ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ
ВА ЎЗБЕКИСТОН МИЛЛИЙ УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ
ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ ДАРАЖАСИНИ БЕРИШ БЎЙИЧА
16.07.2013.Т/FM.29.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ
ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ
СЕИТНАЗАРОВ КУАНЫШБАЙ КЕНЕСБАЕВИЧ
ЕР ОСТИ СУВ ОЛИШ ИНШООТЛАРИНИ ШАКЛЛАНИШ
ВА ЭКСПЛУАТАЦИЯСИ ЖАРАЁНЛАРИНИ ҚАТЪИЙМАС
ДЕТЕРМИНИСТИК МОДЕЛЛАШТИРИШ ТИЗИМИ
05.01.04 – «Ҳисоблаш машиналари, мажмуалари ва компьютер
тармоқларининг математик ва дастурий таъминоти»
(техника фанлари)
ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ
Тошкент – 2016
1
УДК
556.3.072
Докторлик диссертацияси автореферати мундарижаси
Оглавление автореферата докторской диссертации
Content of the abstract of doctoral dissertation
Сеитназаров Куанышбай Кенесбаевич
Ер ости сув олиш иншоотларини шаклланиш ва эксплуатацияси
жараёнларини қатъиймас-детерминистик моделлаштириш
тизими..............…………………………………....................................................
5
Сеитназаров Куанышбай Кенесбаевич
Система нечетко-детерминированного моделирования процессов
формирования и эксплуатации водозаборов подземных
вод............…………………………………………………………………………
29
Seitnazarov Kuanishbay Kenesbaevich
The system of fuzzy-deterministic simulation of the formation and operation of the water
intake of groundwater…………………………………………………
55
Эълон қилинган ишлар рўйхати
Список опубликованных работ
List of published works………………....................................................................
79
2
ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ
ВА ЎЗБЕКИСТОН МИЛЛИЙ УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ
ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ ДАРАЖАСИНИ БЕРИШ БЎЙИЧА
16.07.2013.Т/FM.29.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ
ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ
СЕИТНАЗАРОВ КУАНЫШБАЙ КЕНЕСБАЕВИЧ
ЕР ОСТИ СУВ ОЛИШ ИНШООТЛАРИНИ ШАКЛЛАНИШ
ВА ЭКСПЛУАТАЦИЯСИ ЖАРАЁНЛАРИНИ ҚАТЪИЙМАС
ДЕТЕРМИНИСТИК МОДЕЛЛАШТИРИШ ТИЗИМИ
05.01.04 – «Ҳисоблаш машиналари, мажмуалари ва компьютер
тармоқларининг математик ва дастурий таъминоти»
(техника фанлари)
ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ
Тошкент–2016
3
Докторлик диссертацияси мавзуси Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси
ҳузуридаги Олий аттестация комиссиясида 30.09.2014/B2014.3-4.T167 рақам билан рўйҳатга
олинган.
Докторлик диссертацияси Тошкент ахборот технологиялари университетида бажарилган.
Диссертация автореферати уч тилда (ўзбек, рус, инглиз) илмий кенгашнинг веб саҳифаси
(www.tuit.uz) ва «ZIYONET» таълим ахборот тармоғида (www.ziyonet.uz) жойлаштирилган.
Илмий маслаҳатчи: Усманов Ришат Ниязбекович
техника фанлари доктори
Расмий оппонентлар: Хабибуллаев Иброхим Хабибуллаевич
техника фанлари доктори ,профессор
Жмудь Вадим Аркадьевич
(Россия Федерацияси)
техника фанлари доктори
Равшанов Нормахмад
техника фанлари доктори
Етакчи ташкилот: Тошкент ирригация ва мелиорация институти қошидаги Ирригация
ва сув муаммолари илмий-тадқиқот институти
Диссертация ҳимояси Тошкент ахборот технологиялари университети ва Ўзбекистон
Миллий университети ҳузуридаги 16.07.2013.Т/FM.29.01 рақамли Илмий кенгашнинг 2016 йил
«25» июнь соат 10
00
даги мажлисида бўлиб ўтади. (Манзил: 100202, Тошкент ш., Амир Темур
кўчаси, 108. Тел.: (99871) 238-64-43; факс: (99871) 238-65-52; e-mail: tuit@tuit.uz).
Докторлик диссертацияси билан Тошкент ахборот технологиялари университетининг
Ахборот-ресурс марказида танишиш мумкин (2514 рақами билан рўйхатга олинган). Манзил:
100202, Тошкент ш., Амир Темур кўчаси, 108. Тел.: (99871) 238-64-43).
Диссертация автореферати 2016 йил «19» май куни тарқатилди.
(2016 йил «19 »май даги 10 рақамли реестр баённомаси).
Х.К.Арипов
Фан доктори илмий даражасини берувчи
илмий кенгаш раиси ф-м.ф.д., профессор
М.С.Якубов
Фан доктори илмий даражасини берувчи
илмий кенгаш илмий котиби т.ф.д., профессор
Х.Н.Зайнидинов
Фан доктори илмий даражасини берувчи
илмий кенгаш ҳузуридаги илмий
семинар раиси т.ф.д.
4
КИРИШ (Докторлик диссертацияси аннотацияси)
Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати.
Бугунги кунда
мамлакатлар аҳолисининг сув ресурслари билан таъминланганлик даражаси
турлича бўлиб, ҳар бир кишига ўртача йиллик сув сарфи 24 646 м
3
ни, яъни
24,65 млн. литрни ташкил этади.
1
Дунё аҳолисининг изчил суръатларда ошиб
бориши билан бирга ичимлик сувига бўлган эҳтиёж ҳам ошиб бормоқда.
Статистик маълумотларига кўра Ер шари аҳолисининг йиллик ичимлик сувга
бўлган эҳтиёжи 64 млн
3
ни ташкил этади. Тадқиқот натижаларига кўра 2025-
2030 йилларга келиб Ер планетаси мамлакатлари аҳолисининг 47% ида сув
танқислиги сезила бошлайди.
2
Жаҳон аҳолисининг ичимлик сувига бўлган
эҳтиёж ва талабларини таъминлашда ер ости гидросфераси ҳолатларини
тадқиқ қилиш усулларини такомиллаштириш, экологик тоза сув олиш учун
гидрогеологик тажрибалар самарадорлигини ошириш, гидрогеологик объект
ларга тегишли ахборот турлари ва ҳажмининг юқорилигига боғлиқ
маълумотларнинг ноаниқлигини аниқлашга алоҳида эътибор қаратилмоқда.
Ўзбекистон Республикасида ер ости сув олиш иншоотларини шаклла
ниш ва эксплуатациясига оид тадбирларни самарали ташкил қилиш юзасидан
кенг қамровли чора-тадбирлар амалга оширилди. Бу борада, жумладан, бир
ва икки қатламли ер ости сув заҳиралари миқдорини, такибини аниқлаш ва
шўр сувларни чучуклаштириш усул ва технологияларини яратиш, аҳолининг
ичимлик ва хўжалик юритишида сувга бўлган эҳтиёж ва талабларини таҳлил
этиш, сув ресурсларидан ҳар бир ҳудуднинг ўзига хос хусусиятидан келиб
чиққан ҳолда рационал фойдаланиш механизмини ишлаб чиқишни
такомиллаштириш ва жадаллаштириш.
Жаҳонда бир ёки икки қатламли ер ости сув олиш иншоотларининг
(ЕОСОИ)
мавсумий-ҳудудий
хусусиятлари
асосида
шаклланиш
ва
эксплуатация
жараёнларини
қатъиймас-детерминистик
моделлаштириш
алгоритмлари, усуллари ва компьютерлаштирилган тизимининг янги
авлодини ишлаб чиқиш алоҳида аҳамият касб этиб бормоқда. Бу борада
мақсадли илмий-тадқиқотларни, жумладан, қуйидаги йўналишлардаги илмий
изланишларни амалга ошириш муҳим вазифалардан бири ҳисобланади: бир
ва икки қатламли ер ости сувли қатламлари шароитида кучли шўрланган ер
ости сувлари аномалияларини чучуклаштириш масалаларини ечишга
мўлжалланган дастурий воситалар мажмуасини яратиш; бир ва икки
қатламли ер ости сув қатламларида ЕОСОИларини шаклланиш, эксплуатация
ва тикланиш жараёнларида сув ресурсларининг динамикасини кузатишнинг
қатъиймас-детерминистик
моделларини
(ҚДМ)
ишлаб
чиқиш;
ЕОСОИларини мавсумий-ҳудудий шаклланиш, эксплуатация ва тикланиш
жараёнларининг қатъиймас-детерминистик моделлаштириш усуллари ва
алгоритмларини
яратиш;
бир ёки икки қатламли ЕОСОИларининг
функционал-тузилмавий шаклланишининг гидрогеологик, технологик ва
экологик асосларини тадқиқ қилиш қонуниятларини аниқлаш; симсиз сенсор
1
http://www.priroda.su/item/1319
2
http://www.coutrumeters.com
5
тўрлари асосида ЕОСОИ қатъиймас-детерминистик моделларини яратиш ва
ечимлар қабул қилиш жараёнларининг ахборот интеграллашувига асосланган
мониторингнинг компьютерлаштирилган тизими тузилмасини ишлаб чиқиш.
Ўзбекистон Республикасининг «Сув ва сувдан фойдаланиш тўғриси да»ги
Қонуни (1993 йил 6 майдаги ЎРҚ-837-XII-сон), Ўзбекистон Республи каси
Президентининг 2013 йил 27-июндаги ПҚ-1989-сон «Ўзбекистон
Республикаси Миллий ахборот-коммуникация тизимини янада ривожлан
тириш тўғрисида»ги ва 2014 йил 17 ноябрдаги ПҚ-2264-сон «Ўзбекистон
Республикасининг 2015 йилги Инвестиция дастури тўғрисида»ги Қарорлари
ҳамда Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамасининг 2013 йил 19
мартдаги 82-сон «Ўзбекистон Республикасида сувдан фойдаланиш ва сув
истеъмоли тартиби тўғрисида»ги қарорида белгиланган вазифаларни амалга
оширишга ушбу диссертация тадқиқоти муайян даражада хизмат қилади.
Тадқиқотнинг республика фан ва технологиялари ривожланиши
нинг устувор йўналишларига боғлиқлиги.
Мазкур тадқиқот республика
фан ва технологиялар ривожланишининг IV. «Ахборотлаштириш ва ахборот
коммуникация технологияларини ривожлантириш» устувор йўналиши
доирасида бажарилган.
Диссертация мавзуси бўйича хорижий илмий-тадқиқотлар шарҳи.
Ер ости сув олиш иншоотларини шаклланиш, эксплуатация ва тикланиш
жараёнларини қатъиймас-детерминистик моделлаштириш, мураккаб тизим
ларни ахборот ноаниқлиги шароитида гидрогеологик, технологик ва иқтисо
дий асосларини геоахборот технологиялари асосида комплекс тадқиқ қилиш
жараёнларини интеллектуаллаштириш усулларини ишлаб чиқишга йўналти
рилган илмий изланишлар жаҳоннинг етакчи илмий марказлари ва олий
таълим муассасалари, жумладан, Trimble, INPHO, RapidEye (Германия),
Airbus Defence and Space, Geo-Intelligence, Spotlmage (Франция), Aquila
Space, Dauria Aerospace, Esri Inc, Exelis VIS, Modflow, Калифорния Беркли
университети (АҚШ), Geomatics Canada, Sehlumberger Water Services
(Канада), DEIMOS Imaging, Remote Sensing Laboratory of the University of
Valladolid (Испания), Варшава технология университети (Польша), Waterloo
Hydro geologic, Excel Geomatics (Хиндистон), GISTDA (Таиланд), Дания
технология университети (Дания), Esri CIS, OOO «Дата», Москва давлат
университети, Москва алоқа ва ахборотлаштириш ҳамда Қозон университети
(Россия), Тошкент ирригация ва мелиорация институти қошидаги Ирригация
ва сув муаммолари илмий-тадқиқот институтида (Ўзбекистон) кенг қамровли
илмий-тадқиқот ишлари олиб борилмоқда.
Бир ёки икки қатламли ЕОСОИларини шаклланиш, эксплуатация ва
тикланиш жараёнларининг гидрогеологик, технологик асосларини геоахбо
рот технологиялари ёрдамида баҳолаш ва башоратлаш моделларини яратиш
усул ва алгоритмларини ишлаб чиқиш, мониторинг тизими тузилмасини
такомиллаштиришга оид жаҳонда олиб борилган тадқиқотлар натижасида
қатор, жумладан, қуйидаги илмий натижалар олинган: GPS-навигация тизими
соҳасида ҳамда геодезик қурилмалар ва дастурий таъминот яратишда юқори
даражадаги фотограмметрик дастурий ечимлар ишлаб чиқилган
6
(Trimble, Digital Globe, АҚШ); юқори Sport & Pleiades ечимли оптик сунъий
йўлдош оператори тасвирлар ҳисоблаш усуллари ишлаб чиқилган (Airbus
Defense and Space, Франция); қишлоқ хўжалиги соҳасида космик
мониторинги асосида сув заҳиралари харитаси яратилган (Aguila Space,
АҚШ); ер ости сув заҳиралари космик тасвирлари ва геоахборот ресурс
ларини қайта ишлашнинг дастурий таъминоти ишлаб чиқилган (ESRI, АҚШ);
геоахборот технологиялари ишлаб чиқилган ва гидрогеология соҳасида
амалда жорий этилган (Eeri GIS, Россия); ер ости сувлари ҳаракатини
моделлаштириш ва ер ости сувлари сифатини баҳолаш, заҳираларидан
фойдаланишни бошқариш карталарини яратишнинг дастурий таъминоти
ишлаб чиқилган (Waterloo Hydrogeologic, Россия).
Дунёда ер ости сув олиш иншоотларини шаклланиш, тикланиш ва
эксплуатация жараёнларини қатъиймас-детерминистик моделларини ишлаб
чиқиш
бўйича
қатор,
жумладан,
қуйидаги
устувор
йўналишларда
тадқиқотлар олиб борилмоқда: бир ва икки қатламли ер ости сув олиш
иншоотларини шаклланиш, эксплуатация ва тикланиш гидрогеологик
жараёнларнинг қатъиймас-детерминистик моделлари ва сув заҳираларини
башоратлаш ва баҳолашларни такомиллашган алгоритм ва моделларини
ишлаб чиқиш; симсиз сенсор тўрлари асосида мониторинг ўтказишни
компьютерлаштирилган тизим тузилмасини ишлаб чиқиш; бир ва икки
қатламли ер ости сувли қатламлари шароитида кучли шўрланган ер ости
сувлари таркибини юқори даражада минераллаш технологиясига асосланган
чучуклаштириш масаласини ечишнинг дастурий воситалар мажмуаси ва
геоахборот тизимларининг интеграциялашув ва механизмини ишлаб чиқиш.
Муаммонинг ўрганилганлик даражаси.
Ер ости сув олиш иншоотла
рини шаклланиш ва эксплуатация жараёнларини тадқиқ қилишнинг назарий
ва амалий масаларини ечишда қатьиймас-детерминистик моделлаштириш
тизими, ер ости гидросфераси бир ва икки қатлам шароитларида қатъиймас
детерминистик ёндошув асосида гидрогеологик параметрларни аниқлаш, ер
ости сувли қатламлар динамик ўзгариш ҳолатларини башоратлаш ва назорат
қилиш алгоритмини яратиш, симсиз сенсорли тўрларнинг асосида ер ости сув
олиш иншоотларини қатъиймас-детерминистик моделлаштириш жараёнла
рининг ахборот таъминотига интеграциялашуви ва мониторинги масалалари
бир қатор олимлар: T.L.Eldho (Indian Institute of Technology), Ekkehard
Holzbecher (Humboldt Universit), Shaul Sorec (Ben Gurion University),
C.P.Kumar (National Institute of Hydrolog), Vijai Singhal (Rajasthan State
Pollution Control Board), Robit Goyal (Malviya National Institute of Technology,
C.William (Florida State University), Jan Seibert (Swedish University of
Agricultural Sciences), Allan Rodhe (Uppsala University), J.Jeffrey (Oregon State
University), David Zilberman (University of California) ва бошқаларнинг
ишларида кўриб чиқилган.
Бир ва икки қатламли ер ости сувли қатламларда ЕОСОИлари шаклла ниш,
эксплуатация ва тикланиш технологиялари ва усулларини ишлаб чиқиш
масалалари билан боғлиқ тадқиқотлар бир қатор олимлар томонидан олиб
борилган, жумладан, C.P.Kumar, C.William, Jan Seibert, И.К.Гавич, J.Jeffrey,
7
В.М.Шестаков, Ф.Б.Абуталиев, У.У.Умаров, С.Ш.Мирзаев, Н.И.Плотников,
В.С.Усенко, А.А. Акрамов, П.П. Нагевич таҳлили шуни кўрсатадики, ҳозирги
вақтда ер ости сув қатламларида сув заҳираларини шаклланиш ва эксплуа
тацияси жараёнларини маълумотлар тўлалиги шартларида детерминистик
моделлари ишлаб чиқилган. Шунингдек, ер ости сувли қатламлари ва ер ости
сувлари режимини кузатишда T.L.Eldho, Shaul Sorec, В.М.Шестаков,
В.С.Усенко, И.И.Крашин, А.А.Акрамов, П.П.Нагевич, В.Н. Пономарев,
И.Х.Хабибуллаев, ер ости сув заҳираларининг ифлосланишининг гидрогео
логик ва экологик жиҳатлари David Zilberman, Е.Л.Минкин, Л.С.Язвин, Allan
Rodhe, В.Г.Самойленко, С.Ш.Мирзаев, А.А.Акрамов, Г.Л.Григорова,
В.Н.Пономарев, В.В.Сергеев каби олимлар томонидан тадқиқ қилинган ва
маълум даражадаги ижобий натижаларга эришилган.
Қатъиймас маълумотлар салмоғи юқори шартларда табиий жараёнларни,
жумладан, ер ости сув олиш иншоотларини шаклланиш ва эксплуатацияси
жараёнларини қатъиймас-детерминистик моделлаштиришга бағишланган
ишлар A.Farajzadeh,G.D.Smith, O.Kaleva, N.E.Mohamed, Т.Саати, Е.Мамдани,
Д.А.Поспелов, А.Н.Аверкин, А.П.Ротштейн (суст шаклланган жараёнларни
моделлаштириш услубияти); P.Catarina, M.Y.Abdelgalil, В.М.Шестаков,
В.А.Мироненко, И.И.Крашин, Е.А.Полшков (ер ости гидросферасига техно
ген
факторлар
таъсири); K.M.Kheiralla, M.M.Mergani, А.Б.Ситников,
Н.Н.Веригин, В.Г.Самойленко (ер ости гидросферасида тузлар миграцияси
моделлари) ва бошқаларнинг тадқиқотларида бир ва кўп қатламли ер ости
сувли қатламлар шароитларида геофильтрация жараёнларини моделлашти
ришда детерминистик ёндошув ва ечимлар қабул қилишда гидрогеологик
объектлар параметрлари ва характеристикаларига тегишли ноаниқ, қатъий
мас маълумотлардан, бир жинсли бўлмаган зоналар орасидаги ўтиш
зоналарининг, бошланғич ва чегаравий шартларнинг қатъиймаслигини
бевосита ҳисобга олиш зарурлиги муаммолари кўрилган. Шунга қарамай,
мутахассис гидрогеолог экспертларнинг тажриба, билим, фикрларидан
иборат ва қатъиймас шаклда ифодаланган маълумотлар асосида қатъиймас
детерминистик моделлаштиришнинг самарали усуллари, ҳамда ЕОСОИлари
фаолиятини башоратлаш ва кўп мезонли ва кўп факторли асосда баҳолаш,
геофильтрация ва ер ости гидросферасида тузлар миграцияси моделлари ва
алгоритмларини ишлаб чиқиш, қатъиймас параметрлар ва характеристика
ларни идентификациялаш, тематик қатламларни генерациялаш, олинган
натижаларни ҳудудга боғлиқ тарзда талқин қилишнинг компьютерлашти
рилган тизимини яратиш усулларини тадқиқ этишга бағишланган илмий
изланишлар ҳозирги кунда деярли олиб борилмаган.
Диссертация мавзусининг диссертация бажарилган олий таълим
муассасасининг илмий-тадқиқот ишлари билан боғлиқлиги.
Диссертация
тадқиқоти Тошкент ахборот технологиялари университетининг илмий-тадқи
қот ишлари режасининг А5-020. «Қатъиймас тўпламлар асосида турли хил
гидрогеологик маълумотларга ишлов беришнинг аппарат дастурий воситала
рини ишлаб чиқиш» (2012-2014 йй.), А5-022. «Телекоммуникация тизимлари
электромагнит хавфсизлигини комплекс баҳолашга ГИС технологияларининг
8
интеграллашуви» (2015-2017 йй.) мавзусидаги амалий лойиҳалар доирасида
бажарилган.
Тадқиқотнинг мақсади
бир ёки икки қатламли ер ости сув олиш иншо
отларининг мавсумий-ҳудудий хусусиятлари асосида шаклланиш ва эксплуа
тация жараёнларини қатъиймас-детерминистик моделлаштириш алгоритмла
ри, усуллари ва компьютерлаштирилган тизимини ишлаб чиқишдан иборат.
Тадқиқотнинг вазифалари:
бир ёки икки қатламли ЕОСОИларининг функционал-тузилмавий шакл
ланишининг гидрогеологик, технологик ва экологик асосларини тадқиқ
қилиш қонуниятларини аниқлаш;
бир ва икки қатламли ер ости сув қатламларида ЕОСОИларини шаклла
ниш, эксплуатация ва тикланиш жараёнларида сув ресурсларининг динами
касини кузатишнинг қатъиймас-детерминистик моделларини ишлаб чиқиш;
ЕОСОИларини мавсумий-ҳудудий шаклланиш, эксплуатация ва
тикланиш жараёнларининг қатъиймас-детерминистик моделлаштириш усул
лари ва алгоритмларини ишлаб чиқиш;
ЕОСОИ ва уларнинг қатъиймас-детерминистик моделлари орасидаги
ўзаро боғланишларни интерфаол тарзда амалга оширишга имкон берувчи
ахборот имитацион моделларини ишлаб чиқиш;
симсиз сенсор тўрлари асосида ЕОСОИ қатъиймас-детерминистик
моделларини яратиш ва ечимлар қабул қилиш жараёнларининг ахборот
интеграллашувига
асосланган
мониторингнинг
компьютерлаштирилган
тизими тузилмасини ишлаб чиқиш;
бир ва икки қатламли ер ости сувли қатламлари шароитида кучли
шўрланган ер ости сувлари аномалияларини чучуклаштириш масалаларини
ечишга мўлжалланган математик аппарати ва дастурий воситалар мажмуаси
ни яратиш;
геофильтрлаш жараёнларни қатъиймас-детерминистик моделларини
ишлаб чиқиш жараёнларини параллеллаштириш тамойиллари ва алгоритм
ларини танлаш;
қатъиймас ахборот салмоғи юқори шароитида бир ва кўп қатламли
ЕОСОИлари шаклланиш, эксплуатацияси ва тикланиши жараёнлари дина
микасини тадқиқ қилиш компьютерлаштирилган тизимини конкрет ҳудудлар
ЕОСОИларида амалиётга тадбиқ этиш.
Тадқиқотнинг объекти
сифатида ер ости сув олиш иншоотларини
мавсумий-ҳудудий шаклланиши, эксплуатацияси ва қайта тикланиши
қаралади.
Тадқиқотнинг предмети
бир ва икки қатламли ер ости сув олиш
иншоотларининг
гидрогеологик
ўзгариш
жараёнларининг
қатъиймас
детерминистик моделларини яратиш механизми, алгоритмлари, дастурий
воситалари ва ҳисоблаш тажрибаларини ўтказишга мувофиқлашган компью
терлаштирилган технологиялари ташкил этади.
Тадқиқотнинг усуллари.
Тадқиқот жараёнида математик
моделлаштириш, қатъиймас тўпламлар назарияси, геофильтрация ва физик-
9
кимёвий гидродинамика, математик физика, дастурий таъминот мажмуала
рини яратиш ва сонли ечиш усуллари қўлланилган.
