Решение многовариантных задач оптимизации отбора подземных вод в диалоге с ЭВМ Церковский, Юрий Аркадьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Закон Российской Федерации от 3 марта 1992 г.-"Об охране окружающей природной среды" устанавливает, что "охране от загрязнения и истощения подлежат: земля, ее недра, поверхностные и подземные воды" (ст.4), а использование природных ресурсов долино быть "рациональным, с учетом законов природы, возможностей природной среды, воспроизводства ресурсов и недопущения необратимых последствий для среды и человека" (ст.З). В этой связи актуальной является разработка методики решения задач оптимизации отбора подземных вод (ЗООПВ), возникающих при оценке эксплуатационных запасов месторождений пресных и промышленных подземных вод, при выборе схемы водозабора и проектировании очистного дренажа. Существующие подходы к решению ЗООГШ предполагают, что структура и поля параметров пластовой системы заданы однозначно, и ориентированы на разовый длительный поиск истинного экстремума одного критерия оптимальности. Требуется пересмотр сложившихся представлений и выработка нового подхода к решению практических ЗООПВ, в которых необходим учет неполноты и недостоверности гидрогеологической информации и быстрая локализация субоптимальных решений для альтернативных моделей пласта.

Цель работы - разработка мзлинно-ориентированкой автоматизированной методики многовариантного решения инженерной 300ПБ в ди&тоге гидрогеолога с ЭВМ при управлении плановым потоком с помощью совершенных скважин.

Задачи исследований.

1. Обоснование основных принципов инженерного решения ЗООПВ и интерпретации получаемых формальных результатов.

2. Обоснование выбора эффективного метода включения численной модели плановой геофильтрации в процесс оптимизационного поиска.

3. Разработка алгоритмов и програш для ЭВМ, предназначенных для быстрой локализации экстремумов основных нелинейных критериев управления гидродинамикой планового потока.

4. Разработка алгоритмов и программ для ЭВМ, предназначенных для решения задачи об оптимальном размещении откачных и нагнетательных скважин и выборе их дебитов.

5. Обоснование основных требований к структуре и организации информационного обмена диалоговой системы оптимизации отбора подземных вод.

6. Разработка програмі для ЭВМ, обеспечивающих многова-риантную формулировку ограничений задачи оптимизации в диалоге гидрогеолога с ЭВМ.

7. Разработка методики многовариантного решения инженерной ЗООПВ с помощью, созданных алгоритмов и программ и ее применение на практике.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись основные положения теории сопряженных функций, теории оп-тишзации и методов конечных разностей. Для исследования работоспособности разработанных алгоритмов оптимизации применялись , оделенные эксперименты при решении тестовых и натурных ЗООПВ.

Научная новизна работы.

1. Сформулирована постановка многокритериальной ЗООПВ как инженерной многовариантной задачи дискретного программирования с нефиксированными наборами переменных-и ограничений, предложен способ выбора ключевых точек контроля уровня и интерпретации получаемых результатов.

2. Показана возможность применения метода единичных дебитов (метода матрицы отклика) при 40% осушения мощности на участке безнапорного пласта и в задаче о размещении скважин.

3. На основе метода единичных дебитов и метода множителей Лагранжа разработаны алгоритмы быстрой локализации экстремумов основных квадратичных критериев управления гидродиналикой планового потока.

4. На основе модификаций метода условного градиента предложены алгоритмы: - оценки чувствительности экстремума нелинейного критерия к вариациям основных ограничений; - поиска оптимального размещения откачных и нагнетательных скважин и их дебитов.

5. Сформулированы основные требования к структуре, составу, алгоритмическому наполнению диалоговой системы численного решения ЗООПВ, организации ее внутреннего информационного обмена и диалога с гидрогеологом.

6. Разработан набор программ для ЭВМ, обеспечивающий гибкую мкоговариантную формулировку списка ограничений ЗООПВ в диалоге

гидрогеолога с ЗЕМ.

7, Разработана к апробирована наряде объектов методика шоговариантного, с последовательны! усложнением ресєния многокритериальных 300П8 в диалоге с ЭВМ.

Практическое значение работы. I. Предлагаемы:} алгоритмы приближенной локализации экстремумов, сводящие поиск оптимума к реиекиа системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), не требуют подпрограмм оптимизации и легко реализуются на ЭВМ. 2. Алгоритм поиска оптимального размещенияоткачных и нагнетательных скважин в задачах со сложной гидродинамикой потока дает существенное улучшение критерия (до 60$) по сравнению с методом экспертного подбора. 3. Автоматизированная методика многовариантного реиения ЗООПЗ мозсет использовать в качестве внешних блоков любые программы численного моделирования геофильтрации и линейного программирования. 4. Структура диалога с пользователем позволяет накладывать практически любые ограничения на значения уровней, градиентов, скоростей и перетоков в моделируемом пласте, что делает ее применимой для широкого спектра задач инженерной гидрогеологии и облегчает гидрогеологу формулировку задачи оптимизации.

Защищаемые положения.

1. Принципы, методика и алгоритмы многовариантного, с по
следовательным усложнением решения инженерных 300ПВ на основе

метода единичных дебитов.

2. Оценка роли интерференции скважин в затратах энергии на подъем' воды.

3. Алгоритм поиска оптимального размещения откачных и нагнетательных скважин и их дебитов при эксплуатации пластовой системы методом ППД.

4. Структура диалоговой системы численного решения 30ОПВ и организация диалога с гидрогеологом при многовариантном составлении списка ограничений задачи.

Практическая,реализация работы. Разработанная методика последовательного усложнения и алгоритм приближенной локализации экстремума критерия были применены автором при оценке эксплуатационных запасов Малкинского МПВ. Алгоритм поиска оптимального размещения откачных и. нагнетательных скважин и их дебитов и многовариантный диалог с экспертом в процессе формулировки задачи оптимизации были реализованы автором при обосновании проекта

- 4 -разработки Славянского участка промышленных вод методом ІВД. При обосновании схемы расширения 2-го Донецкого водозабора автором были выявлены причины неустойчивости оптимального размещения проектируемых скважин и их дебитов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на трех Научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГРИ (1988-1990 гг.), на З-б конференциях молодых ученых МГРИ в I988-I99I гг., на семинаре "Математическое моделирование гидрогеологических процессов" (Душанбе, 1988), на научном совещании "Рациональное использование и охрана подземных вод в условиях интенсивного освоения территории" (Таллин, 1989), на научно-техническом совещании "Гидрогеологические проблемы рационального использования подземных вод" (Ташкент, 1989), на семинаре по актуальным проблемам нефтегазовой и подземной гидромеханики (ГАНГ им.И.М.Губкина, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано в открытой печати 10 печатных работ (из них 6 в соавторстве).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 232 наименований, 17 таблиц, 25 рис. Объем машинописного текста 216 страниц.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю д.г.-м.н., профессору И.К.Гавич. За ценные советы и замечания автор благодарит д.г.-м.н. Б.В.Боревского, к.г.-м.н. В.И.Угорца, сотрудников кафедры гидрогеологии ЫГРй и лаборатории ресурсов пресных подземных вод ВСЕГИНГЕО.