На прошедшем 23 октября во ФГУГП «Гидроспецгеология» рабочем совещании «Развитие, верификация и аттестация программных средств, предназначенных для моделирования геофильтрации и геомиграции, на объектах Госкорпорации «Росатом» представители РФЯЦ-ВНИИЭФ, ВНИПИпромтехнологии, Российской академии наук, ИБРАЭ РАН, Института геоэкологии РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, НТЦ ЯРБ и др. приняли коллективное решение, первым пунктом утвердив следующее:
Математическое моделирование прочно вошло в практику гидрогеологических и геоэкологических исследований на объектах ГК «Росатом». Оно является основой для прогнозирования миграции загрязнения в подземных водах и обоснования реабилитационных мероприятий по выводу ЯРОО из эксплуатации.
В интервью порталу «Российское атомное сообщество» начальник отдела гидрогеологического моделирования ФГУП «Гидроспецгеология» Андрей Алексеевич Куваев рассказывает о возможностях и перспективах этой увлекательной, высокоточной и современной сферы деятельности.
- Какие задачи решает геофильтрационное и геомиграционное моделирование?
- Геофильтрационное и геомиграционное математическое моделирование применительно к тем вопросам, которые рассматриваются на объектах Росатома, решает задачи количественных оценок загрязнения подземных вод и грунтов. Моделирование позволяет дать обобщённую комплексную характеристику количественных показателей загрязнения: современное загрязнение, прогноз на среднесрочную и долгосрочную перспективу и при необходимости обосновать реабилитационные мероприятия. Известно, что воздействие ЯРОО на подземные и поверхностные воды определяется водными потоками, которые существуют в зоне аэрации непосредственно под почвой, а также потоками грунтовых вод. Поток загрязнения может переноситься также с поверхностным стоком, т.е. со склоновым стоком, а также через водоёмы и водотоки. Два водных потока – поверхностный и подземный – в итоге могут совместно воздействовать на объекты ущерба.
Природные водные потоки, обусловливающие миграцию загрязнения от источника к объектам ущерба и их математические модели
Зона аэрации располагается между дневной поверхностью и уровнем грунтовых вод. В данной зоне возникают специфические условия неполного влагонасыщения, когда в порах или трещинах грунта присутствуют одновременно воздух и вода. Радионуклиды мигрируют в зоне аэрации перед тем, как достигнуть грунтовых вод. И эта зона аэрации имеет большое значение с точки зрения задержки радионуклидов, бывают ситуации, когда они там и остаются, не достигая грунтовых вод.
В нашей практике есть объекты – хранилища, расположенные высоко над уровнем грунтовых вод. Например, хранилище в Волгоградской области, где глубина залегания грунтовых вод составляет более 30 метров. С помощью моделирования мы доказали, что радиоактивное загрязнение остаётся в зоне аэрации (распадается в ней) и не достигает грунтовых вод. На основе этого вывода было принято решение, что не нужно бурить дорогостоящие глубокие скважины, что способствовало оптимизации сети мониторинга и сокращению затрат.
Очень важным является также то, что математическое моделирование помимо всего прочего, позволяет получить наглядные, видимые характеристики тех процессов, которые принципиально нельзя наблюдать. Мы можем с помощью компьютера не только прогнозировать, но и визуализировать ореолы загрязнения.
- Какие программные продукты используются в работах ФГУГП «Гидроспецгеология» для различных объектов и процессов моделирования?
- В настоящее время для численного моделирования не только на объектах Росатома, а и вообще в гидрогеологии, в основном используются импортные программные продукты. В частности, в «Гидроспецгеологии» используется ряд лицензионных программ, большинство из которых импортные (PMWIN, TOUGH2, SMS HYDRUS и др). Исключением является оригинальный отечественный программный комплекс GEON, единственный на сегодняшний день программный продукт такого класса, прошедший аттестацию в НТЦ ЯРБ. Данный программный комплекс является объектно-ориентированным, т.е. он может быть использован только на ограниченном количестве объектов и в связи с этим не нашёл широкого применения. Учитывая, что у нас сейчас в планах стоит разработка более 50 моделей объектов Госкорпорации, нам приходится использовать импортные продукты.
- В чём заключаются проблемы с использованием импортных программных продуктов и почему ставится вопрос о переходе на отечественное ПО?
- Первая проблема – импортные программные продукты ориентированы на персональные компьютеры и отсюда возникают вопросы ограничения объёмов моделей (параметров модельных сеток). От сложности объекта зависит число ячеек мощельной сетки: чем более детальную характеристику объекта нам нужно получить, тем больше ячеек используется. Сейчас по факту мы используем порядка миллиона ячеек, а те задачи, которые перед нами стоят, диктуют необходимость использования десятков миллионов ячеек. Такого рода задачи 20 лет назад даже не ставились. А сейчас мы стоим перед такой необходимостью, и ни один коммерческий импортный код не позволяет это сделать.
Модель участка «В-9», разработанная с использованием ПК GEON-3D
Модель участка «В-9», разработанная с использованием ПК GEON-3DВторая проблема заключается в том, что для решения сложных задач, например, по «Маяку» (один из самых сложных объектов не только в стране, но и в мире) требуется очень большое время счета на персональных компьютерах. Обычно мы считаем не один вариант задачи или прогноза, а десятки вариантов. И один вариант требует нескольких суток счета на персональном компьютере. Учитывая реальное время, которое нам выделяется для получения прогноза, получения результата, принятие решения – это проблематично. Поэтому стоит задача сокращения времени счёта. А это требует использования распараллеленных алгоритмов, что позволяет на порядки ускорить процесс вычисления. Такие технологии разрабатываются в РФЯЦ-ВНИИЭФ для решения задач ЯОК. Нас эти технологии интересуют с точки зрения решения геоэкологических задач.