Тадқиқотнинг илмий янгилиги
қуйидагилардан иборат:
ер ости сув олиш иншоотларини ҳудудий-ҳажмий шаклланиш, эксплуа
тацияси ва мавсумий қайта тикланиши, фильтрация жараёнларини қатъий
мас-детерминистик моделлаштиришнинг алгоритм ва дастурий воситалар
комплекси ишлаб чиқилган;
ер ости сув олиш иншоотлари ва уларнинг қатъиймас-детерминистик
моделлари орасидаги ўзаро боғланишларни интерфаол тарзда амалга
оширишга имкон берувчи ахборот идентификация ва ахборот технологик
моделлари ишлаб чиқилган;
ер ости сув олиш иншоотларининг қатъиймас-детерминистик моделлаш
тириш ва ечимлар қабул қилиш жараёнлари ахборот интеграциясини симсиз
сенсор тўрлари асосида компьютерлаштирилган тизим тузилмаси ишлаб
чиқилган;
бир ва икки қатламли ер ости сувли қатламлари шароитида кучли шўр
ланган ер ости сувлари таркибини юқори даражада минераллаш технология
сига асосланган чучуклаштириш жараёнларининг қатъиймас-детерминистик
модел, алгоритм ва дастурий воситалари ишлаб чиқилган;
геофильтрлаш жараёнларни қатъиймас-детерминистик моделларини
ишлаб чиқиш жараёнларини параллеллаштириш тамойил, алгоритм ва
дастурий воситалари ишлаб чиқилган.
Тадқиқотнинг амалий натижаси
қуйидагилардан иборат: бир ва икки
қатламли ер ости сув олиш иншоотларини гидрогеологик ва мавсумий
динамик шаклланиш жараёнларини қатъиймас-детерминистик
моделлаштириш, ер ости сувли қатлам, ер усти сув манбаалари
параметрларини аниқлашнинг ҳисоблаш усуллари ишлаб чиқилган; ер ости
сув олиш иншоотларининг шаклланиш, эксплуатация ва тикла ниш
жараёнларининг гидрогеологик, технологик ва экологик асосларини
геоахборот технологиялари асосида комплекс тадқиқ этишга асосланган
қатъиймас-детерминистик моделлаштириш концепцияси ишлаб чиқилган;
гидрогеологик объектлар орасидаги ЕОСОИларини мавсумий-ҳудудий
шаклланиш, муддатли эксплуатация ва янгидан тикланиш жараёнларининг
ўзига хос хусусиятларидан келиб чиққан холда қатъиймас-детерминистик
моделлаштириш усуллари ва алгоритмлари ишлаб чиқилган ва ўзаро
боғлиқлик муносабатларининг таҳлили асосида гидрогеологик ва сифатий
ўзгариш даражалари аниқланган;
симсиз сенсор тўрлари асосида ЕОСОИларининг қатьиймас-детерми
нистик моделлари ва ечимлар қабул қилиш жараёнларининг ахборот
интеграллашувига асосланган мониторинг ўтказишнинг компьютерлаш
тирилган тизими тузилмаси ишлаб чиқилган;
бир ва икки қатламли ер ости сувли қатламлари шароитида кучли шўр
ланган ер ости сувлари таркибини юқори даражада минераллаш технология
сига асосланган чучуклаштириш масалаларини ечишнинг кўп мезонли ва кўп
10
факторли қатъиймас детерминистик моделлашнинг дастурий воситаси
яратилган;
геофильтрлаш жараёнларининг нейро-қатъиймас ва қатъиймас-детерми
нистик моделларини яратишнинг параллел ҳисоблаш механизми, тамойили
ва алгоритмлари ишлаб чиқилган ва мос равишда муқобиллари танланган;
ер ости сувларини ҳимоялаш тадбирларини ишлаб чиқиш ва аҳоли сув
таъминоти масалалари билан шуғулланувчи мутахассислар томонидан
амалий нуқтаи назардан рационал қарорлар қабул қилиш учун ЕОСОИла
рини қатъиймас маълумотлар шароитида комплекс тадқиқ қилиш концепция
си, геофильтрация ва ер ости гидросферасида туз миграцияси жараёнлари
нинг географик ахборот тизимларини қўллашга асосланган қатъиймас-детер
министик моделлаштириш дастурлар комплекси ишлаб чиқилган;
географик ахборот технологиялари асосида яратилган бир ва икки
қатламли ЕОСОИларини шаклланиш, эксплуатация ва тикланиш жараёнлари
динамикасини ифодаловчи қатъиймас-детерминистик моделлар ва компью
терлаштирилган тизим Кегейли ва Тўрткўл ер ости сув заҳираларидан
самарали фойдаланишни ташкил этишда амалда жорий этилган.
Тадқиқот натижаларининг ишончлилиги.
Геологик ва гидрогеологик
технологиялар асосида ишлаб чиқилган бир ва икки қатламли ЕОСОИла рини
шаклланиш, эксплуатация, тикланиш ва фильтрланиш жараёнларини
қатъиймас-детерминистик моделларини қуришнинг компьютерлаштирилган
тизим тузилмаси, усуллари ва ҳисоблаш алгоритмларининг самарали ишла
тилиши, геофильтрация параметрларининг классификацияланиши ва инфор
матив параметрларини танланиши, қатъиймас маълумотларни агрегациялаш
асосида гидрогеологик қарорлар қабул қилиниши, башоратлаш ва
баҳолашнинг нейро-қатъиймас моделларининг адекватлиги, тестланиши,
ҳисоблаш тажрибалари таҳлили ва моделлаштириш натижаларининг объект
лар бўйича йиғилган реал маълумотлар билан таққослашга асосланади.
Тадқиқот натижаларининг илмий ва амалий аҳамияти.
Тадқиқот
натижаларининг илмий аҳамияти яратилган ер ости сув олиш иншоотларини
қатъиймас-детерминистик
моделларининг
гидрогеологик
ахборот
тизимларига
мувофиқ
геофильтрация
моделлаштириш
назариясини
ривожлантириш бўйича тадқиқот натижаларининг илмий моҳиятини ташкил
қилиш, ер ости сувлари заҳираларини ҳудудий-ҳажмий шаклланиш, муддатий
эксплуатацияси, мавсумий-вақтий тикланиши жараёнларининг моделларини
яратиш усуллари, ер ости гидросферасида туз миграцияси жараёнларини
моделлаштириш алгоритмлари, дастурий воситалар
комплексини ишлаб
чиқиш, ҳисоблаш тажрибаларини режалаштириш ва
амалга оширишга
имконият яратиши билан изоҳланади.
Тадқиқотнинг амалий аҳамияти яратилган ЕОСОИларининг ҳудудий
шаклланиш, эксплуатация ва тикланиш жараёнларини қатъиймас-детерми
нистик моделлаштиришнинг дастурий воситалари мажмуалари ва қатъиймас
детерминистик моделлари кузатув олиб борилган эксплуатация қудуқларини
ҳудудий жойланишларининг оптимал схемаларини аниқлашни ҳамда ер ости
сув заҳираларини самарали бошқарувини синтезлашни таъминлайди. Симсиз
11
нейрон тўрлари асосида ишлаб чиқилган ЕОСОИларининг қатъиймас-детер
министик моделлари бир ёки икки қатламли ер ости сувли қатламига тегиш
ли параметрларни тезкор аниқлаш, жамланган маълумотларни тизим
лаштириш ва ҳисоблаш тажрибаларини ўтказиш каби масалаларни ечишга
хизмат қилади.
Тадқиқот натижаларининг жорий қилиниши.
Симсиз сенсор
тўрларидан фойдаланган ҳолда ЕОСОИларининг нейро-қатъиймас ва
қатъиймас-детерминистик моделларини яратиш технологияси ва монито
рингнинг компьютерлаштирилган тизими Давлат геология ва минерал
ресурслар қўмитаси корхоналарида, жумладан, «Орол бўйи гидрогеология
экспедицияси», «Ғарбий Ўзбекистон гидрогеология экспедицияси» Давлат
корхоналарида жорий қилинган (Ўзбекистон Республикаси Давлат геология
ва минерал ресурслар қўмитасининг 2015 йил 14 июлдаги 08-1266-сон,
Ўзбекистон Республикаси Ахборот технологиялари ва коммуникацияларини
ривожлантириш вазирлигининг 2016 йил 1 апрелдаги 02-8/1849-сон
маълумотномалари). Илмий-тадқиқот натижалари ер ости сувли қатламга
доир геофильтрация, экологик, геологик ва гидрогеологик маълумотларни
тизимлаштириш,
кузатиш
ва
эксплуатация
қудуқларини
оптимал
жойлаштириш схемаларини аниқлаш ва кузатишга боғлиқ маълумотларни
таҳлил қилиш жараёнини 1,7-2,5 маротабага қисқартириш, эксплуатация
қудуқлари сонини 15-20% га камайтириш ва ер ости сув заҳираларидан
самарали фойдаланишни таъминлашга хизмат қилади.
Тадқиқот натижаларининг апробацияси.
Тадқиқот натижалари 22 та
илмий-техник, шу жумладан 9 та халқаро анжуманларда муҳокама қилинган:
«
European Applied Sciences» (Германия, Stuttgart, 2015й.); «Автоматика и
программная инженерия» (Россия, Новосибирск, 2014й.); «Наука и мир»
(Россия, Волгоград, 2015й.); «Проблемы вычислительной и прикладной
математики» (Ташкент, 2015й.); «Ишлаб чиқаришни автоматлаштириш
интеллектуал тизимлар бутунжаҳон конференцияси, WCIS» (Тошкент, 2012,
2014йй.); «Амалий математика ва ахборот технологияларининг долзарб
муаммолари-Ал Хоразмий» (Тошкент, 2012; Самарқанд, 2014йй.); «ХХI аср
фан ва технологияларининг устувор йўналишлари, Тинбо» (Тошкент,
2014йй.); «Фан ва амалиётнинг интеграциялашуви Ўзбекистон Республикаси
геология сохасини ривожлантиришнинг самарали омили» (Тошкент, 2014й.);
«Ахборот технологияларининг ривожланиш истиқболлари, ITPA-2014»
(Ташкент, 2014й.); «Гидрогеология, мухандислик геологияси, геоэкология
муаммолари ва уларни ечиш йўллари» (Тошкент, 2012й.); «Телекоммуни
кация ва алоқа соҳасида замонавий ахборот технологиялари» (Тошкент,
2011й.); «Ахборот технологиялари ва телекоммуникация муаммолари»
(Ташкент, 2013, 2014йй.).
Тадқиқот натижаларининг эълон қилиниши.
Диссертация мавзуси
бўйича жами 38 та илмий иши чоп этилган, шулардан, 1 та монография,
Ўзбекистон Республикаси Олий аттестация комиссиясининг докторлик
диссертациялари асосий илмий натижаларини чоп этиш тавсия этилган
12
илмий нашрларда 12 та мақола, жумладан, 9 таси республика ва 3 таси
хорижий журналларда нашр этилган.
Диссертациянинг ҳажми ва тузилиши.
Диссертация таркиби кириш,
бешта боб, хулоса, фойдаланилган адабиётлар рўйхати ва иловалардан
иборат. Диссертациянинг ҳажми 200 бетни ташкил этган.
13
ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ МАЗМУНИ
Кириш
қисмида диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурияти
асосланган, тадқиқот мақсади ва вазифалари шакллантирилган, тадқиқот
объекти ва предмети аниқланган, Ўзбекистон Республикаси фан ва техноло
гиялар тараққиётининг устувор йўналишларига мослиги кўрсатилган, тадқи
қотнинг илмий янгилиги ва амалий натижалари баён этилган, олинган
натижаларнинг ишончлилиги асосланган, уларнинг назарий ва амалий
аҳамияти очиб берилган, тадқиқотларнинг натижаларини амалда жорий
қилиш ҳолати, ишнинг апробация натижалари, эълон қилинган ишлар ва
диссертациянинг тузилиши бўйича маълумотлар келтирилган.
Диссертациянинг
«Ер ости сув олиш иншоотлари шаклланиш ва
эксплуатацияси жараёнларининг қатъиймас-детерминистик моделлари»
деб номланган биринчи бобида ЕОСОИлари шаклланиш, эксплуатацияси ва
қайта
тикланиши жараёнларини моделлаштириш масаларини чишга
бағишланган илмий тадқиқот ишлари таҳлили келтирилган. ЕОСОИлари
технологик схемаларининг асосланиши ер ости сувлари баланси тузилишини
мақсадли яхшилаш, инфильтрация қурилмаларининг берилган оралиқларда
ишлашини бошқариш ва қўллаб-қувватлаш кабиларни ўз ичига олади.
Фильтрация соҳасининг горизонтал ва вертикал кесимда фильтрация
хусусиятлари бўйича биржинсли эмаслилиги, бошланғич ва чегаравий шарт
ларнинг қатъиймаслилиги, ер усти сув оқимлари режимларининг аниқмасли
лиги ва х.к. лар ЕОСОИларининг шаклланиш ва эксплуатация жараёнларини
формаллаштиришда қатъиймас-детерминистик ёндошувдан фойдаланишни
тақозо этади. Ер ости сувли соҳа бир қатламли бўлган ҳолда ЕОСОИлари
нинг шаклланиш ва эксплуатация жараёнларининг қатъиймас-детерминистик
модели қуйидаги кўринишга эга бўлади:
( ) ( )
f W
∂
∂∂
+
−
h
~ ~ ~ ~ ~ ~
∂
∂∂
h
∂
∝
,
(1)
∂
=
t x
∂
K h b
−
+
x y
K h b
−
∂
y
~–
фильтрация
коэф
бу ерда
h
(
x
, ,
ty
)
– сизот сувлар (СС) сатхи;
K
(
x
,
y
)
~
– сув тутувчи
фициентларининг қатъиймас функцияси,
(
x
,
y
)
∈
D
;
b
(
x
,
y
)
~
– инфильтрация
қурил
қатламнинг қатъиймас функцияси,
(
x
,
y
)
∈
D
;
f
(
x
,
y
)
~
– лар
маларидан инфильтрацияланувчи оқим қатъиймас функцияси;
W
(
x
,
y
)
парланиши қатъиймас функцияси; D – фильтрация соҳаси. ЕОСОИни
шаклланиш ва эксплуатацияси шароитларида аниқланувчи бошланғич ҳамда
чегаравий шартлар асосида ҚДМ масаласи ечилади. Бунда бошланғич шарт
қуйидаги кўринишга эга:
( )
,( ),
~
h x y
0,,
=
ϕ
x y
(
x
,
y
)
∈
D
.
~
ϕ
– ЕОСОИ жойлашган ҳудудга тегишли гидроизогипслар
Бу ерда
(
x
,
y
)
харитасидан аниқланувчи (x,y)нинг функцияси. Ички чегараларда,
эксплуатация қудуқларида қуйидаги чегаравий шарт берилади:
∂
∫
=
kh
),(
ds Q t
Г
к
∂
n
э
14
бу ерда
Г
к
– қудуқ контури;
Q t
)(
э
– қудуқнинг берилган сарфи.
Бир қатламли сувли қатламлар учун (1) ҚДМнинг ЕОСОИлари сувлари
сифатини тиклашга масаласини ечишга қўлланиши шартлари асосланган
чегаравий шартлар 1-жадвалда келтирилган.
Бир қатламли сувли қатламлар учун ЕОСОИлари чегаравий шартлари
1-жадвал
Технологик схема
График ифодаланиши
Чегаравий шартлар
ЕОСОИ
шаклланиш
технологик
схемаси
( )
( )
,,
tyxh h
=
,
АВГyx ик
=
∈
yxh yxh yxh
),( ,( ); ),(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
AByx BCyx
yxh
,( );
yxh yxh yxh
),( ,( ); ),(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
CDyx ADyx
yxh
,( );
ЕОСОИ
эксплуатация
си
технологик
схемаси
( )
( )
,,
tyxh h
=
,
=
∈
ВСГyx ик
∂
h
∂
h
∂
h
=
=
=
( ) ( ) ( )
, , ,
∈ ∈ ∈
AByx СDyx ADyx
∂
n
∂
n
∂
n
∂
h
( )
0
=
BCyx
,
∈
∂
n
ЕОСОИ
тикланишини
нг
технологик
схемаси
( )
( )
,,
tyxh h
=
,
CDГyx ик
=
∈
yxh yxh yxh
),( ,( ); ),(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
AByx BCyx
yxh
,( );
yxh yxh yxh
),( ,( ); ),(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
CDyx ADyx
yxh
,( );
Икки қатламли ер ости сувли қатлами шароитида Мятиев-Гиринский
схемаси асосида ер ости сувлари сифатини тиклаш жараёнларини сонли
моделлаштириш муаммолари тадқиқ қилинди. Бундай шартларда сизот ва
босимли ер ости сувлари гидрохимик режимларининг ўзаро боғлиқлиги
шароитида ҚДМ жараёни қуйидагича ташкил этилади: юқори сувли қатламда
тузлар ҳаракати горизонтал ва вертикал йўналишларда, пастки, яхши
ўтказувчан босимли қатламда горизонтал йўналишда бўлади. ЕОСОИ
алоҳида ишловчи жуфт қудуқлардан таркиб топади, бунда ёз пайтида юқори
қатламга жойлашган қудуқдан олинган шўр сув зовурларга оқизилади ва
ЕОСОИ ҳудудидан ташқарига чиқариб ташланади. Пастки,чучук сувли
қатламдан олинадиган сув водопровод тармоғига узатилади. Тўртламчи
қатлам шўр сувларини чучуклаштириш учун махсус инфильтрация канал лари
сув билан таъминловчи сунъий шакллантирувчи (СШ) контурлар (блоклар)
қурилади. Икки қатламли сувли қатламларда эксплуатация режимларининг
турлилиги иккала қатлам ер ости сувлари гидродинамик ва гидрохимик
режимлари ўзаро таъсирининг жадаллашувига олиб келади.
15
Бундай ҳолларда чучук сувли қатламлар ташқи чегаралардан кириб келаётган
шўр ёки ифлосланган сувлардан сақлашга алоҳида эътибор бериш зарур.
Икки сувли қатламдан ташкил топган бундай ЕОСОИларини гидро геологик
таҳлиллар натижасида геофильтрация нуқтаи назаридан вертикал кесимда
кам ўтказувчили қатлам билан ажратилган икки қатламли муҳит деб
ҳисоблаш мумкин. Шу тахлит қабул қилинган фильтрация шартларида сизот
ва босимли ер ости сувли қатламлари гидрохимик режимларининг ўзаро
боғланиши математик модели қуйидагича ифодаланади:
'
2'
c
c
∂
∂∂
∂
( ) ( )
cV
∂
∂
∂∂
c
∂
V
1
'
1
'
1
x
1
n
1
=
D
+
D
−
−
∂
t x
∂
x z
,
(2)
x z
∂
c
∂
c
∂∂ ∂
∂
z
c
∂∂ ∂
∂
x
( )
''
V c
∂
z
2
''
2
''
2
x
n
.
2
2
=
D
+
D
−
∂
t x
∂
x z
x z
∂
z
∂
x
Бошланғич шартлар:
с x z c x z c x z c x z
=
Q
=
Q
;
(3)
)0,,( ,( ); )0,,( ),(
1 2 2
Чегаравий шартлар:
∂
c
(4)
∂
c
∂
c
∂
c
1
=
=
1 2
2
=
;0 ;0
=
x
= =
Lxx x
= =
Lxx
∂
x
0
∂
x
∂
x
0
∂
x
A
≤
x
≤
C
,
A
≤
z
≤
F
;
F
≤
x
≤
D
,
F
≤
z
≤
E
;
c x z t c x z t
(5)
1
mz
−
=
0
=
2
mz
+=
0
( ,' ,' ) ( , , ) ,
∂
C
∂
C
1
1
2
2
2
1
−
= +=
V C D
(6)
z
−
z mz z z mz
=
−
1
0
∂
z
Каналлар
да:
V C D
2
∂
z
0
∂
c
1
1
=
(7)
D
=
−
z z z k
V c c
∂
z
0
( );
1
∂
;
(8)
c
=
∈
Қудуқларда:
,0 ( , )
1
x A B
n
∂
бу ерда
L
x
L
z
,
- ер ости сувли қатлами узунлиги ва баландлиги, m-юқори ва
пастки сувли қатламлари ажралиш чегаралари; x-горизонтал, z-вертикал
координатлар, бунда, z ўқи пастга йўналган,
С
1
(х, z, t), C
2
(x, z, t)
– сизот ва
босимли сувлар концентрациялари;
V
х
, V
z
, V
x
’, V'
z
– фильтрация тезликлари;
D
x
, D
z
, D
x
’, D
z
’ –
эриган тузларнинг конвектив диффузия коэффициентлари;
С
1Q
(x, z), С
2Q
(х, z)
– сизот ва босимли сувли қатламлардаги сувлар концентра
цияларининг бошланғич қийматлари;
с
п
– чучуклаштириш (тозалаш) учун
берилаётган канал суви концентрацияси; L
z
– фильтрация соҳасининг баланд
лиги;
п
1
, n
2
– мос зоналардаги муҳитларнинг актив ғоваклилиги. ЕОСОИлари
технологик схемаларининг жорий этилишининг самарадор лиги,
қатъиймас-детерминистик моделларда сув олиш ва инфильтрация
қурилмаларининг ўзаро боғлиқликда ишлашининг конструкциялари, типлари
ва параметрларини ҳисобга олинишининг мослиги билан асосланади.
Диссертациянинг
«ЕОСОИлари шаклланиш, эксплуатацияси ва
тикланиши жараёнлари қатъиймас-детерминистик моделларини
ҳисоблаш алгоритмлари»
деб номланган иккинчи бобида ЕОСОИлари
ҚДМлари учун ҳисоблаш алгоритмлари ишлаб чиқиш масалалари қаралади.
16
Икки ўлчовли горизонтал текислик - режада қаралаётган геофильтрация ва
эриган тузларнинг ер ости сувлари оқимларидаги кўчишининг икки ўлчовли
ҚДМлари учун самарали ҳисоблаш алгоритмлари келтирилади. Геофильтра
ция жараёнларини ҚДМ геофильтрациянинг детерминистик моделлари
коэффициентлари, ўнг қисмлари, ҳамда бошланғич ва чегаравий шартларни
тегишлилик функциялар (ТФ) асосида формаллаштиришга асосланган.
Фильтрация майдонларининг горизонтал ва вертикал кесим бўйича бир
жинсли эмаслиги геофильтрация жараёнларини сонли моделлаштиришда
кузатиладиган ечимнинг турғун бўлмаслигига олиб келади. Биржинсли
бўлмаган зоналар орасидаги ўтиш зонасини ҳисоблаш алгоритмларида
бевосита инобатга олиш ва бунда қатъиймас тўпламлар назариясининг (ҚТН)
ТФ тушунчасидан фойдаланиш мақсадга мувофиқ.
Геофильтрациянинг (1) квази уч ўлчовли ҚДМини жорий қилиш учун локал
бир ўлчовли схема (ЛБЎС), вектор-айирмали схемалар ва биргалик даги
ҳайдаш усулларини қўллаш асосида ҳисоблаш алгоритми ишлаб чиқил ди.
Бунда фильтрация соҳаси D чегараси Г билан текис тўрли соҳа
билан
қопланади:
p
ω
h
=
ω
h
+
ω +ω
*
Г h h
,
бу ерда
p
ω
h
– ички нуқталар тўплами;
*
ω
h
–чегара нуқталари тўплами;
Г
ω
h
–
ташқи нуқталар тўплами;
{
(
,
)
; ,0 , ,0
}
,
h i j j
m
i
ϕ
=
x
=
ih y
=
jh i
=
l j
=
(9)
y
чизиқдаги тугун нуқталар сони;
m
i
–
j
j
l
–
j
x
чизиқдаги тугун нуқталар сони.
