С целью корректировки регламента работы системы инженерной защиты г. Казани на базе программного пакета MODFLOW были разработаны две отдельных численных модели фильтрации подземных вод – для Центральной и Заречной частей города. Эти численные модели позволяли оценить состояние существующих дренажей и рассчитать притоки к ним и определить влияние мероприятий по улучшению дренирования на уровенный режим подземных вод.
Для калибровки входных параметров численной модели фильтрации в Заречной части города был проведен анализ чувствительности модельных прогнозов к параметрам, характеризующим коэффициент фильтрации разных зон модельной области, гравитационную и упругую водоотдачу водовмещающих отложений, инфильтрационное питание, проводимость ложа дрен и проводимость границ III рода модельной области. Значения этих параметров были выбраны на основе анализа данных предыдущих исследований, а также уточнены в процессе решения обратных задач геофильтрации.
Анализ чувствительности численной модели геофильтрации в районе Заречной части города был проведен в несколько этапов. Этапы отличались набором рассматриваемых входных параметров и интервалов их возможного изменения. На каждом этапе для выбранных входных параметров и данных об интервалов их возможного изменения по методике Латинских Гиперкубов генерировалась выборка из 400 наборов значений. Для каждого из 400 наборов значений запускалась геофильтрационная модель (на основе пакета MODFLOW), сохранялись значения напоров в наблюдательных скважинах для каждого стресс-периода модели и значения дренажного годового суммарного стока. На основе выборок значений входных и выходных параметров вычислялись индексы чувствительности, на основе выборки значений выходных параметров строились графики минимаксных интервалов возможных значений напоров в скважинах (например, Рис. 4).
Рис. 4. Примеры наблюдательных (точки) и модельных (минимум, максимум по всем итерациям анализа, между ними - кривая, соответствующая выбранному в результате калибровки набору значений параметров) кривых напора в наблюдательных скважинах
На основе построенных графиков были внесены рекомендации по дальнейшей верификации модели – указан наиболее приемлемый тип задания коэффициентов вертикальной и горизонтальной фильтрации в модели, значительно сокращены интервалы возможного изменения значений всех рассмотренных параметров модели.
Выводы
Задачи настоящей работы включали изучение теоретических исследований, выбор наиболее эффективных методик анализа чувствительности и погрешности для численных моделей фильтрации и массопереноса в подземной гидросфере, разработку и проведение численных экспериментов, а также разработку на основе результатов вычислений рекомендаций по калибровке входных параметров численных моделей для условий двух реальных площадок.
В результате теоретических изысканий были разработаны методики глобального и локального анализа чувствительности численных моделей, целями которых является выявление наиболее и наименее влиятельных параметров модели, оценка погрешности численной модели и оптимизация процесса калибровки ее параметров. На основе разработанных методик был составлен алгоритм проведения анализа чувствительности для численных моделей фильтрации и массопереноса в подземной гидросфере, включающий локальный анализ чувствительности, статистический анализ модели и расчет различных индексов чувствительности.
На основе разработанного алгоритма были проанализированы две альтернативные численные модели переноса радиоактивного загрязнения с площадки ВХРАО РНЦ «Курчатовский институт» (Москва), разработанные на основе программных пакетов MARTHE и MODFLOW, соответственно (одна из моделей построена автором).
Статистический анализ чувствительности, проведенный для модели миграции на площадке ВХРАО, позволил рассчитать значения линейных индексов чувствительности, которые дают представление о параметрах модели, в наибольшей степени влияющих на прогнозируемую моделью площадь распространения на этой площадке ореола загрязнения. Для ореола верхнего водоносного горизонта были выделены коэффициент сорбционного распределения по Sr-90, коэффициент фильтрации отдельных слоев модели и интенсивность инфильтрационного питания в зонах сильных утечек из трубопровода, для ореола нижнего водоносного горизонта – коэффициент сорбционного распределения по Sr-90 и коэффициент фильтрации отдельных слоев модели. Отмечено, что значения интенсивностей источников загрязнения практически не влияют на точность при определении площади распространения ореола.
Полученные результаты согласуются с результатами глобального анализа чувствительности, проведенного для альтернативной численной модели переноса загрязнения на площадке ВХРАО, а также с выводами из локального анализа чувствительности модели. Проведенный анализ показал, что при дальнейшей калибровке численной модели распространения радиоактивного загрязнения в районе площадке ВХРАО следует в первую очередь сосредоточить внимание на уточнении параметров коэффициента сорбционного распределения по Sr-90, коэффициента фильтрации и интенсивности инфильтрационного питания в зонах его повышенных значений.
Численная модель переноса радиоактивного загрязнения на площадке ВХРАО обладала значительным временем вычислений (порядка 20 минут), статистические вычисления с использованием модели заняли бы нерационально большое время (порядка 7 лет). Задача глобального анализа чувствительности этой модели была решена путем применения в вычислениях поверхности отклика. В таком случае длительность вычислений составила несколько суток.
Построена карта суммарной чувствительности модельного прогноза к основным параметрам модели площадки ВХРАО, которая будет использована при планировании эффективной наблюдательной сети. Новые наблюдательные скважины следует располагать в местах относительно высокой чувствительности наблюдений к перечисленным параметрам.
