пользователю доступны средства визуализации – отображают величины, изменяющиеся в процессе счета.
Пять минут против 11 часов
В ходе презентации приводились примеры выполненных задач. В частности, по заказу «Росатома» в сотрудничестве в «Гидроспецгеологией» средствами цифрового продукта были созданы геофильтрационная и геомиграционная модели территории. Прогноз строился на 100 лет, модель насчитывала 2,3 млн ячеек. В результате была получена прогнозная динамика распространения загрязнения в виде трехмерных ореолов и полей концентраций.
Производительность продукта «Логос Гидрогеология» и его зарубежного аналога (системы Modflow) эксперт проиллюстрировал на примере решения задачи построения геофильтрационной и геомиграционной моделей территории с прогнозом на 160 лет. Решение задачи с помощью Modflow (в последовательном варианте) потребовало 11 часов, а в «Логос Гидрогеология» (с использованием суперЭВМ и 240 вычислительных ядер) ответ данной задачи был получен за 5 минут.
Программные средства 2021
В уходящем году был разработан ряд программных средств «Логос Гидрогеология». В частности, один из инструментов позволяет прогнозировать затопление, возникающее по естественным причинам, в случае строительства или в результате аварии на гидросооружениях.
Другой инструмент подходит для расчета переноса загрязнителя поверхностными водами. Специалисты смогут прогнозировать уровень загрязнения поверхности при нормальном и аварийном режимах работы предприятий, хранилищ отходов, свалок, а также характер изменения уровня загрязнений из-за таких сезонных явлений, как паводки, осадки. Наряду с этим можно оценивать концентрацию и форму пятен загрязнителей, которые распространяются по поверхности водоемов.
Инструмент моделирования инфильтрации жидкости по Хортону и Грин-Ампту позволяет рассчитать загрязнение подземных вод, решить задачи оптимизации гидромелиоративных работ по осушению, поливу, дренажу, выполнению противопаводковых, противоселевых мероприятий и т. д. Программное средство поможет обосновать эффективность системы полива, исключающей эрозию почвы и не допускающей затопление, или дренажной системы.
Разработана первая версия дистрибутива цифрового продукта для задач поверхностного стока. В состав дистрибутива включены программное средство расчета задач, интерфейс задания данных и обработки результатов, руководство пользователя, тестовые модели по программному модулю, сервер системы лицензирования «Логос», утилиты сервера лицензий «Логос», а также дополнительные пакеты.
В конце выступления Виталий Пронин отметил, что цифровой продукт «Логос Гидрогеология» создается на основе новейших алгоритмов и программ аттестованного пакета НИМФА с целью решения гидрогеологических задач. Инструмент охватывает примерно 75–95% функциональности основных коммерческих пакетов, позволяет создавать цифровые двойники нового поколения техногенно нагруженных территорий.
«Логос Гидрогеология» совместим с Windows и AstraLinux, работает на персональных компьютерах, рабочих станциях и суперкомпьютерах.