ЛБЎСга кўра
τ =τ = +
∆
τ
+
( )1
1
k
к
вақтдаги ечим қуйидаги тенгламаларни
кетма–кет ечиш асосида топилади:
∂
h
= +
k
≤ ≤
k
= + =
α
∝
α α α
,
τ τ τ
,
α
;2,1
( ) ( )
L h q q q q
α
∂
τ
+
1 1 2
hL
~ ~
=
xh
∂
∂∂
~ ~
h
∂
∂∂
( )
( )
( )
( )
K h b
−
=
;
L h
K h b
−
11 22
∂
x
x
бошланғич шартлар:
∂
x
( )
( )
( ) ( )
,, ;
(
(,, )1
)
;
1 2 1
h
=
h x y k
τ
h
=
h x y k
+
τ
Чекли айирмали тенгламалар системасини ҳосил қилиш учун (9) тўрда
L
α
, ни тақрибан алмаштирувчи
Λ
α
чекли айирмали оператор, яъни
L
α
~
Λ
α
киритилади
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
[ ]
α α α
σ
α α
σ
α α α
h h
τ
h h q
k k
k k
~
/ 1
+
1
−
= Λ
+
1
+
−
+
(10)
бу ерда
σ
α
– чекли айирмали схеманинг салмоғи;
Система (10) қуйидаги тартибда ечилади: ҳар бир
n
j
тўғри чизиқлар
бўйлаб
τ
=
τ
(
α
=
)1
k
даги бошланғич шартларда ечилади. Сўнгра
τ
=
τ
(
α
=
)1
k
да топилган ечимлардан фойдаланиб,
i
ξ
тўғри чизиқлар
( )1
τ
=
τ
k
+
1
α
=
ларда
ечилади ва бу ечимлар системанинг якуний ечими сифатида қабул қилинади.
Бундан
L q q
~
α
~
Λ
α
,
α
~
,
17
∂
h h
k
+
h
k
−
( ) ( ) ( )
,
α α α
≈
1
∂
τ τ
∆
~ ~ ~ ~
2
Λ
1
h
k
=
B
i
+
,;5,0
h
+
,,1
kjikj
−
B
i
+
,;5,0
kj
+
B
i
−
,;5,0
kj
h
,,
kji
+
B
i
−
,,5,0
h
−
,,1
kjikj
h
(11)
( )
( ( ) )
/ ,
~ ~ ~ ~
2
Λ
2
h
k
=
B
ji
+
,;5,0,
h
+
,,1
kjik
−
B
ji
+
;5,0,
k
+
B
ji
−
;5,0,
k
h
,,
kji
+
B
ji
−
;5,0,
h
−
,1,
kjik
h
( )
( ( ) )
/ ,
~ ~
( )
,
,,
kji
, ,,
kjiji
,
ji
B
=
k h
−
b
(
, ,
)
,
,,
h
=
h ih jh k
∆
τ
kji
Чекли айирмали схемалар бажарилиш кетма-кетлиги қуйидагича
~
-
фильтрация коэффициентлари ва
~
,
σ σ
Λ
→
Λ
. Бу ерда,
jiji
ифодаланади:
( ) ( )
1 2
1 2
k b
, ,
сув тутувчи қатлам қатъиймас қийматлари. Бу коэффициентлар учбурчакли
сонлар ёрдамида формаллаштирилади:
k
=
k k l
p
, ,
f
,
k
b
b b b l
(12)
p
, ,
f
,
бу ерда
k
,
k
-
k
~
,
b
, -
b
b
~
параметр қийматлари ўзгаришининг қуйи ва юқори
чегаралари; параметр қийматлари ўзгаришининг қуйи ва юқори
,
ll
-
k
ва
b
~
параметрларнинг мос равишда
k
,[
k
] ва
b
,[
b
]
чегаралари
;
bk
диапазонлардаги лингвистик баҳолари.
Бу ерда
l
∈
L
=
{
l
1
,
l
2
,...,
l
m
}
,
(13)
L
-
k
ва
b
~
параметрларни сонли баҳолаш учун <<кичикдан>> дан
<<каттага>> га тамойили бўйича тартибланган лингвистик термлар тўплами.
Тўрли соҳа
ω
h
нинг барча нуқталарида
k
ва
b
~
параметрларни
формаллаштириш учун ахборот модели тузилади, унга кўра тўрли соҳанинг
барча нуқталарига ,
7654321
iiiiiii
кўринишидаги бутун сон мос қўйилади ва унинг
разряди нуқтанинг аниқ соҳага тегишлилиги, (13) ифода бўйича терм номери,
термнинг номери бўйича лингвистик қиймати ва термлар умумий сони ҳақида
маълумот беради. Соҳанинг барча ички нуқталарида
(
k b
)
~
,~
параметрларнинг
қатъиймас қийматлари
ω
n
қуйидаги формула ёрдамида
ҳисобланади:
~
k
i
;
λ
=
k
i
;
λ
+
i
−
k
i
;
λ
−
k
i
;
λ
m
−
,
[
(
1
)
( )
]
/
(
1
)
i
=
1,2,...,
m
.
Чекли айирмали тенгламалар системалари
α
=
1
ва
α
=
2
ларда прогонка
усулида ечилади. Бунда итерация усулини қўллаш орқали (11) га кирган
чизиқли бўлмаган коэффициентлар ва ўнг қисмлар чизиқлилаштирилади:
B
kji
+
1,,
≈
B
,,
kji
.
У ҳолда (10) система чизиқли кўринишга келади. Ҳисоблаш жараёни
қуйидагича амалга оширилади: Система чизиқлилаштирилгандан сўнг, яъни
B
kji
+
1,,
лар
B
,,
kji
билан алмаштирилгандан сўнг, чекли айирмали схемалар
прогонка усули билан ечилади ва
h
kji
+
1,,
лар топилади. Ҳисоблашлар жараёни
қуйидаги шарт бажарилгунга қадар давом эттирилади:
18
( ) ( )
max
1,, 1,,
, ,0
S
S
ε ε
,
+
−
+
< >
h h
ji
∈
ω
h
kji
kji
бу ерда s-итерация номери.
Чекли айирмали (11) схемалар
α =
1,2
да қуйидаги формулалар орқали
амалга оширилади:
( )
( )
( )( )
ji
S
+
1
S
+
1
+
= +
, (14)
h
kji
A h D
,1
1,,1
+
, 1 1,,1
ji kji
+ +
( )
( )
( )( )
1,
S
+
1
S
+
1
h
kji
C h E
, (15)
+
= +
ji
1,,2
+
ji kji
+ + +
1, 1,1,2
бу ерда
∆
τ
( )
+ +
−
σ
,
/
σ σ
A
,1
A
,;5,011
2 1 ,;5,0 ,;5,0 1 ,;5,0
+
ji
=
+
kj
B
i
+
kj
B
i
−
kj
B
i
−
kj
h
∆
τ
( )
( )
σ
,
σ
B D
+
+
−
Λ
h h
1( )
1 ,;5,0
2 ,, 1 1 1
i ijkj kji k
D
ji
=
−
h
+
,1
τ
∆
( )
i kj i kj i jikj
σ σ
+ +
−
B B B A
2 1 ,;5,0 ,;5,0 1 ,;5,0 ,
+
− −
h
∆
τ
+ +
−
( )
σ
,
/
σ σ
C
1,
B
;5,0,2
2 2 ,5,0, ;5,0, ;5,0,2 ,
ji
+
=
ji
+
k
B
ji
+
k
B
ji
−
k
B
ji
−
C
jik
h
∆
τ
σ
( )
( )
σ
,
B E
+
+
−
Λ
h h
1( )
ji ijk kji k
E
ji
1,
+
=
∆
−
τ
;5,0,2
2 ,, 2 2 2
h
( )
i kj i kj
ji jik
σ σ
+ +
−
B B B C
2 1 ,;5,0 ,;5,0 ;5,0,1 ,
+
− −
h
i
=
0
даги чегаравий шартлардан, ҳар бир
ji
n
,
ва
j
=
0 даги шартлардан
ҳар бир
ξ
i
лар учун
A D C E
,;,;,;,
jijijiji
ҳисобланади.
Сўнгра (14) ва (15) формулалар асосида тескари прогонка амалга
оширилади.
Мураккаб геофильтрация ва геомиграция шартлари (фильтрация соҳаси нинг
горизонтал ва вертикал кесимда фильтрация коэффициентларининг бир хил
эмаслиги, ер ости сувли қатламда эриган тузларнинг катта градиентлари нинг
мавжудлиги, турли сувли қатламлар эксплуатация қилинганда вужудга
келадиган қатламлар аро шўр сувлар алмашуви ва х.к.) билан тавсифланувчи
Жанубий Оролбўйи ер ости сув конларидаги юқори концентрацияли сув
заҳираларини чучуклаштириш муаммосини ечишда гидрогеологик жараён
ларни ҚДМ асосида сонли моделлаштириш муаммолари қаралади. Бундай
масалалар сизот сувли ва босимли қатламлар гидродинамик ҳамда гидро
химик режимларининг боғлиқлиги математик модели (2) – (8) асосида амалга
оширилади. ҚДМнинг сонли ечими ЛБЎС ва биргаликдаги прогонка усули
асосида амалга оширилади. Бунда (2) кўринишидаги икки ўлчовли туз
кўчиши тенгламаларининг, мос бошланғич ва чегаравий шартлар асосидаги
ечими бир ўлчовли туз кўчиши тенгламалари вектор-айирмали схемалар
асосида кетма-кет ечилишига келтирилади. Ишлаб чиқилган схема C#
алгоритмик тилида дастурий комплекс кўринишида амалга оширилди.
Диссертациянинг
«Гидрогеологик объект ва унинг қатъиймас
детерминистик модели орасидаги ўзаро алоқани таъминлаш ахборот
моделини ишлаб чиқиш»
деб номланган учинчи бобида ЕОСОИнинг
19
ахборот моделини яратиш масалалари қаралади. Уни ишлаб чиқишдан
кўзланган мақсад - ЕОСОИ ва унинг қатъиймас-детерминистик модели
орасидаги ўзаро ахборот боғланишини амалга ошириш, ҳамда сонли
моделлаштириш жараёнида муҳит параметрлари ва чегаравий шартларнинг
турли вариантларини синаб кўришга йўналтирилган ҳисоблаш тажрибалари
(ХТ) ўтказишни амалга оширишдир.
Диссертацияда ЕОСОИлари ахборот моделларини шаклланиш
алгоритмлари ва уларни яратиш масалалари кўрилган, ҳамда ЕОСОИларнинг
технологик ташкил этувчилари – каналлар, дарёлар, инфильтрация бассейн
лари ва сув тортувчи қудуқларнинг ахборот моделида берилиши ва ҚДМ
билан боғланиши алгоритмлари келтирилади. Фильтрация соҳаси параметр
ларини қатъиймас кўринишда ифодалаш ва уларни ахборот моделида бери
лиши алгоритмлари ишлаб чиқилди. Бунда, геофильтрация параметрлари
учбурчак ёки трапеция кўринишидаги қатъиймас сонлар кўринишида ифода
ланади. ЕОСОИ параметрларини лингвистик кўринишда ифодалаш, қатъий
мас интерполяциялаш, вазиятли таҳлил асосида ечимлар қабул қилиш
алгоритмлари ва дастурлари яратилди, улар асосида ЕОСОИнинг янги техно
логик схемалари ишлаб чиқилади.
ЕОСОИнинг ахборот модели ва унинг ахборот-технологик модели
тушунчалари ўзаро фарқланади. Ахборот модели асосан фильтрация соҳаси
параметрларининг худудий тақсимотини рақамлаштиришга хизмат қилади,
ахборот-технологик модел эса ЕОСОИ чегаралари ва технологик ташкил
этувчиларини рақамлаштириш вазифасини бажаради (1-3-расмлар):
1-расм. Ер ости сув олиш
иншооти(ЕОСОИ)
2-расм. ЕОСОИнинг
ахборот технологик
модели
3-расм. ЕОСОИ нинг
белгили ифодаланиши
Диссертацияда фильтрация соҳаси ва фильтрация жараёни ахборот
моделларини шаклланиш, таҳлил қилиш ва ифодалаш бўйича ҳисоблари
натижалари келтирилди. Олинган натижалар ЕОСОИларни асослаш жара
ёнини интерфейси ва унинг ҚДМ орасидаги ўзаро боғланишни ўрнатишда
муҳим аҳамият касб этади. Фильтрация соҳаси (ФС) ва фильтрация жараёни-
20
ни (ФЖ) ахборот моделлаштириш ЕОСОИ ҳамда унинг ҚДМ орасидаги
ахборот боғланишини ўрнатишдан иборат бўлиб, бундан кўзда тутилган
асосий мақсад ҚДМ ва ечимлар қабул қилиш жараёнларини соддалаштириш
дир, чунки геофильтрация моделларини мураккаблаштириш фойдаланилади
ган маълумотларга нисбатан талаблар даражасининг ошишига олиб келади.
Шу сабабли турли характердаги соддалаштиришлар, жумладан гидрогеоло
гик объектларни ечиладиган масалаларнинг моҳиятига кўра тизимли тарзда
ифодалаш кабилар амалга оширилади. Бунга кўра, ЕОСОИ гидрогеологик
объектлар (ер ости сувли қатлам, гидрогеологик чегаралар, инфильтрация
каналлари, сув олиш қудуқлари ва х.к.)нинг майдон ва вақт бўйича аҳолини
хўжалик-ичимлик суви билан таъминлаш мақсадида йиғилган бутун тизими
сифатида қаралади.
ЕОСОИларини ҚДМ асосида ечимлар қабул қилиш жараёнларини
ахборот интеграллашувига асосланган компьютерлаштирилган тизими
таклиф қилинади. ЕОСОИлари мониторингини амалга оширувчи тизимнинг
ахборот базаси ЕОСОИлари параметрлари (ер ости сувлари сатҳлари,
минераллашуви ва ҳарорати) қийматларини узлуксиз ўлчашга асосланган.
Бундай ёндошувдан мақсад, биринчидан, ўлчашларда қўпол хатоларга йўл
қўймаслик ва инсон фактори таъсирини йўқотиш, иккинчидан, маълумотлар
долзарблиги муаммосини, яъни реал вақт режимида ўлчашларни симсиз
сенсор тўрлари (ССТ) асосида амалга ошириш ва ЕОСОИ мониторинги
тизимига узатишдан иборат.
ССТ - ҳудудий тақсимланган кичкинагина электрон қурилмалар( тармоқ
тугунлари)нинг тўплами бўлиб, улар ёрдамида ташқи муҳит параметрлари
ҳақида маълумотлар тўплаш ва базавий станцияга (тармоқ серверига) симсиз
алоқа воситасида узатиш амалга оширилади. ССТлар замонавий телеком
муникация технологияларининг истиқболли ривожланиш йўналишларидан
бўлиб, симли алоқа ўрнига радиоалоқа каналларидан фойдаланишга асослан
ган. ССТ ларнинг қуйидаги жиҳатларига алоҳида тўхталиб ўтиш жоиздир: ўз
ўзини тиклаш ва ташкиллаштириш; ретрансляция орқали кам қувватли радио
сигналлар узатувчилар ёрдамида ахборотни узоқ масофага узатиш имконияти;
алоқа тугунларининг арзонлиги ва ўлчамларининг кичиклиги; электр
таъминотини кам истемол қилиши ва автоном манбаалар асосида электр
таъминотини амалга ошириш имконияти; ўрнатишнинг осонлиги, кабеллар
ўтказиш имконияти юқорилигини талаб этилмаслиги; бундай тармоқларни
мавжуд ва амалда эксплуатация қилинаётган ЕОСОИларига қўшимча
харажатларсиз ўрнатиш; ССТ инфраструктурасини планшетли шахсий
компьютер ёрдамида бошқариш имконияти.
ЕОСОИлари мониторинги ва бошқарувини амалга оширишнинг ССТ
асосидаги,
IEEE
802.15.4a стандарти базасида жорий қилинадиган ва
ўтказувчанлик имконияти юзлаб Мбит/с ни ташкил қилувчи симсиз узатувчи
канал ташкил қилишга асосланган компьютерлаштирилган тизими ташкилий
тузилмаси ишлаб чиқилди. ЕОСОИлари мониторинги ва бошқаруви
компьютерлаштирилган тизимининг ишлаши қуйидагича амалга оширилади:
симсиз сенсор тармоғи датчикларидан олинган маълумотлар радиоканаллар
21
орқали тизим серверига узатилади, сервер ўз навбатида планшетли шахсий
компьютерда жойлаштирилган ҚДМ дастурий комплексини ишга туширади.
Бунда симсиз сенсорлар кузатиш қудуқларига, инфильтрация каналлари ва
бассейнлари қуйилиш жойларига ўрнатилади.
Диссертациянинг «
Ер ости сув олиш иншоотлари шаклланиш,
эксплуатация
ва
қайта
тикланиш
жараёнларининг
қатъиймас
детерминистик моделлаштириш технологияси
» деб номланган тўртинчи
бобида ер ости сувли қатлам бир ва икки қатламли бўлган ҳолларда
гидрогеологик объектларни ЛБЎС ва чекли айирмали усуллар асосида
қатъиймас-детерминистик моделлаштириш вазифасини бажарувчи FVARH
дастурий мажмуасини яратишга бағишланган. FVARH дастурий мажмуа C#
дастурлаш тилида яратилган, моделлаштириш ва ечимлар қабул қилиш
жараёнларини ягона ҳисоблаш тизими доирасида амалга ошириш имконини
беради. ЕОСОИнинг ишлашига боғлиқ конкрет вазифалар уларга мос ахборот
оқимларини ташкиллаштириш асосида амалга оширилади.
Қорақалпоғистон ҳудудидаги ЕОСОИлари ва уларнинг ҚДМлари
орасидаги ахборот оқимларининг ўзаро боғланишининг FVARH асосида
амалга оширилиши қуйидаги алгоритм асосида амалга оширилади:
1.Қорақалпоғистон ҳудудидаги ЕОСОИ танланади:
ID={Чимбой, Кегейли, Тўрткўл, в ҳ.к.}
2. ЕОСОИ типи аниқланади: ID = {дарё ёқасида, канал ёқасида (бир
қатламли), канал ёқасида (икки қатламли )}.
3. ЕОСОИ ишлаш режими: ID = {шаклланиш, эксплуатация, қайта
тиклаш}.
4.ЕОСОИ ҳолатини аниқлаш: ID={ер ости сув захираси бўйича, ер ости
сув сифати бўйича}.
4.1. Фильтрация соҳаси тўрли соҳа билан алмаштирилади.
4.2. Тўрли соҳа хар бир нуқтаси учун кетма-кет вақт ораликларида
топилган ер ости сувлари сатҳлари ва уларнинг минераллашуви орасидаги
фарқлар топилади:
(
−
1
)
∆
=
−
k
k
k
ij
h h h
;
(
−
1
)
∆
=
−
k k
C
ij
C C
k
ij
ij
ij
ij
i
=
,1
n
;
j
=
,1
m
;
k
,
k
−
1
– вақт моментлари.
~
S
ji
вазиятлар тўпламлари шакллантирилади, бу
4.3. Жорий
( )
k
ij
S
, типик
( )
1
,
ерда
l
1
=
n
⋅
m
– жорий вазиятлар умумий сони,
2 1 1
l
=
i
⋅
j
–типик вазиятлар
умумий сони,
2 1
l
<<
l
.
~
тўплами
4.4. Қатъиймас тенг бўлмаган эталон вазиятлар
( )
Э
S
ji
22
,
l
=
i
⋅
j
– эталон вазиятлар умумий сони.
шакллантирилади,
3 2 2
ЕОСОИнинг ишлашига боғлиқ конкрет вазифалар уларга мос ахборот
оқимларини ташкиллаштириш асосида амалга оширилади. Қорақалпоғистон
ҳудудидаги
ЕОСОИлари
ва
уларнинг
ҚДМлари
орасидаги
ахборот
оқимларининг ўзаро боғланишининг FVARH асосида амалга оширилиши
умумий ҳолда қуйида келтирилган(4-расм).
22
Қарақолпоғистон ЕОСОИ маълумотлар
ЕОСОИ ҚДМ
Натижалар кўриниши
FVARH
базаси
ЕОСОИ моделлаштирилиши
Жннубий орол бўйи
ЕОСОИ
Номлари
Қурилиш турлари
Ишлаш режими
Маълумотлар
Идентификация
Туғри масала
Ечим қабул қилиш
ЕОСОИ
номлари
•
Объеклар ID
•
Кегейли
•
Чимбай
•
Турткуль
•
Бируни
•
⁞
ЕОСОИ
номлари
•
Объектлар ID
Гидрогеология
Объектлар ИН
Қудуқ коор
.
Объект коор
.
Маълумотларни
киритиш модули
FVARHVV
Қатиймас
маълумотларни
киритиш модули
FVARHFK
Қудуқ коор
.
Гидрогеология
Қурилиш типи
•
Объектлар
ID
•
Бирқатламли
•
Иккиқатламли
Идентификация
•
Объект ID
•
Биржинисли эмас қатлам
сони
•
Қатиймас
булиштириш
алгоритми
•
Натижалар
•
Натижалар
тахлил
Ечимлар қабул қилиш
•
Объектов ID
•
Жараёнли
тахлил
•
Ечимни танлаш
•
Ечимни
тадбиқ қилиш
Моделлаштириш •
Объектов
ID
•
ҚДМ
•
ГИС
•
ГИС -асосида ҚДМ
•
Объектлар ID
•
Карта
гидроизогипс
•
Бошлангич
шарт
Маълумотлар
•
Объектлар ID
•
Сонли
•
Мутахасис
•
Вербаль
•
Объект
куриниши
Иш меъёри
•
Объект ID
•
Шакиллантири
•
ш
Эксплуатация
•
Тиклаш
ИТМФ ЕОСОИ
ИТМФ ЕОСОИ
ИТМФ ЕОСОИ
Туғри масала
•
Объектов ID
•
Моделлаштири
•
Моделлаштири ш натижалари
куриниши
•
Объектлар ID
•
ИК улчами
•
ИК чиқим
•
ИК коор.
Қудуқ коор.
•
Объектлар ID
•
Скважина
типи
•
Скв. чиқими
•
Скв. Коор.
Числовые
•
ID объектов
•
Отчет по
Узбекистану
•
Монография
•
Данные
режимных
наблюдений
Моделлаштири ш натижаси
•
Объектов ID
•
Жадвал
•
Графиклар
•
Карта
•
2D 3D
куринишлар
Ахборот- технологиик тахлил
модели
INF
O
Паралель ва кетма кет
ҳисоблашларни
ташкиллаштириш модули
VGV
Локализациялаш модули
VPR
Модуль
прогонки
VPN
Делокализациялаш модули
VRP
Маълумотлар
чиқиш модули FVARHVIV
Ахборот- технологиик тахлил
модели
VAR
4-расм. Қорақалпоғистон худудидаги ЕОСОИлари ва уларнинг ҚДМлари орасидаги
ахборот оқимларининг ўзаро боғланишининг FVARH асосида амалга оширилиш
алгоритми
Типик ва эталон вазиятлар тўпламларининг киритилиши қайта
ишланаётган маълумотлар ҳажмининг анчагина қисқаришига олиб келади.
Масалан, фильтрация соҳаси 50 метр қадам билан Х ўқи бўйича n=30 та нуқта
билан, Y ўқи бўйича m=50 та нуқта билан бўлинган бўлса, фильтрация соҳаси
30х50=1500 нуқтадан иборат тўр соҳа билан алмаштирилди.
k
∆
h
ij
,
∆
C
–
айирмалар қуйидагича қатъиймас кўринишда ифодаланади:
k
~
ij
~
∆
h
=
м с б
, ,,{ }
{ ,, }
∆
С
=
н с в
, бунда м – <кам>, в –
<юқори>,н-<паст>, с –
<ўрта>, б –
<баланд>.
~
( )
3
~
i
1
=
card
∆
h
=
;
( )
3
j
1
=
card
∆
h
=
; 9
l
2
=
i
1
⋅
j
1
=
3
⋅
3
=
.
Бундан кўринадики, 1500 та нуқтадан олинган маълумотлар асосида
таҳлил қилиш ўрнига,
9
l
2
=
та типик вазиятлар асосидаги вазиятлар тахлили
билан чекланиш мумкин. Қабул қилинган типик вазиятлардан фойдаланиб,
23
ЕОСОИ вазиятини қуйидагича Мамдани типидаги продукцион модел асосида
бошқариш мумкин:
R
1
: агар еос пасайиши
катта
ва еос шўрланиши даражаси
паст
бўлса у
холда ЕОСОИ вазияти
қониқарли
(0.8)
R
2
: агар еос пасайиши
кам
еос шўрланиши даражаси кам бўлса у холда
ЕОСОИ вазияти юқори (0.72)
R
3
: агар еос пасайиши
кам
ва еос шўрланиши даражаси
ўртача
бўлса у
холда ЕОСОИ вазияти
қониқарли
(0.82)
R
4
: агар еос пасайиши
ўртача
ва еос шўрланиши даражаси
ўртача
бўлса
ухолда ЕОСОИ вазияти
қониқарли
(0.63)
R
5
: агар еос пасайиши катта ва еос шўрланиши даражаси
кам
бўлса у
холда ЕОСОИ вазияти
қониқарсиз
(0.58)
R
6
: агар еос пасайиши
кам
и еос шўрланиши даражаси
ўртача
бўлса у
холда ЕОСОИ вазияти
яхши
(0.85)
бунда еос - (ер ости сувлари) каби белгиланган.