Динамика линзы промышленных рассолов в районе оз. Карачай в 1950 – 2010 г. (обновленная модель Теченского каскада водоемов) (ВИДЕО)
Третья проблема, связанная с использованием импортных кодов, заключается в том, что нередко возникают вопросы, требующие развития моделей, учёта дополнительных физико-химических процессов, учёта специфики параметров систем и т.п. Чтобы это сделать, каждый раз требуется внесение изменений в программные коды. В случае импортных коммерческих кодов возникают сложности, поскольку всегда непросто внести изменения в чужой компьютерный код. Кроме того внесение изменений в ряде случаев требует согласования с владельцем кода.
Помимо всего прочего, вопрос разработки компьютерных кодов для математического моделирования объектов Росатома является, по нашему мнению, вопросом национального престижа.
- На состоявшемся совещании говорилось о разработке вами совместно с РФЯЦ-ВНИИЭФ программного комплекса НИМФА. Расскажите о нём подробнее.
- Как уже было сказано выше, мы поставили вопрос о разработке отечественных программных продуктов. Один из важных итогов совещания состоит в том, что мы определили основное направление работ: надо выполнять доработку и совершенствование отечественных программных продуктов, которые были бы рассчитаны на параллельные вычисления, сократили бы время, позволили бы увеличить объемы расчетных сеток и иметь возможность оперативно вносить необходимые изменения. Мы обратились к ВНИИЭФ, сотрудники которого ещё с 1990-х годов разрабатывают программный комплекс НИМФА, который как раз исходно нацелен на решения задач движения подземных вод и подземного массопереноса.
Модель участка Балтийской АЭС (НИМФА)
Модель Нижнекамского промышленного узла (НИМФА)
Этот комплекс достаточно давно существует, но на сегодняшний день, поскольку им занимались не гидрогеологи, а математики, он является авторским кодом и пригоден для решения ограниченного круга задач. Этот программный комплекс имеет сертификат и рассчитан на компактные суперЭВМ, в т.ч. те, которые выпускает ВНИИЭФ. «Гидроспецгеология» в 2014 г. купила у ВНИИЭФ одну из таких компактных суперЭВМ.
Установленный в московском офисе ФГУГП "Гидроспецгеология" компактный суперкомьютер АПК-1М с 128 ядрами и производительностью 1.1 терафлоп в секунду (на фото: Павел Яковлев, главный редактор портала "Российское атомное сообщество")
ВНИИЭФ совместно «Гидроспецгеологией» разработали программу доработки и верификации программного комплекса с тем, чтобы в течение 3 лет подготовить компьютерный код, пригодный для решения прикладных задач, и рекомендовать его как стандартный код для использования в системе Росатома. Эта программа рассчитана на 3 года, она подписана гендиректором Росатома. Первый год реализации этой программы уже заканчивается, на нынешнем совещании мы рассматривали его итоги, которые касаются доработки комплекса в части решения гидродинамических задач, т.е. описания подземных потоков. В следующем году программой предусмотрена доработка комплекса в части моделирования подземного тепло- и массопереноса. На 2016 год запланирована аттестация в НТЦ ЯРБ, после которой мы сможем рекомендовать Росатому принять этот комплекс в качестве стандартного отраслевого программного продукта.
- Что конкретно сделано в нынешнем году?
- Была серия верификационных отчётов, но не на теоретических, а на конкретных моделях. В этом году наша совместная работа с ВНИИЭФ заключалась в том, что мы решили верификационные задачи с использованием математических моделей, которые ранее были разработаны «Гидроспецгеологией» для двух весьма сложных объектов. Первой являлась модель площадок №6 и 14 ВНИИЭФ в г. Сарове, разработанная с использованием импортного программного комплекса PMWIN. Данная модель была воспроизведена на НИМФЕ, были выявлены и устранены отдельные недостатки этого продукта.
Геофильтрационная и геомиграционная модели площадки №6 РФЯЦ-ВНИИЭФ (ПК MODFLOW-2013 г.) Расчетное поле напоров
Геологическая модель площадки №6 РФЯЦ-ВНИИЭФ (2013 г.)Второй объект, выбранный для тестирования – площадка ГНЦ «НИИАР», для которой в 2012 году нами также была разработана модель с помощью программного комплекса PMWIN. В этом году мы воспроизвели эту модель на НИМФЕ, выявили и устранили ряд недостатков тестируемого программного продукта.
Схематический гидрогеологический разрез территории ФГУП «ГНЦ «НИИАР»
Региональная геофильтрационная модель ОАО «ГНЦ «НИИАР»
Динамика ореола хлор-иона в подземных водах- Как вы в целом оцениваете результаты проведенных работ?
- Мы подняли проблему создания отечественных программных кодов, чувствуя предел, за которым персональные компьютеры импортные программные коды, которыми мы пользуемся, уже не смогут обеспечить требований, предъявляемых к расчетам ореолов загрязнения. Отечественный программный код НИМФА, о котором идет речь, разрабатывается как передовой продукт, с учётом всех необходимых требований и опыта работ в этой области. Создают его лучшие математики и программисты России.
Отмечу также, что в перспективе этот программный комплекс можно будет использовать не только в Росатоме, но и в других структурах, например, в Минприроды для оценки запасов питьевых, минеральных и промышленных подземных вод. Эти задачи постоянно ставятся, это огромная работа идет в настоящее время по всей стране. Поэтому мы смотрим в будущее с большим оптимизмом.
Выступление Андрея Алексеевича Куваева на рабочем совещании 23 октября 2014 года по теме: «Актуальные вопросы развития программного обеспечения для геофильтрационного и геомиграционного моделирования на объектах Госкорпорации «Росатом»