С учетом методики распространения погрешности была оценена погрешность оценки площади ореола загрязнения, прогнозируемого построенной численной моделью на 2010 год. С учетом полученного распределения вероятности на указанных интервалах был сделан вывод, что прогноз распространения загрязнения, сделанный ранее, является «пессимистичным». То есть при заданной погрешности в значениях входных параметров более вероятно, что площадь распространения ореола загрязнения будет меньше прогнозируемой ранее как для верхнего, так и для нижнего водоносного горизонта.
Методика анализа чувствительности и распространения погрешности была применена автором для анализа геофильтрационной модели Заречной части г. Казани, созданной для корректировки системы инженерной защиты города от подтопления. Анализ чувствительности численной модели позволил выявить наиболее влиятельные параметры модели, калибровка по которым наиболее эффективна, выявить наименее влиятельные параметры модели, значения которых не влияют на точность модели и которые можно, соответственно, исключить из рассмотрения при калибровке модели, а также значительно сузить интервалы возможных значений входных параметров и улучшить, таким образом, точность модельных вычислений. Эти результаты были использованы при дальнейшей верификации численной модели.
Литература по теме диссертации
1. Volkov V. G., Tsurikov D. F., Zverkov Yu. A., Rastorguev I. A., Volkova E. V., Rastorguev A. V., Buharin K. L. “Development of models of radionuclide migration from the RRC “Kurchatov Institute” waste disposal site,” Proceedings of the International conference on Finite Element Models, MODFLOW, and More: Solving Groundwater Problems, pp. 95-98, Karlovy Vary, Czech Republic, September 13-16, 2004
2. «Статистический анализ поля коэффициента фильтрации», Сборник тезисов докладов к научно-практической конференции, посвященной 70-летию ФГУП «НИИ ВОДГЕО» «Водоснабжение, водоотведение, гидротехника, инженерная гидроэкология», с. 144-145, Москва, 2004
3. «О глобальном анализе чувствительности для численной модели распространения радионуклидного загрязнения с подземными водами для площадки ВХРАО РНЦ «Курчатовский институт», Сборник трудов «Проблемы Инженерной Геоэкологии», стр. 51-62, Изд-во \ВОДГЕО», 2005
4. «О статистическом анализе модели переноса радиоактивного загрязнения для площадки ВХРАО РНЦ «Курчатовский институт», Москва», - В сб.: Труды XI Всероссийской школы-семинара “Современные проблемы математического моделирования”, Абрау-Дюрсо, 2005, с. 87 – 96.
5. Volkova E., Van Dorpe F., Iooss B. «Application de l’analyse de sensibilité globale à un modèle hydrogéologique (site de stockage de déchets radioactifs)», Séminaire CETAMA «Echantillonnage et Caractérisation «Du Prélèvement à l’Analyse», Montpellier, France, October 10-12, 2005
6. , , «Разработка численной модели распространения подземными водами радиоактивного загрязнения с площадки ВХРАО РНЦ «Курчатовский институт», идентификация параметров и анализ модели», Международная конференция «Моделирование процессов переноса радионуклидов в окружающей среде и вопросы разработки баз метаданных по радиационным объектам Советского ядерного комплекса (РАДЛЕГ-РАДИНФО-2005)», 31 октября – 2 ноября, Москва, 2005
7. , «Локальный анализ чувствительности для модели распространения радиоактивного загрязнения площадки ВХРАО РНЦ «Курчатовский институт», 3-я Молодежная Курчатовская Школа, 14-16 ноября, Москва, 2005
8. «Об анализе чувствительности модели переноса загрязнения подземными водами для площадки ВХРАО РНЦ «Курчатовский институт», 2-я Всероссийская Конференция «Современные проблемы изучения и использования питьевых подземных вод (памяти )», 7-10 февраля, Звенигород, 2006
9. Volkova, E., B. Iooss, F. Van Dorpe, “Global sensitivity analysis for a numerical model of radionuclide migration from the RRC “Kurchatov Institute” radwaste disposal site”, Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, vol. 22, N. 1, pp. 17-31, 2008
10. , , «Моделирование переноса радиоактивного загрязнения подземными водами при реабилитации площадки старых хранилищ РНЦ «Курчатовский институт», Атомная Энергия, т. 104, вып. 2, стр. 115-118, 2008
11. Marrel, A., B. Iooss, F. Van Dorpe, E. Volkova, “An efficient methodology for modeling complex computer codes with Gaussian processes”, Computational Statistics and Data Analysis, vol. 52, N.10, pp. 4731-4744, 2008
12. , , «Численное моделирование для обоснования регламента работы объектов инженерной защиты г. Казани», Сборник трудов НИИ ВОДГЕО, Изд-во \ВОДГЕО», 2009, в печати
13. «Анализ чувствительности численной модели переноса радиоактивного загрязнения подземными водами для площадки старых хранилищ РНЦ «Курчатовский институт», принято к публикации в журнале Атомная Энергия, 2009
Автор диссертации выражает благодарность своему научному руководителю, д. ф.-м. н. профессору за руководство написанием диссертации. Автор глубоко признателен к. т.н. за помощь в постановке задач и постоянное внимание к работе. Автор благодарит коллективы НИИ ВОДГЕО, Института проблем безопасного использования ядерной энергии и Научно-технического комплекса «Реабилитация» РНЦ «Курчатовский институт» за оказанную помощь и полезные советы.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