Қатъиймас продукцион модел (R
1
-R
6
)нинг амалга оширилиши: 1.
i
–қоиданинг ростлик даражаси қуйидаги формула ёрдамида ҳисобланади:
n
= Λ
(
( ) ( )
)
'
α
min max
,
i
A x A x
=
j j ij j j
1
x
i
x
– лингвистик ўзгарувчи
j
бу ерда
j
x
,
j
=
,1
n
.
2. Ҳар бир қоида учун унинг индивидуал натижаси ҳисобланади:
B
(
y
) (
B
(
y
))
i i i
min ,
'
=
α
;
3. Умумий натижа қуйидаги формула асосида топилади:
( )
max
(
( )
,
( )
,...,
( )
,
)
'
B y B y B y B y
=
m
.
'
1
' ' 2
Қатъиймас мантиқий моделлаштириш натижасига кўра ечим қабул
қилинади. Агар ЕОСОИнинг ҳолатининг қониқарли эмас ёки қониқарлилиги
ҳақидаги баҳоси аниқлаштирилган бўлса, у ҳолда огоҳлантирувчи, ажратувчи
ёки қайта тикловчи ечимлардан бирортаси қабул қилинади.
Гидрогеологик объектларга техноген факторлар таъсири ниҳоятда кучайган
ҳозирги даврда ишлатилаётган ресурсларга талаблар ортиб бормоқ да,
жумладан, фойдаланилаётган маълумотларга талаблар (долзарблик,
оперативлик), моделлаштириш усулларига (мослик, аниқлик, тежамлилик),
дастурий воситаларга (самарадорлик, тежамлилик), маълумотлар ва натижа
ларни тақдим қилиш (аниқлик, ошкорлик, тўлалик) ва х.к. Шу сабабли
ЕОСОИларини асослашда ҳисоблаш жараёнларини самарали ташкил қилиш
нуқтаи назаридан моделлаштириш жараёнларини параллеллаштириш масала
лари кўрилади. Бунда моделлаштирилаётган жараённи физик, ечиладиган
масалалар, маълумотларни ташкиллаштириш, натижаларни визуаллаштириш
ва ҳисоблаш жараёнларини оптималлаштириш нуқтаи назаридан бир қатор
бир вақтда бажариладиган сегментларга ажратиш масалалари қаралди.
ЕОСОИ лойиҳаларини асослаш жараёнини ҚДМ асосида амалга ошириш
мисолида ҳисоблашларни параллеллаштириш муаммолари кўрилди.
24
Параллел ҳисоблашлар С# тилининг Threading библиотекаси асосида амалга
оширилади. Бунда оқимлар параметр сифатида ThreadStart типидаги
делегатдан фойдаланувчи Thread синфи конструктори орқали амалга
оширилади.
Ер
ости
сувларини
эксплуатацияси режимини асослаш
масаласини кетма-кет ҳисоблаш режимида ечиш учун 83 млс вақт сарфланди,
параллел ҳисоблаш режимида эса ечим 2 млс да олинди.
Диссертациянинг
«
Қорақалпоғистоннинг
Кегейли
ЕОСОИнинг
шаклланиш ва эксплуатация жараёнларини қатъиймас-детерминистик
моделлаштиришга геоахборот технологияларининг интеграллашуви
»
деб номланган бешинчи бобида Кегейли ЕОСОИ ҳудудида рўй бераётган
геофильтрация жараёнларининг бошланғич ва чегаравий шартларини,
фильтрация параметрлари, инфильтрация параметрлари ва сув олувчи
қудуқлар
жойлашиши
ўринларини
аниқлаштиришда
геоахборот
технологияларидан (ГАТ) фойдаланиш истиқболли ва кам ўрганилган масала
бўлиб ҳисобланади. Шу сабабли мазкур бобда Кегейли ЕОСОИнинг ҚДМга
йўналтирилган геоахборот моделини яратиш масалалари қаралади.
Ҳудуднинг гидрогеологик шароитлари.
Геологик нуқтаи-назардан олганда
қаралаётган ҳудуд неоген даври қумлида жойлашган тўртламчи давр
аллювиал ётқизиқлардан иборат. Сувли қатламлар тўртламчи давр қум
аралашган ётқизиқлардан иборат. Лойли 12-17 метр чуқурликда, текис
тақсимланмаган лойли қатламлар жойлашган. Кегейли ЕОСОИси чучук сув
заҳираларини сунъий шаклланиш тизими технологик схемаси ўз ичига сунъий
шаклланиш (СШ) ва сунъий тўлдириш (СТ) вазифаларини бажарувчи
ирригацион ва оқар сувли каналлардан иборат. Бу каналлар сув олувчи
қудуқлар қаторига параллел жойлашган бўлиб, чучук сувлар заҳирасини
тўлдириш имконини беради.
Кегейли ЕОСОИсини геоахборот асосда ҚДМ учун дастлабки босқичда
фильтрация сохасининг тўрли модели қурилади, сўнгра мазкур соҳага
Кегейли ЕОСОИси топологик элементларининг жойлашуви ва белгилари
ҳақидаги маълумотлардан иборат ахборот-технологик модели шакллантирил
ган.
Кегейли
ЕОСОИси
чучук
сув
захираларини
тўлдирилиши ва
эксплуатацияси
жараёнларини
геоахборот
моделлаштириш
ЕОСОИ
мониторинги тизимини яратиш ва ҳолатларини баҳолаш, ҳамда Кегейли
ЕОСОИси ҳаёт даври босқичларини назорат қилиш ва кузатиш бўйича катта
имкониятлар яратади. Ушбу жараёнларда қуйидаги мазмундаги тематик
хариталар тузилади: геофильтрацион параметрларни фазовий тақсимланиши;
ер ости сувли қатлам баланслари фазовий тақсимланиши; геофильтрация
масалалари бошланғич шартлар фазовий тақсимланиши; ер ости сувлари
оқимларининг чегаравий шартлари. Шу тахлит олинган маълумотлар тематик
қатламлар ва хариталар кўринишида FVARH дастурий комплекс асосидаги
компьютерлаштирилган тизимга интеграция қилинади ва геофильтрацион
параметрлар, бошланғич ва чегаравий шартларни аниқлаш учун ҳисоблаш
экспериментлари ўтказилади.
Кегейли ЕОСОИнинг ГАТ модели топологик элементлари сифатида
нуқтавий (сув олувчи қудуқлар, назорат қудуқлари), чизиқли (инфильтрация
25
каналлари, гидроизогипслар, филтрация соҳаси чегаралари ва х.к.), майдон
кўринишидаги (фильтрация хусусиятлари бўйича ажратилган зоналар, аҳоли
яшаш ҳудудлари ва х.к)лар олинди. ҚДМи асосида ўтказилган ҳисоблаш
экспериментлари геофильтрация параметрлари, соҳа чегаралари, ўтиш
зоналарини ҳисобга олган ҳолда параметрларнинг худудий тақсимотини
тўлароқ инобатга олиш имконини беради(5,6-расм).
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
2 4 6 8 10 12 14 16 18
5-расм. Бошланғич шартлар 6-расм. Эксплуатация режими учун ҳисоблаш
экспериментлари натижалари
Олинган натижалар геофильтрация жараёнларини қатъиймас
детерминистик моделлаштиришда ГАТларга асосланган маълумотларнинг
ҳудудий модели асосида ЕОСОИ ларининг тузилиши, динамикаси ва
топологик элементлари орасидаги ахборот муносабатларидан фойдаланиш
истиқболли эканини кўрсатади.
Геоахборот технологияларининг ЕОСОИларининг ҚДМини яратишдаги
самарали
жиҳатларидан
бўлиб,
ер
ости
сувларининг
сатҳлари
ва
концентрациялари ҳамда чегаравий шартларидан ГАТ моделининг алоҳида
мавзули қатламлари сифатида фойдаланиш имконияти бўлиб ҳисобланади.
Шу тахлит ҳосил қилинган мавзули қатламлардан қаралаётган худуд
гидрогеологик
шароитларининг
ўзгариши,
фильтрация
соҳасининг
биржинслимаслиги шароитида геофильтрация параметрларини аниқлаш
тириш бўйича ҳисоблаш экспериментлари ўтказишда фойдаланиш имконияти
яратилади.
26
7-расм. Қатъиймас-детерминистик моделлаштириш усулининг турли хил
маълумотлар шароитида самарадорлиги.
СҚДМ-сонли куринишдаги аниқ(детерминистик) маълумотлар; СМ-стохастик
маълумотлар; СКҚМ-сифат куринишдаги қатъиймас маълумотлар; ЛКҚМ-лингвистик
куринишдаги қатъймас маълумотлар; ДМ-детерминистик моделлаштириш; ҚСМ
қатъиймас стохастик моделлаштириш; НҚМ-нейро қатъиймас моделлаштириш; ҚДМ
қатъиймас детерминистик моделлаштириш.
Реал объектларни (Кегейли, Тўрткўл ЕОСОИ) тадқиқ қилиш жараёнида
ўтказилган ҳисоблаш экспериментлари ва тажрибаларнинг натижалари
ЕОСОИни
моделлаштиришда
ҚДМ
усулининг самарадорлиги юқори
эканлигини асослайди (7-расм).
ХУЛОСА
«
Ер ости сув олиш иншоотларини шаклланиш ва эксплуатацияси
жараёнларини
қатъиймас-детерминистик
моделлаштириш
тизими
»
мавзусидаги докторлик диссертацияси бўйича олиб борилган тадқиқотлар
натижалари қуйидагилардан иборат:
1. Табиий-техноген табиатли ер ости сув олиш гидрогеологик объект
ларини қатьиймас маълумотлар салмоғи нисбатан юқори бўлган шароитлар да
қатъиймас-детерминистик моделлаштириш алгоритмлари ва дастурий
мажмуаси ер ости сув заҳиралари ўзгариш динамикасини етарлича ишончли
лик билан башоратлаш ва баҳолаш имконини беради.
2. Бир ва икки қатламли ер ости сувли қатламларида ЕОСОИлар яратиш
ер ости сув заҳиралари хосил қилиш технологияси ер ости сувлари баланси
нинг шаклланиш қонуниятлари оператив тадқиқ қилиш ва бошқаришга
имконият яратади.
3. ЕОСОИлари шаклланиш, эксплуатацияси ва тикланиши жараёнлар ини
формаллаштиришнинг, фильтрация соҳасининг горизонтал ва вертикал
кесимда бир жинслимаслиги, бошланғич ва чегаравий шартларнинг қатъий
маслиги, ер усти сув манбалари ва ер ости сув олиш қудуқлари ишлаш
27
режимининг ноаниқлиги каби шароитларда қатъиймас-детерминистик модели
ишлаб чиқилади.
4. Бир ва икки қатламли ер ости гидросфераси шароитида, Мятиев
Гиринский гипотезаси асосида ер ости сувли муҳитидаги шўр сувлар
оқимининг
вертикал
кесимда
икки
ўлчамлилиги
ва
ушбу
оқимни
шакллантирувчи геофильтрация жараёнининг квази икки ўлчовлилиги
шартидан келиб чиққан ҳолда икки қатламли геофильтрация муҳитларининг
ўзаро боғлиқлиги шароитида икки қатламли муҳит геофильтрация ва
гидрохимик режимларининг ўзаро боғлиқлиги қатъиймас-детерминистик
модели икки қатламли муҳитда ЕОСОИлари ер ости сувлари сифатини қайта
тиклаш масаласини ечиш имконини беради.
5. ЕОСОИлари технологик схемаларини самарали жорий қилишнинг
қатъиймас–детерминистик моделларининг алгоритмлари ҳамда дастурий
мажмуаси сув олувчи ва инфильтрация қурилмалари конструкциялари,
типлари ва параметрларини адекват тарзда ҳисобга олади.
6. ЕОСОИларни ҚДМ яратиш жараёнини параллеллаштириш ҳисоблаш
жараёнларини сегментлаштириш, ечиладиган масалалар ва маълумотларни
шаклланиш, визуаллаштириш каби йўналишларда амалга оширилади, ҳамда
ер ости қудуқларидан сув олиш режимини асослаш масаласи параллелаш
тирилиши ва турли чегаравий шартлар асосида тўрт вариантда кетма-кет
режимда ечилганда 83 млс, параллел режимда эса 2 млс вақт сарфланишини
таъминлайди.
7. ЕОСОИлари ва уларнинг ҚДМлари орасидаги ўзаро ахборот
боғланишини амалга оширувчи ахборот моделини яратишнинг алгоритмлари
ва дастурий воситалари моделлаштириш жараёнини амалга оширишда муҳит
параметрлари, чегаравий шартлари қийматларининг турли вариантларида
ҳисоблаш экспериментларини ўтказиш ва бошқариш вазифасини бажаради.
8. ЕОСОИларини ҚДМ ва ечимлар қабул қилиш жараёнларини ахборот
интеграллашувига асосланган компьютерлаштирилган тизимнинг ахборот
базаси ЕОСОИлари параметрлари (ер ости сувлари сатҳлари, минераллашуви
ва
ҳарорати) қийматларини узлуксиз ўлчашдан мақсад, биринчидан
ўлчашларда қўпол хатоларга йўл қўймаслик ва инсон фактори таъсирини
йўқотиш ва иккинчидан, маълумотлар долзарблиги муаммосини, яъни реал
вақт режимида ўлчашларни симсиз сенсор тўрлари асосида амалга
оширилади ва уларни ЕОСОИ мониторинги компьютерлаштирилган тизимига
узатиш таъминланади.
9. ЕОСОИларини ҚДМда геоахборот технологияларидан фойдаланиш
жиҳатлари
тадқиқ
қилинишида
ер
ости
сувларининг
сатҳлари
ва
концентрациялари
хамда
чегаравий
шартларидан
геоахборот
тизими
моделининг алоҳида мавзули қатламлари сифатида фойдаланиш имконияти
ҳудуд гидрогеологик шароитларининг ўзгариши, фильтрация соҳасининг
биржинслимаслиги шароитида геофильтрация параметрларини аниқлаш
тириш бўйича хисоблаш экспериментлари ўтказишда фойдаланилади.
28
НАУЧНЫЙ СОВЕТ 16.07.2013.Т/FM.29.01 при ТАШКЕНТСКОМ
УНИВЕРСИТЕТЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ и
НАЦИОНАЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ УЗБЕКИСТАНА ПО
ПРИСУЖДЕНИЮ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА НАУК
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
СЕИТНАЗАРОВ КУАНЫШБАЙ КЕНЕСБАЕВИЧ
СИСТЕМА НЕЧЕТКО-ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ И
ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
05.01.04 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин,
комплексов и компьютерных сетей
(технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ ДОКТОРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ Ташкент – 2016
29
Тема докторской диссертации зарегистрирована за № 30.09.2014/B2014.3-4.T167 в
Высшей аттестационной комиссии при Кабинете Министров Республики Узбекистан.
Докторская диссертация выполнена в Ташкентском университете информационных
технологий.
Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский) размещен
на веб-странице по адресу www.tuit.uz и Информационно-образовательном портале
“ZIYONET” по адресу www.ziyonet.uz
Научный
консультант:
Официальные оппоненты:
Ведущая
организация:
Усманов Ришат Ниязбекович
доктор технических наук
Хабибуллаев Иброхим Хабибуллаевич
доктор технических наук, профессор
Жмудь Вадим Аркадьевич
(Российская
Федерация) доктор технических наук
Равшанов Нормахмад
доктор технических наук
Научно-исследовательский институт
ирригации и водных проблем при
Ташкентский инстетут ирригация и
мелиорация
Защита диссертации состоится «25» июнь 2016 г. в 10
00
часов на заседании научного совета
16.07.2013.Т/FM.29.01
при
Ташкентском
университете
информационных
технологий
и
Национальном университете Узбекистана. (Адрес: 100202, Ташкент, ул. Амира Темура, 108. Тел.:
(99871) 238-64-43; факс: (99871) 238-65-52; e-mail: tuit@tuit.uz).
С докторской диссертацией можно ознакомиться в Информационно-ресурсном центре
Ташкентского университета информационных технологий (регистрационный номер 2514). Адрес:
100202, Ташкент, ул. Амира Темура, 108. Тел.: (99871) 238-64-43.
Автореферат диссертации разослан «19 » мая 2016 года.
(протокол рассылки № 10 от « 19 » мая 2016 г.).
Х.К. Арипов
Председатель научного совета по присуждению
учёной степени доктора наук
д.ф.-м.н., профессор
М.С. Якубов
Ученый секретарь научного совета по
присуждению учёной степени доктора наук
д.т.н., профессор
Х.Н.Зайнидинов
Председатель научного семинара
при Научном совете по присуждению учёной
степени доктора наук д.т.н.
30
ВВЕДЕНИЕ (Аннотация докторской диссертации)
Актуальность
и
востребованность
темы
диссертации:
На
сегодняшний
день
в
странах
мира
различными
являются уровень
обеспеченности водными ресурсами, в среднем на каждого человека
приходится 24 646 м3 (24,65 млн.литров) воды в год.
1
С увеличением роста
населения мира быстрыми темпами растет спрос на питьевую воду. Согласно
статистическим данным для населения земного шара объем годовой
потребности потребления питьевой воды составляет 64 млн.м
3
. По
результатам исследований к 2025-2030 годам 47% населения стран планеты
ощущает нехватку воды.
2
Обеспечение питьевой водой населения мировых
государств и совершенствование методов анализа состояния гидросферы
подземных вод, повышение эффективности проведения гидрогеологических
опытов
для
эксплуатации
экологически
чистых
вод,
определению
информационных
неопределенностей,
связанные
с
доминированием
информации
относящихся
к
гидрогеологическим
объектам уделяется
отдельное внимание.
В Республике Узбекистан проведены широкомасштабные мероприятия
по эффективной организации мер по формированию и эксплуатации
водозаборных подземных вод. В этой сфере, в том числе, совершенствование
и развитие разработки механизмов рационального использования водных
ресурсов с учетом особенностей каждого региона, анализ нужд и
потребностей населения в питевой и хозяйственной воде, создание
технологии и методов распреснения аномалий высокоминерализованных
подземных вод, определение состава и объема резервов одно- и двухслойных
подземных вод.
В мире особое внимание уделяется разработке методов и алгоритмов
нечетко-детерминированного моделирования процессов формирования и
эксплуатации водозаборных подземных вод (ВПВ) на основе сезонно
региональных особенностей и нового поколения компьютеризированной
системы. В этой области осуществление целенаправленных научных
исследований является приоритетными задачами, в том числе, научные
исследовании в следующих направлениях: создание комплекса программных
средств и математических аппаратов, предназначенных для решения задачи
распреснения аномалий высокоминерализованных подземных вод в сильно
засоленных условиях одно- и двухслойного строения водоносных пластов;
разработка
нечетко-детерминированных
математических
моделей
динамического наблюдения водных ресурсов в процессе формирования,
эксплуатации и восстановления ВПВ в одно- и двухслойных водоносных
пластах; разработка алгоритмов и методов нечетко-детерминированного
моделирования
сезонно-территориальных
процессов
формирования,
эксплуатации и восстановления ВПВ; определение закономерностей
1
http://www.priroda.su/item/1319
2
http://www.coutrumeters.com
31
исследования гидрогеологических, технологических и экологических основ
функционально-структурного формирования одно- или двухслойных ВПВ;
разработка структуры компьютеризированной системы мониторинга ВПВ,
основанной на информационной интеграции процессов принятия решений и
нечетко-детерминированного моделирования ВПВ на базе беспроводных
сенсорных сетей;
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит
выполнению задач, предусмотренных в законе Республики Узбекистан «О
воде и водоиспользовании» (ЗРУ-837-XII от 6 мая 1993 года), в Постанов
лении Президента Республики Узбекистан № ПП-1989 от 27 июня 2013 года
«О мерах по дальнейшему развитию Национальной информационно
коммуникационной системы Республики Узбекистан», и Постановлении
Президента Республики Узбекистан №ПП-2264 от 17 ноября 2014 года «Об
Инвестиционной программе Республики Узбекистан за 2015 год», а также в
Постановлении Кабинета министров Республики Узбекистан №82 «Порядок
водопользования и водопотребления в Республике Узбекистан» от 19-марта
2013 года.
Соответствие исследования с приоритетными направлениями
развития науки и технологий республики.
Данное исследование
выполнено в соответствии приоритетного направления развития науки и
технологий республики IV. «Развитие информатизации и информационно
коммуникационных технологий».
Обзор зарубежных научных исследований по теме диссертации.
Научные исследования, направленные разработке методов интеллектуа
лизации нечетко-детерминированного моделирования и комплексного иссле
дования гидрогеологических, технологических и экономических основ
формирования, эксплуатации и восстановления водозаборов подземных вод в
условиях информационной неопределенности осуществляются в ведущих
научных центрах и высших образовательных учреждениях мира, в том числе,
Trimble, INPHO, RapidEye (Германия), Airbus Defence and Space, Geo
Intelligence, Spotlmage (Франция), Aquila Space, Dauria Aerospace, Esri Inc,
Exelis VIS, Modflow, Калифорнийский университет Беркли (АҚШ), Geomatics
Canada, Sehlumberger Water Services (Канада), DEIMOS Imaging, Remote
Sensing Laboratory of the University of Valladolid (Испания), Варшавский
технологический университет (Польша), Waterloo Hydro geologic, Excel
Geomatics (Индия), GISTDA (Таиланд), Датский технологический
университет (Дания), Esri CIS, OOO «Дата», Московский Государственный
университет, Московский университет связи и информатизации, Казанский
университет (Россия), Научно-исследовательский институт ирригации и
водных проблем при Ташкентский институте ирригация и мелиорация
(Узбекистан).
В результате исследований, проведенных в мире по совершенствованию
структуры системы мониторинга и по разработке методов создания моделей
оценки и прогнозирования процессов формирования, эксплуатации и
восстановления ВПВ на основе гидрогеологических, технологических основ,
32
получены
ряд
научных
результатов,
в
том
числе:
разработаны
фотограмметрические решения высокого уровня на основе применения
навигационной системы GPS и создания геодезических устройств и
программных продуктов (Trimble, Digital Globe, США); разработаны
технологии обработки изображений с применением оператора оптического
искусственного спутника высокого разрешения Sport & Pleiades (Airbus
Defense and Space, Франция); усовершенствован механизм проведения
космического мониторинга в области сельского хозяйства (Aguila Space,
США); разработано программное обеспечение для обработки космических
снимков и геоинформационных продуктов (ESRI, США); разработаны
геоинформационные технологии в гидрогеологической сфере (Eeri GIS,
Россия); разработаны методы моделирования движения подземных вод,
системы управления с использованием подземных водных ресурсов, оценки
качества подземных вод, разработаны программные средства построения
гидрогеологических карт (Waterloo Hydrogeologic, Россия).
В мире по разработке нечетко-детерминированной модели (НДМ)
процессов формирования, эксплуатации и восстановления водозаборов
подземных вод по ряду приоритетных направлений проводятся исследования,
в том числе: формирования водозаборов подземных вод для
одно и
двухслойных водоносных пластов, разработки нечетко
детерминированных моделей и алгоритмов прогнозирования и оценки запасов
гидрогеологических
процессов;
разработки
структуры
компьютеризированной системы мониторинга на основе беспроводных
сенсорных сетей; разработки комплекса программ для решения задач
распреснения аномалий высокоминерализованных подземных вод для
условий однослойного и двухслойного строения водоносных пластов и
разработки механизмов интеграции геоинформационных технологий.
Степень
изученности
проблемы.
Вопросам
исследования
теоретических и практических сторон системы нечетко-детерминированного
моделирования процессов формирования и эксплуатации водозаборов
подземных вод, определения гидрогеологических параметров в условиях
одно- и двухослойного строения подземной гидросферы на нечетко
детерминированной основе, разработки алгоритмов оценки и прогнозиро
ванию сотояний подземной гидроферы, интеграции беспроводных сенсорных
сетей для информационного обеспечения и мониторинга водозаборов
подземных вод посвящены работы ряда ученых: T.L.Eldho (Indian Institute of
Technology), Ekkehard Holzbecher (Humboldt Universit), Shaul Sorec (Ben
Gurion University), C.P.Kumar (National Institute of Hydrolog), Vijai Singhal
(Rajasthan State Pollution Control Board), Robit Goyal (Malviya National Institute
of Technology, C.William (Florida State University), Jan Seibert (Swedish
University of Agricultural Sciences), Allan Rodhe (Uppsala University), J.Jeffrey
(Oregon State University), David Zilberman (University of California) и др.
Со стороны ряда ученых велись исследования посвященные вопросам
гидрогеологического обоснования условий формирования, эксплуатации и
восстановления ВПВ в условиях одно- и двухслойного строения подземной
33
гидросферы и в опрелеленной степени получены положительные результаты,
в частности, C.P.Kumar, C.William, Jan Seibert, J.Jeffrey, В.М.Шестаковым,
Ф.Б.Абуталиевым,
У.У.Умаровым,
С.Ш.Мирзаевым,
Н.И.Плотниковым,
В.С.Усенко, И.К.Гавичом, А.А. Акрамовым, П.П. Нагевичем и др., дает
основания полагать, что в настоящее время в условиях полноты информации
разработаны
детерминированные
модели
процессов
формирования и
эксплуатации запасов подземных вод. А также проведены мониторинг
водоносных пластов и изучены режимы наблюдения подземных вод
T.L.Eldho, Shaul Sorec, В.М.Шестаковым, В.С.Усенко, И.И.Крашиным,
А.А.Акрамовым, П.П.Нагевичем, В.Н. Пономаревым, И.Х.Хабибуллаевым,
гидрогеологические и экологические принципы загрязнения ресурсов
подземных вод David Zilberman, Е.Л.Минкиным, Л.С.Язвиным, Allan Rodhe,
В.Г.Самойленко,
С.Ш.Мирзаевым,
А.А.Акрамовым,
Г.Л.Григоровой,
В.Н.Пономаревым, В.В.Сергеевым и другими учеными.
Исследованию вопросов нечетко-детерминированного моделирования
природных процессов в условиях доминирования информации нечеткого
характера, в том числе вопросам формирования и эксплуатации водозаборов
подземных вод посвящены работы A.Farajzadeh, G.D.Smith, O.Kaleva,
N.E.Mohamed,
Т.Саати,
Е.Мамдани,
Д.А.Поспелова,
А.Н.Аверкина,
А.П.Ротштейна
(методология
формализации
слабо
формализуемых
процессов); P.Catarina, M.Y.Abdelgalil, В.М.Шестакова, В.А.Мироненко,
И.И.Крашина, Е.А.Полшкова (исследованию влияния техногенных факторов
на подземную гидросферу); K.M.Kheiralla, M.M.Mergani, А.Б.Ситникова,
Н.Н.Веригина, В.Г.Самойленко (моделирование процессов миграции солей в
подземной гидросфере) и в других исследованиях рассмотрены проблемы
необходимости непосредственного учета в детерминированных моделях
информации, параметров и характеристик касающихся гидрогеологических
объектов, переходных зон между разнородными зонами, нечеткий характер
начальных и граничных условий, ограниченность детерминированных
моделей для моделирования геофильтрационных процессов в условиях одно и
двухслойного строения подземной гидросферы в условиях доминирования
информации нечеткого характера. Не смотря на это, вопросам разработки
перспективных методов нечетко-детерминированного моделирования на
основе непосредственного, а не косвенного использования информациии
нечеткого
характера,
представляющих
собой
опыт,
знания,
мнения
специалистов-экспертов, принятие решений по водозаборам подземных вод
на многокритериальной и многофакторной основе, разработки моделей
миграции солей в подземной гидросфере и алгоритмов для их реализации,
идентификации нечетких параметров и характеристик подземной гидро
сферы, генерации тематических слоев в процессе решения прикладных задач,
разработки компьютеризированной системы интерпретации результатов
исследований на территориальной основе являются слабоисследованными.
Связь темы диссертации с научно-исследовательскими работами
высшего образовательного учреждения, где выполнена диссертация.
Диссертационное исследование выполнено в рамках научно-
34
исследовательских работ прикладных проектов Ташкентского университета
информационных технологий по теме А5-020 – «Разработка аппаратно
программных
средств
обработки
разнородной
гидрогеологической
информации на базе нечетко множественного подхода» (2012-2014гг.); А5-
022 – «Интеграция ГИС технологий для комплексной оценки электромагнит
ной безопасности телекоммуникационных систем» (2015-2017гг.).
Целью
исследования
является разработка методов, алгоритмов и
компьютеризированной системы нечетко-детерминированного моделиро вания
процессов формирования и эксплуатации с учетом сезонно-террито риальных
особенностей одно- или двухслойных водозаборов подземных вод.
Задачи
исследования:
определение закономерностей исследования гидрогеологических,
технологических и экологических основ функционально-структурного фор
мирования одно- или двухслойных ВПВ;
разработка
нечетко-детерминированных
математических
моделей
динамического наблюдения водных ресурсов в процессе формирования,
эксплуатации и восстановления ВПВ в одно- и двухслойных водоносных
пластах;
разработка алгоритмов и методов нечетко-детерминированного модели
рования сезонно-территориальных процессов формирования, эксплуатации и
восстановления ВПВ;
разработка информационно-имитационных моделей, осуществляющих
интерактивные взаимосвязи между ВПВ и их нечетко-детерминированных
моделей;
разработка структуры компьютеризированной системы мониторинга
ВПВ, основанной на информационной интеграции процессов принятия
решений и нечетко-детерминированных моделей на базе беспроводных
сенсорных сетей;
создание комплекса программных средств и математических аппаратов,
предназначенных для решения задачи распреснения аномалий высокомине
рализованных подземных вод в сильно засоленных условиях одно- и
двухслойного строения водоносных пластов;
выбор алгоритмов и принципов распараллеливания процессов создания
нечетко-детерминированных моделей геофильтрационных процессов;
практическое применение в конкретных территориальных ВПВ
компьютеризированной системы динамического исследования одно- и
двухслойного процессов формирования, эксплуатации и восстановления ВПВ
в повышенных условиях доли нечеткости информации.
Объектом
исследования
является сезонно-территориальное формирование,
эксплуатация и восстановление водозаборов подземных вод.
Предмет
исследования
составляют алгоритмы, программные средства, механизмы
разработки нечетко детерминированных моделей процессов
гидрогеологических изменений одно- и двухслойных водоносных пластов
водозаборов подземных вод и адаптивные компьютеризированные технологии
проведения вычислительных экспериментов.
35
Методы исследований.
В диссертации использованы методы моделирования,
теории нечетких множеств, геофильтрации и физико химической
гидродинамики, численные методы решения краевых задач математической
физики и методы разработки программного обеспечения.
Научная новизна исследования
заключаются в следующем:
разработаны алгоритмы и комплекс программных средств нечетко
детерминированного моделирования процессов территориально-объемного
формирования, эксплуатации и сезонного восстановления, фильтрации ВПВ;
разработаны информационно-технологические и идентификационно
информационные модели, обеспечивающие в интерактивной форме
взаимосвязи между водозаборами подземных вод и их нечетко
детерминированными моделями;
разработана структура компьютеризированной системы на основе
нечетко-детерминированных
моделей
водозаборов
подземных
вод
и
беспроводных сенсорных сетей информационной интеграции процессов
принятия решений;
разработаны программные средства, алгоритмы и нечетко
детерминированные модели процессов распреснения аномалий
высокоминерализованных подземных вод в сильно засоленных условиях
одно- и двухслойного строения водоносных пластов;
разработаны
алгоритмы,
программные
средства
и
принципы
распараллеливания процессов создания нечетко-детерминированных моделей
геофильтрационных процессов.
Практические результаты исследования
заключаются в следующем:
разработаны принципы определения параметров источников поверхностных и
подземных водоносных пластов, нечетко детерминированного моделирования
гидрогеологических и сезонных процессов динамического формирования
одно- и двухслойных ВПВ водных ресурсов;
разработана
концепция
нечетко-детерминированого
моделирования
процессов формирования, эксплуатации и восстановления ВПВ, основанная
на комплексном исследовании гидрогеологических, технологических и
экологических основ создания водозаборов подземных вод на основе
геоинформационных технологий;
разработаны нечетко-детерминированные модели оценки и прогнозиро
вания соотношений неравномерного объемно-территориального распределе
ния водных ресурсов в процессе динамического сезонного формирования,
временной эксплуатации и восстановлении ВПВ в одно- и двухслойных сло ях
подземных водоносных пластов и определены степени гидрогеологи ческих и
качественных изменений на основе анализа взаимосвязанных соотношений;
разработана структура компьютеризированной системы проведения
мониторинга состояний ВПВ, основанная на информационной интеграции
процессов нечетко-детерминированных моделей и принятия решений на базе
беспроводных сенсорных сетей;
36
разработаны
программные
средства
нечетко-детерминированных
моделей
решения
многокритериальных
и
многофакторных
задач
распреснения аномалий высокоминерализованных подземных вод в одно- и
двухслойных засоленных водоносных пластах;
разработаны принципы, алгоритмы и механизмы распараллеливания
вычислений создания нейро-нечеткой и нечетко-детерминированной модели
геофильтрационных
процессов
и
осуществлен соответственно выбор
наиболее приоритетных направлений;
разработан
программный
комплекс
нечетко-детерминированного
моделирования основанного на использовании геоинформационных систем
процессов сольной миграции в подземной гидросфере и геофильтрации, а
также концепции разработки меры защиты подземных вод и с практической
точки зрении принятии рациональных решений со стороны специалистов,
занимающихся проблемой обеспечения населения водой в условиях нечеткой
информации о ВПВ;
нечетко-детерминированные модели, характеризующие динамические
процессы формирования, эксплуатации и восстановления ВПВ на одно- и
двухслойных
пластах
на
основе
геоинформационных
систем
и
компьютеризированные системы практически реализованы в организации
рационального использования резервов подземных вод Кегейли и Турткуля.
Достоверность результатов исследования.
Достоверность результатов
исследования поясняется
э
ффективным внедрением компьютеризированной
структуры системы, методов и вычислительных алгоритмов нечетко
детерминированного моделирования процессов формирования, эксплуатации
и восстановления ВПВ в условиях одно- и двухслойного строения
водоносных пластов, основанных на геологических и гидрогеологических
технологиях, классификация и выбор информативных геофильтрационных
параметров, принятие гидрогеологических решений агрегированием нечетких
данных,
адекватность
нейро-нечетких
моделей
прогнозирования
и
оценивания, тестирование, результаты моделирования и анализ результатов
вычислительных
экспериментов
обоснованы
путем
тестирования
и
сопоставления результатов моделирования с совокупностью реальных данных
объектов.
Научная и практическая значимость результатов исследования.
Научная значимость полученных результатов исследований характеризуется
научной сущностью результатов исследований по развитию теории
геофильтрационного моделирования согласно нечетко детерминированной
модели гидрогеологических информационных систем, методов построения
моделей процессов территориально-объемного формирования, сроков
эксплуатации, сезонно-временного восстановления резервов подземных вод,
разработки программных комплексов и алгоритмов моделирования процессов
миграции солей в подземной гидросфере, планированием вычислительных
экспериментов и созданием условий практического применения.
37
Практическая значимость обосновывается тем, что программные
комплексы
нечетко-детерминированного
моделирования
и
нечетко
детерминированные модели процессов формирования, эксплуатации и
восстановления
ВПВ
позволяют
определить
оптимальные
схемы
территориального размещения наблюдаемых эксплуатационных скважин, а
также обосновывается синтезом эффективного управления резервами
подземных вод. Нечетко-детерминированные модели ВПВ, разработанные на
основе беспроводных сенсорных сетей служат оперативному определению
параметров водоносных пластов, относящихся одно или двухслойным
пластам, в частности, решению задачи систематизации данных и проведения
вычислительных экспериментов.
Внедрение результатов исследования.
Технологии создания нейро
нечетких и нечетко-детерминированных моделей ВПВ и компьютеризиро
ванных систем мониторинга с использованием беспроводных сенсорных
сетей внедрены в Государственных предприятиях Комитета по геологии и
минеральных ресурсов «Приаральская гидрогеологическая экспедиция»,
«Восточная гидрогеологическая экспедиция Узбекистана» (Справка 08-1266
от 14 июля 2015 года, Комитета по геологии и минеральных ресурсов
Республики Узбекистан, Справка 02-8/1849 от 1 апреля 2016 года,
Министерство по развитию информационных технологий и коммуникаций
Республики Узбекистан). Результаты научно-исследовательских работ служат
сокращению процессов определения схемы рационального
размещения
наблюдательных
и
эксплуатационных
скважин,
систематизации
геофильтрационных, экологических геологических и гидрогеологических
данных, касающихся подводных слоёв данных в 1,7-2,5 раза, уменьшению
количества
эксплуатационных
скважин
на
15-20%
и
обеспечению
эффективного использования подземных водных ресурсов.
Апробация результатов исследования.
Результаты исследования
доложены на 22 научно-технических конференциях, в том числе 9 между
народных:
«
European Applied Sciences” (Германия, Stuttgart, 2015г.); «Авто
матика и программная инженерия» (Россия, Новосибирск, 2014г.); «Наука и
мир» (Россия, Волгоград, 2015г.); «Проблемы вычислительной и прикладной
математики» (Ташкент, 2015г.); «Интеллектуальные системы для индус
триальной автоматизации, WCIS», (Ташкент, 2012, 2014гг.); «Актуальные
проблемы прикладной математики и информационных технологий Ал
Хорезми» (Ташкент, 2012г., Самарканд-2014г.); «Приоритетные направления в
области науки и технологий в XXI веке, Тинбо» (Ташкент-2014г.);
«Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития
геологической отрасли Республики Узбекистан» (Ташкент-2014г.);
«Проблемные вопросы гидрогеологии, инженерной геологии, геоэкологии и
пути их решения» (Ташкент-2012г.); «Перспективы развития информа
ционных технологий ITPA-2014» (Ташкент-2014г.); «Проблемы информа
ционных технологий и телекоммуникаций» (Ташкент-2013, 2014гг.).
Опубликованность результатов исследования.
По теме диссертации
опубликованы всего 38 научных работ. Из них 1 монография, 12 научных
38
статей, в том числе 9 в республиканских, 3 в зарубежных журналах, рекомен
дованных Высшей аттестационной комиссией Республики Узбекистан для
публикации основных научных результатов докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации.
Структура диссертации состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы,
приложений. Объем диссертации составляет 200 страниц.
39
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении
обоснована актуальность и востребованность темы
диссертации, сформулирована цель и задачи, выявлен объект и предмет
исследования,
определено
соответствие
исследования
приоритетным
направлениям развития науки и технологий Республики Узбекистан, изложена
научная новизна и практические результаты исследования,
обоснована
достоверность
полученных результатов, раскрыты теоретическая
и
практическая
значимость
полученных
результатов,
приведен
список
внедрений
в
практику
результатов
исследования,
сведения
по
опубликованным работам и структуре диссертации.
В
первой
главе
диссертации
«Нечетко–детерминированные
математические модели процессов формирования и эксплуатации
водозаборов подземных вод»
проделан обзор работ по моделированию
геофильтрации в условиях нечеткой информации, нечетко
детерминированному
моделированию
процессов
формирования,
эксплуатации и восстановления ВПВ. Исследованы основные типы –
технологические схемы ВПВ для одно– и двухслойного строения водоносных
пластов. Обоснованы технологические схемы ВПВ,
целенаправленно
улучшены структуры баланса подземных вод, регулирования и поддержания в
заданных пределах функционирования инфильтрационных сооружений.
Неоднородность области фильтрации в фильтрационном отношении в
плане и в разрезе, нечеткий характер начальных и граничных условий,
неопределенность режимов функционирования поверхностных водотоков,
работы скважин водозабора и т.д. предопределило необходимость применения
нечетко-детерминированного
подхода
для
формализации
процессов
формирования и эксплуатации ВПВ. Для однослойного строения водоносного
пласта
нечетко-детерминированной
модели
(НДМ)
формирования,
эксплуатации и восстановления ВПВ осуществляется на основе следующей
модели:
∂∂
+
−
h
~ ~ ~ ~ ~ ~
∂
∂
h
∂
∂
∂
( ) ( )
f W
∝
,
(1)
∂
=
t x
∂
K h b
−
+
x y
K h b
−
∂
y
~
– нечеткие
коэффициент
где
h
(
x
,
y
,
t
)
– уровни грунтовых вод;
K
(
x
,
y
)
~
– нечеткие значения водоупора,
(
x
,
y
)
∈
D
;
фильтрации,
(
x
,
y
)
∈
D
;
b
(
x
,
y
)
~
– нечеткая величина инфильтрации из инфильтрационных
f
(
x
,
y
)
сооружений;
W
(
x
,
y
)
– расход ГВ на испарение; D – область фильтрации.
Задача (1) НДМ решается заданием соответствующих начальных и гранич ных
условий, определяемых условиями формирования и эксплуатации ВПВ. При
этом, начальное условие имеет вид:
( )
,( ),
~
h x
,
y
0,
=
ϕ
x y
(
x
,
y
)
∈
D
.
40
~
ϕ
– нечеткая функция
(
x
,
y
)
, определяется из карт
Здесь
(
x
,
y
)
гидроизогипс по ВПВ. На внутренних границах-контурах эксплуатационных
скважин задаются условия вида:
∂
h
∫
=
kh
( ),
ds Q t
Г
к
∂
n
э
где
Г
к
– контур скважины;
Q t
)(
э
–заданный расход.
Обоснованы условия применимости НДМ (1) для восстановления
качества подземных вод ВПВ в условиях однослойного строения водоносного
пласта. Граничные условия представлены в табл.1.
Таблица.1.
Технологическ
ая схема
Графическое представление
Граничные условия
Технологическ
ая схема
формирования
( )
( )
,,
tyxh h
=
,
АВГyx ик
=
∈
yxh yxh yxh
),( ,( ); ),(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
AByx BCyx
yxh
,( );
yxh yxh yxh
),( ,( ); ),(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
CDyx ADyx
yxh
,( );
Технологическ
ая схема
эксплуатации
( )
( )
tyxh h
=
,,
,
=
∈
ВСГyx ик
∂
h
∂
h
∂
h
=
=
=
( ) ( ) ( )
, , ,
∈ ∈ ∈
AByx yx СD yx AD
∂
n
∂
n
∂
n
∂
h
( )
0
=
BCyx
,
∈
∂
n
Технологическ
ая схема
восстановления
( )
( )
=
,,
tyxh h
,
CDГyx ик
=
∈
= =
yxh yxh yxh
),( ),();,(
( ) ( )
, ,
∈ ∈
AByx BCyx
yxh
);,(
= =
yxh yxh yxh
),( );,( ),(
( ) ( )
, ,
∈ ∈
CDyx ADyx
yxh
);,(
Рассмотрены
вопросы
НДМ
процессов восстановления качества
подземных вод в условиях двухслойного строения водоносного пласта по
схеме Мятиева-Гиринского. Для таких условий НДМ взаимосвязи солевых
режимов грунтовых и напорных водоносных горизонтов основывается на том,
что перенос солей в верхнем слое происходит по горизонтали и по
вертикальном направлениях, в нижнем, хорошо проводящем слое – в плане,
т.е. в горизонтальном направлении. Водозабор, состоящий из спаренных
скважин, работает следующим образом: в летнее время солоноватая вода,
откачиваемая скважинами верхнего яруса, сбрасывается в дрены и отводится
за пределы ВПВ. По мере поступления откачиваемая из нижнего пласта
пресная вода подается в водопроводную сеть. Для опреснения высокомине
рализованных
подземных
вод
водоносного
горизонта
четвертичного
отложения строятся питающие контуры (блоки) магазинирования ПВ.
41
Следует отметить, что различные режимы эксплуатации водоносного
горизонта приводят к интенсивному взаимодействию гидродинамических и
гидрохимических режимов ПВ обоих горизонтов. При таких условиях
необходимо уделить особое внимание защите водоносного горизонта от
проникновения высокоминерализованных вод со стороны внешних границ
взаимодействующих водоносных горизонтов. На основе принятых таким
образом условий фильтрации математическая модель взаимосвязи солевых
режимов грунтового и напорного водоносных пластов представляется в
следующем виде:
( ) ( )
∂
c
∂
c
∂
∂
∂
c
∂
∂
∂
'
V c
∂
V
2'
1 ' 1 ' 1
x
1
n
1
=
D
+
D
−
−
∂
t x
∂
x z
x z
∂
z
∂
x
( )
''
∂
z
(2)
∂
c
∂
c
∂
∂
∂
c
∂
∂
∂
V c
2 '' 2 '' 2
x
n
.
2
2
=
D
+
D
−
∂
t x
∂
x z
x z
∂
z
∂
x
,
Начальные условия:
с x z c x z c x z c x z
=
Q
=
Q
;
(3)
( , )0, ( , ); ( , )0, ( , )
1 2 2
Граничные условия:
∂
c
(4)
∂
c
∂
c
∂
c
1
=
=
1 2
2
=
;0 ;0
=
x
= =
Lxx x
= =
Lxx
∂
x
0
∂
x
∂
x
0
∂
x
A
≤
x
≤
C
,
A
≤
z
≤
F
;
F
≤
x
≤
D
,
F
≤
z
≤
E
;
c x z t c x z t
(5)
1
mz
−
=
0
=
2
mz
+=
0
( ,' ,' ) ( , , ) ,
∂
C
∂
C
1
1
2
2
2
1
−
= +=
V C D
(6)
z
−
z mz z z mz
=
−
На
канал ах
1
∂
z
0
V C D
2
∂
z
0
∂
c
1
1
D
=
−
z z z k
V c c
( );
1
=
(7)
∂
z
0
и в скважинах ставится условие
∂
;
(8)
c
=
∈
1
x A B
∂
n
,0 ( , )
где
L
x
, L
x
- длина и высота водоносного пласта, m–граница раздела
верхнего и нижнего пластов; x-горизонтальная, z- вертикальная координаты,
при этом, ось z направлена вниз,
С
1
(х, z, t), C
2
(x, z, t)
– концентрация солей
грунтовых и напорных вод;
V
х
, V
z
, V
x
’, V'
z
– скорости фильтрации;
D
x
, D
z
, D
x
’,
D
z
’ –
коэффициенты конвективной диффузии солей, суть нечеткой величины,
формализуемые с применением функций принадлежности;
С
1Q
(x, z), С
2Q
(х, z)
–
начальные значения солей в грунтовом и напорном водоносном горизонтах;
с
п
– концентрация вод в канале, подаваемых для опреснения (очистки);
L
z
–
длина области фильтрации по вертикали;
п
1
, n
2
– активная пористость грунта в
соответствующих зонах. Эффективность реализации технологических схем
формирования, эксплуатации и восстановления ВПВ во многом определяется
адекватностью учета в нечетко-детерминированных математических моделях
конструкции,
типа,
параметров
водозаборных
и
инфильтрационных
сооружений и рациональной схемы их взаимосвязи.
42
Во второй главе диссертации
«Вычислительные алгоритмы нечетко–
детерминированных моделей процессов формирования, эксплуатации и
восстановления водозаборов подземных вод»
рассмотрены вопросы
разработки вычислительных алгоритмов для НДМ процессов формирования,
эксплуатации
и
восстановления
ВПВ.
Предлагаются
эффективные
вычислительные алгоритмы для реализации систем НДМ геофильтрации и
переноса солей в потоках подземных вод для двухмерных в плане областей
фильтрации. НДМ геофильтрационных процессов осуществляется путем
формализации
коэффициентов,
правых
частей
детерминированных
математических моделей геофильтрации, а также начальных и граничных
условий с помощью функций принадлежностей (ФП). Неоднородность
фильтрационных полей в плане и в разрезе являются одним из основных
причин появления неустойчивости в процессе численного моделирования
геофильтрации. В диссертации предлагается нечетко–множественный способ
непосредственного, а не косвенного учета нечетких значений коэффициентов
фильтрации на переходных зонах.
Для реализации НДМ геофильтрации (1) решаемой в квазитрехмерной
постановке,
предлагается
вычислительный
алгоритм
основанный
на
последовательном применении локально-одномерной схемы (ЛОС), векторно
- разностного метода и метода совместной прогонки, согласно которым
область фильтрации D вместе с границей Г покрывается равномерной
сеточной областью
ω
h
с осями OX и OY с равномерным шагом:
p
ω
h
=
ω
h
+
ω + ω
*
Г h h
,
где
p
ω
h
– множество регулярных точек;
*
ω
h
–множество граничных точек;
Г
ω
h
–множество нерегулярных точек;
{
(
,
)
; ,0 , ,0
}
,
h i j j
m
i
ϕ
=
x
=
ih y
=
jh i
=
l j
=
(9)
x
m
i
–число узлов на прямой
;
j
где
j
l
–число узлов на прямой ;
j
y
Согласно ЛОС решение h при
τ
=
τ
= +
∆
τ
+
( )1
1
k
к
находится путем
последовательного решения уравнений:
∂
h
= +
k
≤ ≤
k
= + =
α
∝
α α α
,
τ τ τ
,
α
;2,1
( )
L h q
( )
q q q
α
∂
τ
+
1 1 2
L h
~ ~
=
xh
∂
∂∂
~ ~
h
∂
∂∂
( )
( )
( )
( )
K h b
−
=
;
L h
K h b
−
11 2 2
∂
x
x
с начальными
условиями:
∂
x
( )
( )
( ) ( )
,, ;
(
(,, )1
)
;
h
=
h x y k
τ
h
=
h x y k
+
τ
1 2 1
и естественными граничными условиями и (Табл.1).
Введем в сетке (9) разностный оператор
Λ
α
приближенно заменяющий
оператор
L
α
, т.е.
L
α
~
Λ
α
уравнений вида:
и переходим к системам
конечноразностных
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
[ ]
α α α
σ
α α
σ
α α α
h h
τ
h h q
k k k k
~
/ 1
+
1
−
= Λ
+
1
+
−
+
(10) где
σ
α
– вес разностной схемы;
43
Реализация (16) осуществляется следующим образом: Вдоль каждой из
прямых
n
j
решается с начальными условиям при
τ
=
τ
(
α
=
)1
k
. После этого
используя найденные решения при
τ
=
τ
(
α
=
)1
k
вдоль каждой прямой
i
ξ
уравнение решаем с соответствующим ( ),1
τ
=
τ
k
+
1
α
=
что принимается как
окончательное решение.
При этом
L q q
~
α
~
Λ
α
,
α
~
,
∂
k
+
k
h h h
−
( ) ( ) ( )
,
α α α
≈
1
∂
τ τ
∆
~ ~ ~ ~
2
( )
( ( ) )
/ ,
h B h B B h B h h
Λ
k
=
i
+ +
kjikj
−
i
+
kj
+
i
−
kj kji
+
i
− −
kjikj
(11)
1 ,;5,0 ,,1 ,;5,0 ,;5,0 ,, ,,5,0 ,,1
~ ~ ~ ~
2
Λ
2
h
k
=
B
ji
+
,;5,0,
h
+
,,1
kjik
−
B
ji
+
;5,0,
k
+
B
ji
−
;5,0,
k
h
,,
kji
+
B
ji
−
;5,0,
h
−
,1,
kjik
h
( )
( ( ) )
/ ,
~ ~
( )
,
,,
kji
,
ji
,,
kji
,
ji
B
=
k h
−
b
(
, ,
)
,
,,
h
=
h ih jh k
∆
τ
kji
Последовательность схем условно обозначается в виде
( ) ( )
1 2
σ σ
Λ
→
Λ
.
1 2
~
- нечеткие значения коэффициентов фильтрации и распределе
~
,
Здесь,
ji ji
k b
, ,
ния плоскости водоупора. Для их формализации применяются треугольные
числа типа:
k
=
k k l
p
, ,
f
,
k
b
b b b l
(12)
p
, ,
f
,
где
k
,
k
-
k
~
;
b
,
b
- нижняя и верхняя границы изменения параметра
b
~
;
l
,
l
-
лингвистические оценки параметров
k
и
b
~
в диапазонах
k
,[
k
]
и
b
,[
b
]
k b
соответственно.
Здесь
l
∈
L
=
{
l
1
,
l
2
,...,
l
m
}
,
(13)
где
L
-
упорядоченное
по
принципу
от
<<меньшего>>
к
<<большему>>множества лингвистических термов для количественной
оценки параметров
k
и
b
~
.
Для формализации значений параметров
k
и
b
~
для всех точек сеточной
области
ω
h
, составляется информационная модель, согласно которой для
каждой точки ставится в соответствии целое число типа ,
7654321
iiiiiii
разряды
которой несут соответствующую информацию о принадлежности точки
определенной зоне, номер терма по (13), лингвистическое значения терма,
общее количество термов. Далее, нечеткие значения нечетких параметров
(
k b
)
~
,
~
по всем внутренним точкам
ω
n
вычисляются по формуле:
~
k
i
;
λ
=
k
i
;
λ
+
i
−
k
i
;
λ
−
k
i
;
λ
m
−
,
[
(
1
)
( )
]
/
(
1
)
i
=
1,2,...,
m
.
Реализация системы разностных уравнений, по
α
=
1 и
α
=
2
осуществляется методом прогонки. Предварительно осуществляется
44
линеаризация нелинейных составляющих (11), для чего применяются метод
простой итерации, принимая при этом:
B
kji
+
1,,
≈
B
,,
kji
.
Тогда система (10) преобразуется в линейную. Вычислительный процесс
организуется так: После линерализация, т.е. замены
B
kji
+
1,,
на
B
,,
kji
,
h
,
α
=
1.
разностная схема реализуется методом прогонки и получается
kji
+
1,,
Процесс
вычислений продолжится до тех пор, пока не выполнится соотношение:
( ) ( )
max
1,, 1,,
, ,0
S
S
ε ε
,
+
−
+
< >
h h
,
ji
∈
ω
h
kji
kji
где s-номер итераций.
Для реализации разностных схем (11) при
α
=
1,2
применяются формулы:
S
+
1
S
+
1
( )
( )
h
jki
A h D
,1
+
= +
, (14)
( )
( )
,1 1
+
, 1,,11
ji kji
( )
+ +
( )
ji
S
+
1
S
+
1
h
jki
C h E
, (15)
( )
+
= +
ji
( )
,2 1
+
ji kji
+ + +
1, 1,1,2
1,
где
τ
∆
+ +
−
( )
σ
, /
σ σ
A
,1
A
,;5,011
2 1 ,;5,0 ,;5,0 1 ,;5,0
+
ji
=
+
kj
B
i
+
kj
B
i
−
kj
B
i
−
kj
h
∆
τ
σ
( )
( )
σ
,
B D
+
h h
+
−
Λ
1( )
1 ,;5,0
2 ,, 1 1 1
i kj ij kji k
D
ji
=
−
h
+
,1
∆
τ
( )
i kj i kj i jikj
σ σ
+ +
−
B B B A
2 1 ,;5,0 ,;5,0 1 ,;5,0 ,
+
− −
h
∆
τ
+ +
−
( )
σ
,
/
σ σ
ji
+
=
ji
+
k
B
ji
+
k
B
ji
−
k
B
ji
−
C
jik
C
1,
B
;5,0,2
2 2 ,5,0, ;5,0, 2 ;5,0, ,
h
∆
τ
σ
( )
( )
σ
,
B E
+
h h
+
−
Λ
1( )
ji ijk kji k
E
ji
1,
+
=
∆
−
τ
;5,0,2
2 ,, 2 2 2
h
( )
i kj i kj ji
jik
σ σ
+ +
−
B B B C
2 1 ,;5,0 ,;5,0 ;5,0,1 ,
+
− −
h
Из граничных условий при
i
=
0 , вдоль каждой из прямых
ji
у
,
и при
j
=
0
вдоль каждой
i
х
определяются
A
ji
;,
D
ji
C
ji
E
,;,;,
ji
.
Далее, осуществляется обратная прогонка на основе (14) и (15).
Рассматриваются вопросы численного моделирования гидрогеологичес ких
(геофильтрационных, гидрогеохимических) процессов при решении задачи
опреснения высокоминерализованных вод месторождений ПВ Южного
Приаралья, характеризуемых сложными геофильтрационно
геомиграционными (неоднородность области фильтрации в плане по
мощности в фильтрационном отношении, наличие значительных градиентов
концентрации солей, межслойный солеобмен, проявляющийся в зависимости
от режима эксплуатации с разных водоносных горизонтов и др.) условиями на
основе НДМ. Такие задачи решаются на основе математической модели
взаимосвязи гидродинамических и гидрогеохимических режимов грунтового
45
и напорного водоносных горизонтов (2) – (8), которая реализуется на основе
применения ЛОС и векторно-разностного метода. При этом решение систе мы
двумерных уравнений солепереноса (4) соответствующими начальными и
граничными условиями (2) сводится к последовательному решению системы
одномерных дифференциальных уравнений солепереноса на основе вектор
но-разностных схем. Полученные схема реализована в виде комплекса
программ на алгоритмическом языке C#.
В третьей главе диссертации «
Разработка информационной модели
для обеспечения взаимосвязи между гидрогеологическим объектом и её
нечетко–детерминированной моделью
» рассмотрены вопросы разработки
информационной модели ВПВ, основная цель которой – установление
взаимосвязи между ВПВ и её нечетко–детерминированной моделью, а также
организация вычислительных экспериментов (ВЭ) с целью обеспечения
возможности варьирования различных параметров среды и граничных
условий в процессе численного моделирования.
Предложены алгоритмы формирования информационной модели ВПВ и
ее обработки, разработаны эффективные способы представления технологи
ческих составляющих – каналов, рек, инфильтрационных бассейнов и сква
жин ВПВ. Предлагаются алгоритмы нечеткого представления параметров
области фильтрации и их обработки. При этом, основу нечеткого представле
ния геофильтрационных параметров составляют нечеткие числа треуголь ного
и трапецеидального характера (Рис.1-3). Предлагаются алгоритмы и
фрагменты программных кодов по лингвистическому представлению
нечетких параметров ВПВ, по нечеткой интерполяции параметров ВПВ, по
принятию решений на основе ситуационного анализа, результатом которых
являются формирования новых технологических схем ВПВ.
Рис.2.Водозабор
подземных вод
Рис.3.Информационно -
технологическая модель
ВПВ
Рис.4. Символьные
представления ВПВ
46
Информационная модель ВПВ формируется на основе информационно
технологической модели ВПВ.
Представлены
результаты
вычислительных
экспериментов
по
формированию, анализу и представлению информационных моделей ОФ и
ПФ,
являющихся важными элементами интерфейса и установления
взаимосвязи между объектом исследования (ВПВ) и ее нечетко–
детерминированной моделью. Основная цель информационного моделиро
вания ОФ и ПФ для установления информационной взаимосвязи между ВПВ
и её НДМ – упрощения процесса НДМ и процесса принятия решений,
поскольку усложнение моделей геофильтрации приведет к повышению
уровня требований к исходной информации, что в условиях усиления
техногенных факторов на ВПВ реально не могут быть выполнены. Поэтому
прибегают к разному характеру упрощениям, в частности, системному
представлению
гидрогеологических
объектов
в
зависимости
от
их
функционирования, характера и цели исследований. ВПВ представляет собой
гидрогеологическую
систему,
состоящей
из
совокупности
объектов
(водоносный пласт, гидрогеологические границы, инфильтрационные каналы,
водозаборные скважины и др.), образующих определенную целостность в
пространстве и во времени с целью хозяйственно-питьевого водоснабжения
населения.
В
диссертации
предлагается
компьютеризированная
система
мониторинга ВПВ, основанная на информационной интеграции процессов
НДМ ВПВ и принятия решений. Информационная база компьютеризиро
ванной системы мониторинга ВПВ основана на использовании непрерывных
измерений параметров ВПВ (уровни, минерализацию и температуру
подземных вод), позволяющего исключить человека из процесса измерений, с
целью избежать грубых ошибок и влияние человеческого фактора. Такой
подход позволяет эффективно решать проблему актуальности данных путем
непрерывного измерения параметров в режиме реального времени на основе
беспроводной сенсорной сети (БСС), позволяющей осуществить сбор данных
о параметрах водоносного пласта и передачу их на компьютеризированную
систему мониторинга ВПВ.
БСС - это территориально распределенная сеть необслуживаемых
миниатюрных электронных устройств (узлов сети), которые осуществляют
сбор данных о параметрах внешней среды и передачу их на базовую станцию
посредством ретрансляции от узла к узлу с помощью беспроводной связи.
БСС являются одним из перспективных направлений развития современных
телекоммуникационных технологий, которые связаны как с заменой
кабельной инфраструктуры на радиоканалы, так и с новыми функциональ
ными возможностями. Следует выделить следующие особенности сенсорных
сетей: способность к самовосстановлению и самоорганизации; способность
передавать информацию на значительные расстояния при малой мощности
передатчиков (путем ретрансляции); низкая стоимость узлов и их малый
размер; низкое энергопотребление и возможность электропитания от
автономных источников; простота установки, отсутствие необходимости в
47
прокладке кабелей (благодаря полностью беспроводной технологии и
питанию от батарей); возможность установки таких сетей на уже
существующий и эксплуатирующийся ВПВ без проведения дополнительных
работ;
возможность
управления
инфраструктурой
БСС
с
помощью
планшетного ПК;
В
диссертации
предлагается
компьютеризированная
система
мониторинга и управления ВПВ на базе интеграции БСС, реализуемой на базе
стандарта
IEEE
802.15.4a, позволяющего создавать беспроводной канал
данных с пропускной способностью в десятки и сотни Мбит/с.
Функционирование
компьютеризированной
системы
мониторинга
и
управления состояниями ВПВ осуществляется так: данные получаемые с
датчиков сенсорной сети по радиоканалам отправляются на сервер системы,
которая подключает комплекс программ НДМ, работающего на планшетном
ПК. При этом беспроводные сенсоры устанавливаются на наблюдательные
скважины, устья инфильтрационных каналов и бассейнов.
Четвертая глава диссертации «
Технология нечетко–детерминиро
ванного моделирования процессов формирования, эксплуатации и
восстановления водозаборов подземных вод
» посвящена разработке
программного комплекса FVARH, предназначенного для нечетко
детерминированного моделирования гидрогеологических объектов в условиях
однослойного и двухслойного строения водоносного горизонта, основанная
на применении локально-одномерной и конечно-разностных методов.
Комплекс программ FVARH разработан на языке C# и позволяет
интегрировать решения задач моделирования и принятие решений в рамках
единой вычислительной системы.
Процесс НДМ конкретного ВПВ на территории Каракалпакстана на
основе представленной схемы осуществляется в следующем порядке: 1.
Выбирается конкретный ВПВ, т.е. ID={Чимбай, Кегейли, Турткуль, и т.д.}
2. Определяется тип, т.е. тип ID = {приречная, приканальная,
приканальная (двухслойный пласт)}
3. Режим работы ID = {формирования, эксплуатация, восстановления}.
4. Состояние ВПВ ID={по запасам ПВ, по качеству ПВ}.
4.1. Область фильтрации представляется сеточной областью. 4.2. Для
каждой точки сеточной области путем НДМ определяются разность значений
уровней и степени минерализации подземных вод на последовательные
моменты времени.
(
−
1
)
∆
=
−
k
k
k
ij
h h h
;
(
−
1
)
∆
=
−
k k
C
ij
C C
k
ij
ij
ij
ij
i
=
,1
n
;
j
=
,1
m
;
k
,
k
−
1
– последовательные моменты времени.
~
4.3. Формируются множества текущих
( )
k
ij
S
, типовых
( )
1
S
ситуаций, где
,
ji
l
=
i
⋅
j
–общее число типовых
l
1
=
n
⋅
m
– общее число текущих ситуаций,
2 1 1
l
<<
l
.
ситуаций, где
2 1
48
~
ситуаций, которые не
4.4. Формируются множество эталонных
( )
Э
S
ji
22
,
l
=
i
⋅
j
– общее количество эталонных
содержат нечетко равных,
3 2 2
ситуаций.
Реализация решения конкретных задач по функционированию ВПВ
осуществляется с помощью формирования соответствующих информацион
ных потоков, представлена (Рис.4.).
НДМ ВПВ
FVARH
Базы данных ВПВ Каракалпакстана Моделирование ВПВ Представление результатов
ВПВ Южного
Приаралья
Наименования Тип строения
Режим работы Данные
Идентификация Прямая
задача Принятие решений
Тип строения
•
ID объектов
•
Однослойный
•
Двухслойный
Идентификация
•
ID
объектов
•
Количества зон
неоднородности
•
Алгоритм
нечеткого
распределения
•
Результаты
•
Анализ
результатов
Принятие
решений
•
ID объектов
•
Ситуационный анализ
•
Выбор
решений
•
Реализация
решений
Моделирование
•
ID
объектов
•
НДМ
•
ГИС
•
НДМ на ГИС - основе
Наименование
ВПВ
•
ID объектов
•
Кегейлий
•
Чимбай
•
Турткуль
•
Бируни
•
⁞
Наименование
ВПВ
•
ID объектов
•
Карта
гидроизогипс
•
Начальные
условия
Данные
•
ID объектов
•
Числовые
•
Экспертные
•
Вербальные
•
Изображения объекта
Режим работы
•
ID объектов
•
Формирование
•
Эксплуатация
•
Восстановление
ИТМФ ВПВ
ИТМФ ВПВ
ИТМФ ВПВ
Прямая задача
•
ID объектов
•
Моделирование
•
Представление результатов
моделирований
Наименование ВПВ
•
ID объектов Гидрогеология
ИН объекты
Скважина коор. Граничные
объ.
ИО
•
ID объектов
•
Размер ИК
•
Расход ИК
•
Координатаы ИК
Скважина,
координаты
•
ID объектов
•
Тип скважин
•
Расход скв
•
Координата с
Числовые
•
ID объектов
•
Отчет по
Узбекистану
•
Монография
•
Данные
режимных
наблюдений
Результаты
моделирования
•
ID объектов
•
Таблица
•
Графики
•
Карта
•
2D 3D
изображения
Модуль анализа
информационно
технологической модели
INF
O
Модуль ввода
исходных данных FVARHVV
Модуль ввода
нечетких исходных данных
FVARHFK
Модуль
организации
последовательных
параллельных
вычислений
VGV
Модуль
локализации
VPR
Модуль
прогонки
VPN
Модуль
делокализации VRP
Модуль вывода исходных
данных FVARHVIV
Модуль анализа
информационно модели
VAR
Рис. 4. Схема функционирования комплекса программ FVARH с учетом взаимосвязи
информационных потоков в процессе НДМ ВПВ Каракалпакстана
Введение множества типовых и эталонных ситуаций позволяют
значительно сократить объем обрабатываемой информации. Допустим,
рассматривается ОФ с шагом 50м, с количеством точек по оси Х: n=30; по оси
Y: m=50; т.е. рассматриваются сеточная область с количеством точек равным
30х50=1500.
49
k
∆
h
ij
,
∆
C
– признаки ситуаций, которые фаззифицируются, например
k
ij
~
~
следующим образом:
{ ,, }
∆
h
=
м бс
,
},,{
∆
С
=
н вс
, где м – <малое>, в –
<высокое>,н-<низкие>, с – <среднее>, в – <высокое>.
~
~
i
1
=
card
∆
h
=
;
( )
3
( )
3
j
1
=
card
∆
h
=
;
3 3 9
l
2
=
i
1
⋅
j
1
=
⋅
=
.
Таким образом, вместо анализа значений признаков по 1500 точкам,
можно ограничить ситуационным анализом по 9
l
2
=
типовым ситуациям.
Используя принятые ситуации - нечетких множеств, управление состоянием
ВПВ осуществляется с помощью следующей продукционной модели типа
Мамдани:
R
1
: если понижение ПВ есть
большое
и степень минерализация есть
малое
то состояние ВПВ есть
удовлетворительное
(0.8)
R
2
: если понижение ПВ есть
малое
и степень минерализации ПВ есть
малое
то состояние ВПВ есть
высокое
(0.72)
R
3
: если понижение ПВ есть
малое
и степень минерализации ПВ есть
среднее
то состояние ВПВ есть
удовлетворительное
(0.82) R
4
: если
понижение ПВ есть
среднее
и степень минерализации ПВ есть
среднее
то
состояние ВПВ есть
удовлетворительное
(0.63)
R
5
: если понижение ПВ есть
большое
и степень минерализации ПВ есть
малое
то состояние ВПВ есть
неудовлетворительное
(0.58) R
6
: если
понижение ПВ есть
малое
и степень минерализации ПВ есть
среднее
то
состояние ПВ есть
хорошая
(0.85)
Реализация нечетко-продукционный модели (R
1
-R
6
) осуществляется так:
1. Вычисляются уровни истинности предпосылки:
i
– правила по формуле:
n
(
( ) (
)
)
'
α
min max
,
= Λ
i
A x A x
=
j j ij j j
1
x
i
x
– множество определения переменной
j
где
j
x
,
j
=
,1
n
.
2. Для каждого правила вычисляются индивидуальные выходы:
B
(
y
) (
B
(
y
))
i i i
min ,
'
=
α
;
3. Агрегирование осуществляется по формуле:
( )
max
(
( )
,
( )
,...,
( )
,
)
'
B y B y B y B y
=
m
.
'
1
' ' 2
По результатам нечетко-множественного анализа выбирается решение.
Если состояние ВПВ неудовлетворительное или удовлетворительное с
определенной оценкой истинности, то принимаются одно из решений
предупредительного, локализационного или восстановительного характера.
В условиях почти повсеместного усиления влияния техногенных
факторов на гидрогеологические объекты, повышается уровень требований к
применению данных (актуальность, оперативность), методам моделирования
(адекватность,
точность),
программным
средствам
(эффективность,
экономичность), организации данных и выводов (наглядность, ясность,
представительность) и т.д. Этим и объясняется необходимость развития
методологии моделирования ВПВ с позиций параллельной организации
процессов моделирования, а также технологий получения, обработки и
50
передачи больших объемов информации. Рассмотрены вопросы связанные с
декомпозицией моделируемого процесса на ряд одновременно выполняемых
задач на основе сегментации по физическим процессам, по решаемым
задачам,
по
стратегии
организации
данных,
их
визуализации
и
вычислительных процессов. На примере процесса обоснования проектов
водозаборов подземных вод (ВПВ) рассмотрены аспекты распараллеливания
вычислений. Параллельный счет осуществляется библиотекой Threading
языка С#. При этом создание потоков осуществляется конструктором класса
Thread, принимающий в качестве параметра делегат тип ThreadStart. При
этом, для решения этой задачи в последовательном решение потребовалось 83
млс, а решение задачи в режиме распараллеливания получено за 2 млс.
Пятая глава диссертации «
Интеграция ГИС технологий для нечетко–
детерминированного моделирования процессов формирования и
эксплуатации Кегейлийского водозабора подземных вод Каракал
пакстана
» посвящена интеграции ГИС технологий в процесс НДМ
Кегейлийского водозабора подземных вод (КВПВ). Такой подход является
основой формирования моделей данных, характеризующих структурно–
динамическую организацию КВПВ. В этой связи, в данной главе рассмотрены
принципы разработки геоинформационной модели для НДМ территории
КВПВ.
Гидрогеологические условия территории.
В геологическом отношении
участок сложен четвертичными аллювиальными отложениями, которые
подстилаются песчаниками неогенового возраста. Водовмещающие породы
представлены песками мелкозернистыми четвертичного возраста. На глубине
12–17,0м. залегает слой суглинков, которые не имеют повсеместного
распространения. При этом НДМ условий формирования и эксплуатации
КВПВ предполагает привязку источников данных к географическим
координатам, что объясняется уникальностью значений геофильтрационных
параметров в каждой точке сеточной области КВПВ.
Технологическая схема искусственного формирования (ИФ) и искус твенного
восполнения (ИВ) запасов пресных подземных вод (ЗПВ) состоит из ВПВ,
включающего ирригационный и проточный каналы, параллельные
водозабору, что позволяет производить ИФ и ИВ запасов пресных вод. Для
НДМ КВПВ на ГИС основе на первом этапе строится сеточная модель ОФ,
далее путем введения данных о расположении топологических элементов
строится информационно-технологическая модель КВПВ. Геоинформацион
ное моделирование условий формирования и эксплуатации Кегейлийского
ВПВ предоставляет широкие возможности при создании системы монито
ринга и оценки состояния, позволяющей контролировать и сопровождать
этапы жизненного цикла ВПВ. При этом, в процессе НДМ условий формиро
вания и эксплуатации Кегейлийского ВПВ на ГИС основе решаются
следующие задачи по построению пространственной основы для тематичес
ких карт по: пространственному распределению геофильтрационных пара
метров; определению статьей баланса подземной гидросферы; распределе
нию начальных условий задач геофильтрации; распределению граничных
51
условий потоков подземных вод. Полученные таким образом данные -
тематические слои, тематические карты интегрируются в компьютеризи
рованную систему, основанную на программном комплексе FVARH, на базе
которой проведены вычислительные эксперименты по определению
геофильтрационных параметров, начальных и граничных условий. В качестве
топологических элементов ГИС Кегейлийского ВПВ приняты точечные
(скважины водозаборов, контрольные точки), линейные (инфильтрационные
каналы, гидроизогипсы, границы ОФ и т.д.) и площадные (населенные
пункты, зоны с определенным и фильтрационными свойствами и т.д.). Решена
прямая прогнозная задача, результаты которой представлены в виде
тематических слоев ГИС, составленных с позиций оценивания схем
размещения топологических объектов формирования и эксплуатации
Кегейлийского ВПВ(Рис.5,6).
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Рис. 5. Начальные условия Рис. 6. Результаты ВЭ с эксплуатационными
режимами
Полученные результаты дают основания о перспективности НДМ на
ГИС основе, используя при этом территориальную модель данных,
позволяющей
моделировать
структуру,
динамику,
информационные
отношения между топологическими элементами ВПВ.
Эффективность интеграции ГИС для НДМ ВПВ проявляется ещё в
возможности представления в качестве слоев ГИС модели начальных условий
по уровненному режиму и минерализации подземных вод, а также граничных
условий (внутренних, внешних). При этом появляется возможность задавать
посредством ГИС и базу данных системы FVARH различные начальные,
граничные условия и разнообразные топологические объекты с необходимой
точностью.
52
Рис.7. Эффективность нечетко-детерминированного подхода для ВПВ в условиях
информации разного характера.
ДДЧМ- детерминированные данные численного характера; СД- стохастические
данные; НДВХ-нечеткие данные качественного характера; НДЛХ-нечеткие данные
лингвистического
характера;
НД-нечеткие
данные;
ДМ-детерминированное
моделирования; СМ-стохастическое моделирования; НДМ-нечетко-детерминированное
моделирование; ННМ-нейро-нечеткое моделирования
В процессе исследований реальных объектов (Кегейлийский, Турткуль
ский ВПВ) проведены серия вычислительных экспериментов, результаты
которых дают основания об эффективности НДМ для ВПВ (Рис.7).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведённых исследований по докторской диссертации на тему
«Система
нечетко-детерминированного
моделирования
процессов
формирования и эксплуатации водозаборов подземных вод» представлены
следующие выводы:
1. Алгоритмы и программный комплекс нечетко-детерминированного
моделирования гидрогеологических объектов водозабора подземных вод
природно-техногенного
характера
дают
возможность
с
достаточной
надежностью прогнозировать и оценить динамику изменения резервных
запасов подземных вод.
2. Технология формирования запасов подземных вод на основе создания
ВПВ в одно- и многослойного строениях водоносных пластов создает
возможность управления и оперативного исследования закономерностей
формирования подземных вод.
3. Разработаны и обоснованы нечетко-детерминированные модели
формализации процессов формирования, эксплуатации и восстановления
ВПВ в условиях неоднородности фильтрационной сферы в горизонтальном и
вертикальном разрезе, нечеткости начальных и граничных условий,
неопределенности режимов работы источников поверхностных и подземных
водозаборных скважин.
53
4. Предложены нечетко-детерминированные модели взаимосвязи в
двухслойных областях геофильтрационных и гидрохимических режимов в
условиях взаимосвязи двухслойных геофильтрационных областей исходя из
условий квази двухмерности потоков, формирующих геофильтрационные
процессы и двухмерности в вертикальном разрезе потоков соленых вод в
подземных скважинах на основе гипотезы Мятиева-Гиринского, в условиях
одно- и двухслойной подземной гидросферы.
5. Предложенные алгоритмы и программный комплекс нечетко
детерминированных моделей эффективной реализации технологических схем
ВПВ адекватно учитывают параметры, типы и конструкции инфиль
трационных и водозаборных устройств.
6. Распараллеливание процессов создания нечетко-детерминированных
моделей ВПВ осуществляется в направлении визуализации, формирования
данных и решаемых задач, сегментации вычислительных процессов, а также,
обоснования распараллеливания задачи режима откачки вод из подводных
заборов и при четырех вариантах решения задач в последовательном режиме,
в разных граничных условиях обеспечивает расход времени 83 млс, а в
параллельном режиме 2 млс.
7.
Предложены
алгоритмы
и
программные
средства
создания
информационной модели, осуществляющие информационную взаимосвязь
между нечетко-детерминированной моделью ВПВ, составляющие параметры
процесса моделирования, выполняют задачи управления и проведения
вычислительных экспериментов в различных вариантах значений граничных
условий.
8. Целью непрерывного измерения значений параметров ВПВ (уровень
подземных вод, температуры и минерализации) информационной
базы
компьютеризированной
системы,
основанной
на
интегрировании
информационных процессов принятия решений и нечетко-детерминиро
ванной модели ВПВ, во-первых, является недопущение грубых ошибок при
измерении и устранении влияния человеческих факторов и, во-вторых, при
решении проблемы актуальности данных, осуществляется измерение в
режиме реального времени на основе беспроводных сенсорных сетей и
передаче данных мониторинга ВПВ в компьютеризированную систему.
9. Возможности использования граничных условий в качестве отдельных
тематических пластов моделей геоинформационных систем в исследовании
концентрации и уровней подземных вод, особенностей исполь зования
геоинформационных технологий нечетко-детерминированного моде
лирования ВПВ будут использованы в процессе проведения вычислительных
экспериментов определения геофильтрационных параметров в неоднородных
условиях фильтрационной сферы, изменения территориальных гидрогеоло
гических условий.
54
SCIENTIFIC COUNCIL 16.07.2013.Т/FM.29.01 AT TASHKENT
UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGIES AND NATIONAL
UNIVERSITY OF UZBEKISTAN ON AWARD OF SCIENTIFIC DEGREE
OF DOCTOR OF SCIENCES
TASHKENT UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGIES
SEITNAZAROV KUANISHBAY KENESBAEVICH
THE SYSTEM OF FUZZY-DETERMINISTIC MODELING
OF THE FORMATION AND MAINTENANCE OF THE
GROUNDWATER INTAKE
05.01.04- «Mathematical and software of computers
machines, systems and computer networks»
ABSTRACT OF THE DOCTORAL DISSERTATION
Tashkent – 2016
55
The subject of doctoral dissertation has been registered on
number 30.09.2014/B2014.3-
4.T167 at the
Suprame Attestation Commission of the Cabinet of Ministers of Republic of
Uzbekistan.
Doctoral dissertation is carried out at the
Tashkent university of information technologies.
Abstract of dissertation in three languages (Uzbek, Russian and English) is placed on the
web-page of Scientific council (www.tuit.uz) and Information-educational portal «ZIYONET» to
the address www.ziyonet.uz.
Scientific
consultant:
Official
opponents:
Leading
organization:
Usmanov Rishat Niyazbekovich
doctor of technical sciences
Habibullaev Ibrohim Habibullaevich
doctor of technical sciences, professor
Jmud Vadim Arkadevich (
Russian
Federation
)
doctor of technical sciences
Ravshanov Normahmad
doctor of technical sciences
Scientific-research institute of
irrigation and water problems at
Tashkent instetut irrigation and
melioration
Defense will take place «25» June 2016 at 10
00
at the meeting of scientific council number
16.07.2013.Т/FM.29.01 at Tashkent University of Information Technologies and National
University of Uzbekistan. (Address: 100202, Tashkent, 108, Amir Temur str. Ph.: (99871)
238-64-43; fax: (99871) 238-65-52; e-mail:tuit@tuit.uz).
Doctoral dissertation
could
can be reviewed in Information-resource centre of the Tashkent
university of information technology (registration number 2514). Address: 100202, Tashkent,
Amir Temur str., 108. Ph.: (99871) 238-65-44.
Abstract of dissertation sent out on «19 » May 2016 y.
(mailing report № 10 on «19» May 2016 y.)
Х.К. Aripov
Chairman of scientific council on award of scientific
degree of doctor of physics-mathematics sciences,
professor
M.S. Yakubov
Scientific secretary of scientific council on award of
scientific degree of doctor of technical sciences, professor
X.N. Zaynidinov
Chairman of scientific seminar under scientific
council on award of scientific degree, doctor of technical
sciences, professor
56
INTRODUCTION (summary of the doctoral dissertation)
The topicality and significance of the subject of dissertation.
In the
countries of the world there are different levels of water availability. On average,
every person on Earth is necessary to 24,646 m
3
(24.65 million liters) of water per
year.
1
At the present time, with the increase of the world's population, grows the
demand for drinking water. According to the statistics of the world population of
the annual needs of drinking water consumption is 64 million m
3
. There is a trend
of regular reduction of drinking water supplies. According to the results of research
to the 2025-2030 year, 47% of the planet population countries there is a shortage of
water.
2
Providing the population of the world states with drinking water and the
improvement of methods of the analysis of a condition of the hydrosphere of
underground waters, increase of efficiency of carrying out hydrogeological
experiences for operation of environmentally clean waters, to definition of
information uncertainties connected with domination of information belonging to
hydrogeological objects is paid separate attention.
In the Republic of Uzbekistan large-scale events for the effective organization
of measures for formation and operation of water intaking underground waters are
held. In this area, including the development and improvement of the development
of mechanisms for the rational use of water resources taking into account the
characteristics of each region, an analysis of the needs and requirements of the
population of drinking and household water, the creation of technology and
desalination methods anomalies highly mineralized groundwater, the composition
and volume of reserves one- and double-layer groundwater.
The world's attention is paid to the development of methods and algorithms of
fuzzy-deterministic simulation of the formation and operation of underground
water-bearing structures on the basis of seasonally-regional features and next
generation computerized system. In this area, the implementation of targeted
research are priority tasks, including scientific research in the following areas:
creation of a complex of the software means and mathematical apparatuses
intended for a solution of a problem of a freshening of anomalies of highly
mineralized underground waters in strongly salted conditions one - and a two-layer
structure of water-bearing layers; development of the indistinct determined
mathematical models of dynamic supervision of water resources in the course of
formation, operation and restoration of GWI in one - and two-layer water-bearing
layers; algorithm elaboration and methods of the indistinct determined modeling of
seasonal and territorial processes of formation, operation and restoration of GWI;
determination of regularities of research of hydrogeological, technological and
ecological bases of functional and structural formation one - or two-layer GWI;
development of structure of the computerized monitoring system of GWI based on
information integration of decision-making processes and the indistinct determined
modeling of GWI on the basis of wireless sensor networks;
1
http://www.priroda.su/item/1319
2
http://www.coutrumeters.com
57
This dissertation research to a certain extent is the implementation of the tasks
provided for in the law of the Republic of Uzbekistan "On water and water use"
(ZRU-837-XII of May 6, 1993), in the Republic of Uzbekistan President Decree №
PP-1989 "On measures for further development of the National information and
communication system of the Republic of Uzbekistan "dated 27 June 2013, and in
the Decree of the President of the Republic of Uzbekistan № PP-2264" on
investment program of Uzbekistan for 2015 "dated 17 November 2014, as well as
in the Resolution of the Cabinet of Ministers on 19 March 2013 №82 "The order of
water use and consumption in the Republic of Uzbekistan".
Relevant research priority areas of science and developing technology of
the republic.
This work was performed in accordance with the priority areas of
science and technology of the Republic IV. «The development of information and
information-communication technologies».
Review of international scientific researches related to the subject of
dissertation.
Scientific researches on the development of methods of
intellectualization fuzzy deterministic modeling and a comprehensive study of
hydro-geological, technological and economic basis of the formation, maintenance
and rehabilitation of water intake of groundwater in conditions of uncertainty
information are conducted in the research areas of the leading research centers and
higher education institutions in the world such as, Trimble, INPHO, RapidEye
(Germany), Airbus Defence and Space, Geo-Intelligence, Spotlmage (France),
Aquila Space, Dauria Aerospace, Esri Inc, Exelis VIS, Modflow, California
Berkeley (USA), Geomatics Canada, Sehlumberger Water Services (Canada),
DEIMOS Imaging, Remote Sensing Laboratory of the University of Valladolid
(Spain), Warsaw University of Technology (Poland), Waterloo Hydro geologic,
Excel Geomatics (India) GISTDA (Thailand), Danish technological University
(Denmark), Esri CIS, OOO «date», Moscow State University, Moscow University
of communication and Information, University of Kazan (Russia), Research
Institute of Irrigation and Water Problems at the Tashkent Institute of Irrigation and
Reclamation (Uzbekistan).
As a result of the researches conducted in the world on improvement of
structure of a monitoring system and on development of methods of creation of
models of an assessment and forecasting of processes of formation, operation and
restoration of GWI on the basis of hydrogeological, technological bases a number
of scientific results are received, including: fotogrammetrick solutions of the high
level on the basis of use of the GPS navigation system and creation of geodetic
devices and software products are developed (Trimble, Digital Globe, the USA);
technologies of image processing with application of the operator of an optical
artificial satellite of high resolution of Sport & Pleiades (Airbus Defense and
Space, France) are developed; the mechanism of carrying out space monitoring in
the field of agriculture is improved (Aguila Space, the USA); the software is
developed for processing of space pictures and geoinformation products (ESRI, the
USA); geoinformation technologies in the hydrogeological sphere (Eeri GIS,
Russia) are developed; methods of modeling of the movement of underground
waters, management systems with use of underground water resources, an
58
assessment of quality of underground waters are developed, software of creation of
hydrogeological cards (Waterloo Hydrogeologic, Russia) are developed. In the
world on development of the fuzzy-deterministic model (FDM) of processes of
formation, operation and restoration of water intakes of underground waters in a
number of the priority directions researches are conducted, including: formations of
water intakes of underground waters for one and two-layer water bearing layers,
development of the indistinct determined models and prediction algorithms and an
assessment of stocks of hydrogeological processes; development of structure of the
computerized monitoring system on the basis of wireless sensor networks;
development of a complex of programs for a solution of problems of a freshening
of anomalies of highly mineralized underground waters for conditions of a
single-layer and two-layer structure of water-bearing layers and development of
mechanisms of integration of geoinformation technologies.
Level of the study the
problem.
Research questions the theoretical and practical sides of the system
fuzzy-deterministic modeling of the formation and operation of the water intake of
groundwater, definition of the hydrogeological parameters on conditions of single
and multi-layer structure of the subsurface hydrosphere on fuzzy-determined basis,
the development of evaluation algorithms and forecasting states of underground
gidrosphere, integration of wireless sensor networks for the information and
maintenance monitoring of groundwater intakes are studied by a number of
scientists: T.L.Eldho (Indian Institute of Technology), Ekkehard Holzbecher
(Humboldt Universit), Shaul Sorec (Ben Gurion University), C.P.Kumar (National
Institute of Hydrolog), Vijai Singhal (Rajasthan State Pollution Control Board),
Robit Goyal (Malviya National Institute of Technology, C.William (Florida State
University), Jan Seibert (Swedish University of Agricultural Sciences), Allan
Rodhe (Uppsala University), J.Jeffrey (Oregon State University), David Zilberman
(University of California).
From the number of scientists who work on issues of the hydrogeological
study of formation conditions, maintenance and rehabilitation of ERW in a single
and multi-layer structure of underground hydrosphere conducted researches, in
particular, C.P.Kumar, C.William, Jan Seibert, J.Jeffrey, V.M.Shestakova,
F.B.Abutaliev, U.U.Umarov, I.K.Gavich, S.Sh.Mirzaev, N.I.Plotnikov, V.S.Usenko,
AA Akramov, P.P. Nagevich and others, it gives a base support in the current time
that the condition of full information is essential. Designed deterministic models of
the processes of formation of groundwater resources and exploitation. And also
during the monitoring of aquifers and the study of the groundwater regime
Are obtained important results in the monitoring of aquifers and the study of
the groundwater made T.L.Eldho, Shaul Sorec, V.M.Shestakov, V.S.Usenko,
I.I.Krashin,
A.A.Akramov,
P.P.Nagevich,
V.N.Ponomarev,
I.H.Habibullaev,
hydrogeological and environmental principles of pollution of groundwater
resources
David
Zilberman,
E.L.Minkina,
L.S.Yazvina,
Allan
Rodhe,
V.G.Samoylenko, S.Sh.Mirzaev, A.A.Akramov, G.L.Grigorova, V.N.Ponomareva,
V.V.Sergeeva and other scientists.
59
Conducted researches and achieved a certain degree of positive results. Study
questions of fuzzy-deterministic modeling of natural processes in conditions of
information dominance fuzzy character, including issues of formation and
operation of the water intake of groundwater are devoted works of A.Farajzadeh,
G.D.Smith,
O.Kalev,
N.E.Mohamed,
T.Saati,
E.Mamdani,
D.A.Pospelov,
A.N.Averkin, A.P.Rotshteyn (methodology of formalizing weakly formalized
processes);
P.Catarina,
M.Y.Abdelgalil,
V.M.Shestakov,
V.A.Mironenko,
I.I.Krashin, E.A.Polshkov (the study of influence of anthropogenic factors on the
underground
hydrosphere);
K.M.Kheiralla,
M.M.Mergani,
A.B.Sitnikov,
N.N.Verigin, V.G.Samoylenko (modeling of salt migration in the underground
hydrosphere) and these studies show the limitations of the deterministic models to
simulate geofiltrational processes in the conditions under a single and multi-layer
structure of the underground hydrosphere under the dominance of the fuzzy nature
of the information. It should be noted the impossibility of direct registration in
deterministic models of information concerning the parameters and characteristics
of hydrogeological objects, transition zones between heterogeneous areas, the fuzzy
nature of the initial and boundary conditions. At the same time, issues of
development of the promising methods of fuzzy-deterministic modeling, based on a
direct, rather than indirect use of information fuzzy character, representing the
experience, knowledge and opinions of specialists, experts, decision on
withdrawals of groundwater solutions multi criteria and multi-factor basis, the
development of migration patterns salt in the underground hydrosphere and
algorithms
for
their
implementation, identifying fuzzy parameters and
characteristics of underground hydrosphere, generation of thematic layers in the
process of solving applied problems, the development of a computerized system of
interpretation of the results of research on a territorial basis are weakly studied.
Connection of dissertational research with the plans of scientific-research
works of universities.
The dissertation research work carried out in the framework
of the application of grants related to research works of the Tashkent University of
Information Technology on the topic A5-020 - "Development of hardware
software means of processing heterogeneous hydro geological information on the
basis of multi-fuzzy approach" (2012-2014); A5-022 - "Integration of GIS
technologies
for
complex
estimation
of
electromagnetic
security
of
telecommunication systems" (2015-2017).
The aim of the research
is to create methods, algorithms and computerized
system of fuzzy-deterministic modeling processes based on the seasonally territorial
peculiarities of formation and functioning of intakes of groundwater and for
making decisions on the rational use of groundwater resources.
The tasks of
research work:
hydrogeological investigation, technological and ecological foundations of the
functional structure of the creation of GWI;
development and support of fuzzy-deterministic mathematical models (FDM)
formation processes, maintenance and restoration of GWI reserves for single and
dual-layer aquifers;
60
development of computational algorithms for the implementation of FDM,
taking into account seasonal and territorial characteristics of the formation,
maintenance and restoration of GWI;
development the principles and simulation algorithms for modeling of
interactive relationship between the GWI and its FDM in the process of FDM;
development of the structure of GWI computerized monitoring system, based on
information integration processes FDM GWI and decision-making based on a
wireless sensor network;
selection and justification of the principles of parallelization process of
solving problems of identification determination of hydrogeological parameters of
the GWI on the basis of fuzzy-determined;
develop a set of programs to address the problems of the anomalies of highly
freshening of groundwater conditions for single and double layer structure of the
aquifer;
The use of a computerized system study of the dynamics of formation,
maintenance and restoration of GWI in a single-layer and multi-layer structure of
the underground hydrosphere and the dominance of the fuzzy nature of information
on specific areas of GWI.
Objectives of the research
is the seasonally-territorial formation,
maintenance and rehabilitation of water intake of groundwater.
Subject of the
research
- the development of computerized technology, focused on the creation of
a mechanism, algorithms and software tools, as well as planning and carrying out
computational experiments on fuzzy-deterministic modeling of processes of
formation, maintenance and restoration of GWI.
Methods of the research.
In
presses research used methods of the theory of fuzzy sets, geofiltration and physics
and chemical hydrodynamics, numerical methods for solving boundary value
problems of mathematical physics and methods of software development.
Scientific novelty of dissertational research
consists in the following:
complex algorithms and software of fuzzy-deterministic modeling of the formation
of territorial and seasonal, seasonal maintenance and restoration of GWI were
developed;
were designed information- identification and information technology models
to establish information linkages between the GWI and its fuzzy deterministic
models;
were offered the structure of a computerized system of information integration
processes fuzzy-deterministic modeling and decision-making based on wireless
sensor networks;
were developed fuzzy-deterministic models, algorithms and software to solve
problems freshening anomalies highly mineralized groundwater for conditions of
single and double layer structure of the aquifer;
the principles of parallelization algorithms and software for the not well
deterministic modeling geofiltrational processes;
Practical results of the research are
consist in the following:
61
the principles of determination of parameters of sources of surface and
underground water-bearing layers, the indistinct determined modeling of
hydrogeological and seasonal processes of dynamic formation one - and two-layer
GWI of water resources are developed;
the concept fuzzy-deterministic modeling of processes of formation, operation
and restoration of GWI, based on complex research of hydrogeological,
technological and ecological bases of creation of water intakes of underground
waters on the basis of geoinformation technologiesis developed;
the indistinct determined models of an assessment and forecasting of ratios of
uneven volume and territorial distribution of water resources in the course of
dynamic seasonal formation, temporary operation and restoration of GWI in one -
and two-layer layers of underground water-bearing layers are developed and
extents of hydrogeological and high-quality changes on the basis of the analysis of
the interconnected ratios are defined;
the structure of the computerized system of carrying out monitoring of
statuses of GWI based on information integration of processes of the indistinct
determined models and decision-making on the basis of wireless sensor networks is
developed;
software of the indistinct determined models of a solution of multicriteria and
multiple-factor problems of a freshening of anomalies of highly mineralized
underground waters in one - and the two-layer salted water-bearing layers are
developed;
the principles, algorithms and mechanisms of parallelization of calculations of
creation neuro-fuzzy and the fuzzy-deterministic model of geofiltrational processes
are developed and the choice of the most priority directions is carried out
respectively;
the program complex of the indistinct determined modeling based on use of
geographic information systems of processes of solo migration in the underground
hydrosphere and a geofiltration, and also the concept of development of a measure
of protection of underground waters and from a practical point sight acceptance of
rational solutions from the experts dealing with a problem of providing the
population with water in the conditions of indistinct information on GWI is
developed;
the fuzzy-deterministic models characterizing dynamic processes of
formation, operation and restoration of GWI on one - and two-layer layers on the
basis of geographic information systems and the computerized systems are almost
realized in the organization of rational use of reserves of underground waters of
Kegeyli and Turtkul.
Reliability of obtained results.
The results of the implementing
computerized system, methods and algorithms of fuzzy-deterministic modeling of
processes of formation, maintenance and restoration of GWI in conditions of a
single-layer and multi-layer structure of the aquifer, test calculations, algorithms of
classification
geofiltrational
parametrs
wiht
selecting
their
degree
of
descriptiveness, the adoption of hydro-making by aggregating fuzzy data,
forecasting and estimation on the basis of neuro-fuzzy models carried out by
62
testing and comparing the results of modeling with observations of actual data on
the real objects.
Science and practical value of results of the research.
The scientific novelty of dissertational research is that, offered principles of
FDM GWI on the GIS basis are development of the theory modeling geofiltration,
that provides opportunity to develop models of processes area-seasonal formation,
temporary restoration, development models, algorithms and software complex,
migration salts in the underground gidrosphere, planning and conducting of
computational experiments.
Program complex fuzzy-deterministic modeling of processes of formation,
maintenance and restoration of GWI allows effectively manage the processes of
formation of groundwater resources and the dynamics of their spending. The basis
of the proposed approach is based on the possibility of data compression, the direct
use of the experience and knowledge of specialists-hydrogeological presented in
the form of fuzzy. The computerized system of FDM GWI, based on the use of
wireless sensor networks, allows to organize information related to single-layer and
multi-layer aquifers. Investigation processes of territorial formation, maintenance
and restoration of groundwater resources based on fuzzy deterministic modeling
makes it possible to determine the optimal placement of observational network
scheme. Implementation of computational experiments on the basis of FDM GWI
allows to rapidly determine the parameters of the aquifer.
Realization of the research results.
Technology for creating neuro-fuzzy and
fuzzy-deterministic models ERW using wireless sensor network and of a
computerized monitoring system embedded in state-owned enterprises of the
Committee for Geology and Mineral Resources "Aral hydrogeological expedition",
"Eastern hydrological expedition of Uzbekistan" (Certificate 08-1266 of 14 july
2015 year, geology and mineral resources committee of the Republic of
Uzbekistan, Certificate 02-8/1849 of 01April 2016 year, ministry for development
of information technologies and Communications of the Republic of Uzbekistan).
Implementation of the results of the thesis in the Republic of Karakalpakstan, the
process reduces the schema definition of rational allocation of observation and
production wells, systematization geofiltrational, environmental, geological and
hydrogeological data on underwater layers of data in 1,7-2,5 times, reducing the
number of production wells by 15-20% and It provides efficient use of underground
reservoirs.
Approbation of the work.
Results of the study were presented at 22 scientific
conferences, including 9 international: «European Applied Sciences» (Germany,
Stuttgart, 2015); «Automation and Software Engineering» (Novosibirsk, Russia,
2014); «Science and peace» (Russia, Volgograd, 2015);
«Problems of
Computational and Applied Mathematics» (Tashkent, 2015); «Intelligent systems
for the industrial automation, WCIS» (Tashkent-2012, 2014); «Actual Problems of
Applied Mathematics and Information Technologies Al Horezmi» (Tashkent-2012,
Samarkand-2014); «Priorities in the field of science and technology in the XXI
century, Tinbo» (Tashkent-2014); «Integration of
science and practice as a
mechanism for the effective development of the
63
geological industry of the Republic of Uzbekistan» (Tashkent-2014); «Prospects of
development of information technologies, ITPA» (Tashkent-2014); «The issues of
hydrogeology, engineering geology, geoecology and ways of their solutions»
(Tashkent-2012); «Information technologies and problems of telecommunication»
(Tashkent-2013, 2014).
Publication of the results.
According to the thesis topic published
1
monograph, of recommended scientific editions for publication of basic scientific
results of doctoral dissertations by Supreme attestation commission of the Republic
of Uzbekistan 9 scientific articles and 3 international journals. A total of 38
scientific papers.
Structure and volume of dissertation.
The dissertation consists of an
introduction; four chapters, a conclusion, references and appendices. The size of
the research is 200 pages.
64
THE MAIN CONTENTS OF DISSERTATION
In the introduction part
the urgency and demand of the theme of dissertation
is proved, the purpose and problems, and also object and an object of research are
formulated, conformity of research to priority directions of development of science
and technologies in the Republic of Uzbekistan is stated, scientific novelty and
practical results of research are stated, reliability of obtained results is proved, the
theoretical and practical importance of obtained results is reveals, the list of
introductions in practice of research results, data on published
works and
dissertation structure are given.
In the first chapter dissertation «
Fuzzy-deterministic mathematical models
of the formation and maintenance of the water intakes of groundwater»
has
done a survey of works on modeling geofiltration under fuzzy information, fuzzy
deterministic modeling of the processes of formation, maintenance and restoration
of GWI. The basic types of technological schemes of GWI-is one and two-layer
structure of the aquifer were studied. The basis of justification of technological
schemes GWI for the purposeful improvement of the structure of their balance of
GW, management and maintenance of the prescribed limits the maintenance of
infiltration facilities.
Heterogeneity in the field of the filtration in the filtration al relation with
respect to the plan and cross-sectional nature, fuzzy initial and boundary
conditions, the uncertainty of operating modes of surface watercourses, water
diversion works wells, tc. Determined the need for a fuzzy-deterministic approach
to formalize the processes of formation and maintenance of the GWI. For a single
layer structure of the aquifer formation FDM, maintenance and restoration of the
GWI is carried out on the basis of the following model:
∂
∂∂
+
−
h
~ ~ ~ ~ ~ ~
∂
∂
∂
h
∂
( ) ( )
f W
∝
,
(1)
∂
=
t x
∂
K h b
−
+
x y
K h b
−
∂
y
~
- is the fuzzy
values
where
h
(
x
,
y
,
t
)
- are the levels of ground waters;
K
(
x
,
y
)
~
- is fuzzy values of water pressure,
of filter coefficients
(
x
, ;
y
)
∈
D b
(
x
,
y
)
~
- is fuzzy value of infiltration of infiltration constructions;
(
x
, ;
y
)
∈
D f
(
x
,
y
)
~
- is GW expense for evaporation; D – is filtration area.
W
(
x
,
y
)
Problem of FDM (1) is solved by specifying appropriate initial and boundary
conditions, determined by the conditions of formation and maintenance of the
GWI. At this the initial condition is:
( )
,( ),
~
h x
,
y
0,
=
ϕ
x y
(
x
, .
y
)
∈
D
~
ϕ
- is a fuzzy function
(
x
, , which is determined by the cards
y
)
where
(
x
,
y
)
hydroisohypses on GWI. At the internal borders of maintenance wells, conditions
have the next form:
∂
∫
=
kh
( ),
ds Q t
Г
к
∂
n
э
where
Г
к
- is the contour of the well;
Q t
)(
э
- is a given consumption.
65
Conditions of the applicability of FDM (1) for the restoration of quality GW
in a single-layer structure of the aquifer are proved. Boundary conditions are
presented in Table 1.
Table.1
.
Technological scheme
Graphical representation
Boundary conditions
Technological
scheme of
formation
( )
( )
,,
tyxh h
=
,
АВГyx ик
=
∈
yxh yxh yxh
),( ,( ); ),(
= =
( ) ( )
∈ ∈
, ,
AByx BCyx
yxh
,( );
yxh yxh yxh
),( ,( ); ),(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
CDyx ADyx
yxh
,( );
Technological
scheme of
maintenance
( )
( )
,,
tyxh h
=
,
=
∈
ВСГyx ик
∂
h
∂
h
∂
h
=
=
=
( ) ( ) ( )
, , ,
∈ ∈ ∈
AByx СDyx ADyx
∂
n
∂
n
∂
n
∂
h
( )
0
=
BCyx
,
∈
∂
n
Technological
scheme of
restoration
( )
( )
,,
tyxh h
=
,
CDГyx ик
=
∈
yxh yxh yxh
),( ),();,(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
AByx BCyx
yxh
);,(
yxh yxh yxh
),( ),();,(
= =
( ) ( )
, ,
∈ ∈
CDyx ADyx
yxh
);,(
The questions of numerical modeling of the processes of restoration of quality
GW in a two-layer structure of the aquifer on the scheme Myatiev-Girin are
considered. For such conditions, the relationships FDM salt modes of groundwater
aquifers and pressure horizonts is based on the fact that the transfer of salts in the
high layer takes place in the horizontal and vertical directions, in the lower layer, in
well conductor layer - in terms, that is in the horizontal direction. Water intake,
consisting of paired wells, works as follows: in the summer brackish water, pumped
by wells of the upper tier, dumped into drains and discharged outside of GWI. In
process of receipt in the well, fresh water is pumped into the water supply system.
For the desalination of highly mineralized GW aquifer of the quaternary sediments
are built power supply circuits (blocks of artificial completion GW).
It should be noted, that the different modes of maintenance of the aquifer leads
to intensive interaction of hydrodynamic and hydro chemical modes of GW both
horizons. Under these conditions, it is necessary to pay special attention to the
protection of the aquifer horizon against penetration of highly mineralized water
from the external boundaries of interacting horizons. On the basis of the accepted
conditions of filtering, mathematic model of relationship of salt models of
groundwater and pressure aquifers is represented as follows:
( ) ( )
∂
c
∂
∂
∂
c
∂
∂
∂
c
∂
'
V c
∂
V
2'
1
'
1
'
1
x
1
n
1
=
D
+
D
−
−
∂
x z
,
(2)
∂
∂
t x c
∂
x z
∂
∂
z
∂
∂
∂
x
( )
''
∂
z
∂
c
∂
c
∂
V c
2 '' 2 '' 2
x
.
2
n
2
=
D
+
D
−
∂
∂
t x
x z
x z
∂
z
∂
x
66
Initial conditions:
с x z c x z c x z c x z
=
Q
=
Q
. (3)
( , )0, ( , ); ( , )0, ( , )
1 2 2
Border conditions:
∂
c
(4)
∂
c
∂
c
∂
c
1
=
=
1 2
2
=
;0 ;0
=
x
= =
Lxx x
= =
Lxx
∂
x
0
∂
x
∂
x
0
∂
x
A
≤
x
≤
C
,
A
≤
z
≤
F
;
F
≤
x
≤
D
,
F
≤
z
≤
E
;
c x z t c x z t
(5)
1
mz
−
=
0
=
2
mz
+=
0
( ,' ),' ( , ), ;
∂
C
∂
C
1
1
2
2
2
1
−
= +=
V C D
. (6)
z
−
z mz z z mz
=
−
1
On
chann
els
∂
z
∂
c
0
1
V C D
2
1
∂
z
0
D
=
−
z z z k
V c c
( )
1
=
(7)
∂
z
0
and wells the condition has the follaving type:
∂
, (8)
c
=
∈
,0 ( , )
∂
where
L
x
L
z
1
x A B n
,
- is the length and height of the aquifer, m- is the border section of
the upper and lower layers; x- is horizontal, and z- is vertical position, while z is
directed downward; C
1
(x, z, t), C
2
(x, z, t) – are the salt concentrations of
groundwater and water under pressure; V
x
, V
z
, V
x
', V'
z
– are the filtration specds;
D
x
, D
z
, D
x
', D
z
' – are the coefficients of convective diffusion of salt; C
1Q
(x, z), S
2Q
(x, z) – are the initial values of salt in the soil and the aquifer; c
n
– is the
concentration of water in the channel, fed for the desalination (cleaning); L
z
– is the
length of the vertical filtering; n
1
, n
2
– is active soil porosity in the respective zones
respectively.
The effectiveness of the realization of technological schemes of formation,
maintenance and restoration of GWI is largely determined by the adequacy of
accounting of FDM of design, type of parameters, and infiltration of water intake
constructions and rational scheme of their relationship.
In the second chapter dissertation "
Computational algorithms for the
implementation of fuzzy-deterministic models of the processes of formation,
maintenance and restoration of underground water intakes"
of thesis are
considered the issues of development of computational algorithms for the FDM
processes of formation, maintenance and restoration of GWI. Are offered an
efficient computational algorithms for the realization of systems FDM geofiltration
and transfer of salts in the flows of GW for the two-dimensional in terms of
filtration area. FDM geofiltrational processes which is carried out by the
formalization of the coefficients, the right parts of the deterministic mathematical
models geofiltration, as well as initial and boundary conditions with the help of
membership functions (MF). Heterogeneity filtration fields in plan and in section is
one of the major causes of instability in the process of numerical modeling
geofiltration. In the dissertation is proposed fuzzy-multiple method of direct rather
67
than indirect account of fuzzy values of the filter coefficients in the transition
zones.
To implement FDM geofiltration (1), which is solved in the quasithree dimensional
formulation is proposed computational algorithm, based on the consecutive
application local and one-dimensional schemes (LDS), vector - difference method
and the method of co-sweep, according to which the filtration D together with
boundary G is covered by a uniform grid area
with the axes
OX
and OY with even pitch:
p
ω
h
=
ω
h
+
ω
+
ω
*
Г h h
,
where
p
ω
h
,
*
ω
h
,
Г
ω
h
- the set of regular, boundary irregular points respectively;
{
(
,
)
; ,0 , ,0
}
,
h i j j
m
i
ϕ
=
x
=
ih y
=
jh i
=
l j
=
(9) where
j
l
,
m
i
– is the number of
nodes on the lines
j
x
and
j
y
respectively.
According to the LDS, solution h at
τ
=
τ
= +
∆
τ
+
к
1
(
k
)1 is determined through
the consecutive solution of the equations:
h
= +
k
≤ ≤
k
= + =
∂
α
∝
α α α
τ τ τ
+
α
( ) ( )
, , ;2,1 ;
L h q
1
q
1
q
2
q
α
∂
τ
~ ~
~ ~
=
xh
∂
∂∂
h
∂
∂∂
11 22
( )
( )
( )
( )
.
L h
K h b
−
∂
x
;
=
L h
x
K h b
−
∂
x
with the initial conditions:
( )
( )
( ) ( )
,,
τ
;
(
(,, )1
τ
)
h
1
=
h x y k h
2
=
h
1
x y k
+
and natural boundary conditions (Fig.1).
Into the grid (9) is entered the differential operator
Λ
α
, approximately replacing
the operator
L
α
, that is
L
α
~
Λ
α
and is passed to the systems of finite difference
equations of the form
τ
h
k
h
k
q
~
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
[ ]
α α α α
σ
α α
σ
α α α
∝
h
k
h
k
+
1
−
/
= Λ
+
1
+
1
−
+
(10) where
σ
α
- is the weight of differential
scheme.
Realization (16) is carried out as follows: Along of the each of lines n
j
is
solved equation the initial conditions at
τ =τ
k
(
α =
)1
. Using the solutions at
τ =τ
k
(
α
=
)1
along of the each line
ξ
i
is solved the equation with corresponding
τ = τ
k
+
1
(
α =
),1
that adopted as a final solution.
At this
L q q
~
α
~
Λ
α
,
α
~
,
∂
k
+
k
h h h
−
( ) ( ) ( )
,
α α α
≈
1
∂
τ τ
∆
~ ~ ~ ~
2
( )
( ( ) )
/ ,
h B h B B h B h h
Λ
k
=
i
+ +
kjikj
−
i
+
kj
+
i
−
kj kji
+
i
− −
kjikj
(11)
1 ,;5,0 ,,1 ,;5,0 ,;5,0 ,, ,,5,0 ,,1
~ ~ ~ ~
2
Λ
2
h
k
=
B
ji
+
,;5,0,
h
+
,,1
kjik
−
B
ji
+
;5,0,
k
+
B
ji
−
;5,0,
k
h
,,
kji
+
B
ji
−
;5,0,
h
−
,1,
kjik
h
( )
( ( ) )
/ ,
~ ~
( )
,
,,
kji
,
ji
,,
kji
,
ji
B
=
k h
−
b
(
, ,
)
,
h
=
h ih jh k
∆
τ
kji
,,
68
Sequence of schemes conventionally
denoted as
( ) ( )
1 2
~
-
~
,
σ σ
Λ
→
Λ
. Here,
ji ji
1 2
k b
, ,
are fuzzy values of the filter coefficients and the distribution of water pressure
plane. For their formalization are applied triangular numbers of type:
k
=
k k l
(12)
p
, ,
f
,
k
p
, ,
f
,
b
b b b l
where
k
,
k
- are the lower and upper of the parameter
k
~
;
b
,
b
- are the lower
and upper limits in the area of change of the parameter
b
~
;
l
, - are the linguistic
estimation of parameters
l
k
and
b
~
in the ranges
k
,[
k
]
and
k b
b
,[
b
]
respectively.
Here
l
∈
L
=
{
l
1
,
l
2
,...,
l
m
}
, (13)
where
L
- are the set of linguistic terms for quantitative estimation of
parameters
k
and
b
~
ordered on the principle from<<less >> to << more>>. To
formalize the parameter values
k
end
b
~
for all points of the grid region
ω
h
is
constructed the information model, according to which, to each point corresponds
an integer number of type ,
7654321
iiiiiii
point cuts which carry relevant information
on membership terms a certain area, the number of the term on (13), linguistic
meanings of a term, the total number of terms.
Further, the fuzzy values of fuzzy parameters for
(
k b
)
~
,
~
on all internal points
ω
n
are calculated by the formula
~
k
i
;
λ
=
k
i
;
λ
+
i
−
k
i
;
λ
−
k
i
;
λ
m
−
,
[
(
1
)
( )
]
/
(
1
)
i
=
1,2,...,
m
.
Realization of the system of difference equations on
α
=
1 and
α
=
2 is carried out
by the sweep method. Previously is carried out linearization of nonlinear
components (11), for this is used the method of simple iteration:
B
kji
+
1,,
≈
B
,,
kji
Then the system (10) is transformed into linear. The computational process is
organized as follows: After lineralization, that is
B
kji
+
1,,
is replaced on
B
,,
kji
, the
h
,
α
=
1.
difference scheme is realized by the sweep method, and is received
kji
+
1,,
The
process of computings will continue as long as the ratio will not be executed
( ) ( )
max , ,0
1,, 1,,
S
S
ε ε
,
+
−
+
< >
h h
ji
ω
kji
kji
∈
h
where s-is the number of iteration.
To implement the differential schemes (10), (11) for
α
=
1,2 are used the next
formulas:
S
+
1
S
+
1
( )
( )
h
jki
A h D
,1
+
= +
, (14)
( )
( )
1,1
+
, 1,,11
ji kji
+ +
ji
S
+
1
S
+
1
( )
( )
h
jki
C h E
, (15)
( )
+
= +
ji
( )
,2 1
+
ji kji
+ + +
1, 1,1,2
1,
where
69
τ
∆
+ +
−
( )
σ
, /
σ σ
A
,1
A
,;5,011
2 1 ,;5,0 ,;5,0 1 ,;5,0
+
ji
=
+
kj
B
i
+
kj
B
i
−
kj
B
i
−
kj
h
∆
τ
( )
( )
σ
,
B D
+
σ
h h
+
−
Λ
1( )
1 ,;5,0
2 ,, 1 1 1
i kj ij kji k
D
ji
=
−
h
+
,1
∆
τ
( )
i kj i kj i jikj
σσ
+ +
−
B B B A
2 1 ,;5,0 ,;5,0 1 ,;5,0 ,
+
− −
h
τ
∆
+ +
−
( )
σ
, /
σ σ
C
1, 2
B
;5,0,
2 2 ,5,0, ;5,0, 2 ;5,0, ,
ji
+
=
ji
+
k
B
ji
+
k
B
ji
−
k
B
ji
−
C
jik
h
∆
τ
( )
( )
σ
,
B E
+
σ
h h
+
−
Λ
1( )
2 ;5,0,
2 ,, 2 2 2
ji k ij kji k
E
ji
1,
+
=
∆
−
τ
h
( )
i kj i kj ji
jik
σ σ
+ +
−
B B B C
2 1 ,;5,0 ,;5,0 ;5,0,1 ,
+
− −
h
у
,
and at
j
=
0
From the boundary conditions at
i
=
0 , along each of the lines
ji
х
are determined
A
ji
;,
D
ji
C
ji
E
,;,;,
ji
.
along each
i
Further, the reverse sweep is performed based on (14) and (15). The problems
of numerical modeling of the hydro geological (geofiltrational, hydro-geochemical)
processes for solving the problem of desalination of highly mineralized water
deposits GW Southern Aral Sea, characterized by complex
geofiltrational-geomigration (heterogeneity filtration in terms of capacity in
filtration regard, the existence of significant gradients of salt concentration, inter
salt exchange, which manifests itself in depending on the mode of maintenance
from different aquifers, etc..) conditions on the basis of FDM are considered. Such
problems are solved on the basis of a mathematical model of the relationship of
hydrodynamic and hydro geochemical modes of groundwater and confined aquifer
horizons (2) - (8), which is implemented through the use of LDS and vector -
difference method. At this, the solution of two-dimensional equations of salt
transfer (4) with the appropriate initial and boundary conditions (2) is reduced to a
sequence solution of one-dimensional differential equations of salt transfer on the
basis of vector-difference scheme. The proposed scheme is implemented in the
form of a complex software on the algorithmic programs in C#. In the third chapter
dissertation "
The development of the information model for the relationship
between the hydrogeological object and its fuzzy deterministic model"
of the
thesis are considered the issues of development of information model of the GWI,
where the main objective - is to establish the relationship between the GWI and its
fuzzy-deterministic model, as well as the organization of computational
experiments (CE) to ensure the possibility of varying the different parameters of
the medium and the boundary conditions in the process of numerical modeling.
The algorithms of formation of information model GWI and its processing are
offered, effective ways of presenting technological components - canals, rivers,
infiltration basins and wells GWI are developed.
Are offered algorithms of Fuzzy presentation of parameters filtration in the
information model. At this the basis of fuzzy representation of geofiltrational
70
parameters constitute triangular fuzzy numbers of triangular and trapezoidal
character. Are offered the algorithms and program code fragments on linguistic
representation of fuzzy parameters GWI, fuzzy interpolation parameters of the
GWI, end taking decisions on the basis of a situation analyze, which results is the
formation of new technological schemes of GWI.
The information model GWI is formed on the basis of the information
technological model GWI in (Fig.1,2,3):
Fig.1. Ground water intake Fig.2.
Information - technological model GWI
Fig.3. Symbolic
representation of GWI
The results of computational experiments on the formation, analysis and
presentation of information models PF and PF, which are an important elements of
the interface and establish the relationship between the object of study (GWI) and
its fuzzy-deterministic model are presented.
The main purpose of information modeling RF and PF is to establish
interconnectivity between the GWI and its FDM - simplify the process of FDM and
the decision-making process, as a complication models geofiltration will result in
raising of requirements to the level of initial information that in an increasingly
technological factors on GWI really cannot be performed. Therefore, resorting to
different character simplifications, in particular, to the system representation of the
hydrogeological system of objects, depending on their function, nature and purpose
of research. GWI is a hydrogeological system consisting of a set of objects (aquifer,
hydrogeological borders, infiltration channels, water wells, etc.), forming a certain
integrity in space and time for the purpose of drinking water supply of the
population.
The thesis proposed computerized system for monitoring the GWI-based
information integration processes FDM GWI and decision-making. Information
base of a computerized monitoring system based on the use of GWI continuous
measurements of the parameters of GWI (levels, salinity and temperature of the
groundwater), allows to exclude a person from the measurement process, in order
to avoid serious mistakes and the human factor.
71
This approach allows you to effectively solve the problem of relevance of data
by continuous measurement of parameters in real time, based on wireless sensor
network (WSN), which allows to collect data on the characteristics of the aquifer
and transfer them to a computerized monitoring system for the GWI.
WSN - a geographically distributed network of unmanned miniature
electronic devices (nodes) that collect data on the characteristics of the
environment and their transfer to the base station via the relay node by node using
wireless [Nitaiagur PM, 2007]. WSN-are on of the perspective trends in the
development of modern telecommunication technologies, which are related both to
the replacement of the cable infrastructure into the radio broadcast, and new
functionality. It should highlight the following features of sensor networks: ability
to self-restoration, and self-organization; the ability to transmit information over
long distances at low power transmitters (by relay); low cost components and their
small size; low power consumption and the possibility of power from independent
sources; Easy installation, no need for laying cables (thanks to the fully wireless
technology and powered by FDM terries); the possibility of installing such
networks at the already exist and operating GWI without additional work; the
ability to manage the infrastructure WSN using a tablet PC;
In the thesis is proposed a computerized monitoring and control system of
GWI based on integration of WSN implemented on the basis of standard IEEE
802.15.4a, which allows to create a wireless data channel with a capacity of tens to
hundreds of Mbit/s. The functioning of a computerized monitoring and control
system states of FDM is carried out as follows: the data received from the sensors
of the sensor network via radio channels are sent to the server system, which
connects the complex programs FDM working on a Tablet PC. This wireless
sensors are installed on the observation wells, river channels and infiltration basins.
In the fourth chapter dissertation
«Technology fuzzy-deterministic modeling
of the processes of formation, maintenance and restoration of underground
water intakes»
of dissertation is devoted to the development of software complex
FVARH, designed for fuzzy-deterministic modeling of hydro geological objects in
conditions of single and double layer structure of the aquifer horizont, based on the
use of locally-dimensional and finite-difference methods.
Complex programs
FVARH is developed in C # and enables the integration of solutions of tasks of
modeling and decision making modeling wit tin the single computing system.
Realization of solutions of specific tasks on the maintenance GWI is carried
out by formation appropriate information flows. The relationship of information
flows of process FDM for specific GWI Karakalpakstan on the basis of FVARH
generally is represented below in the Fig.4.
72
FDM GWI
FVARH
Databases GWI Karakalpakstan Modeling of GWI Presentation of results
ERW Southern Aral Sea
Titles
Construction Type Mode
The data
Identification
Direct problem
Titles GWI
• ID objects • Kegeyli
• Chimbay
• Turtkul
• Biruni
• ⁞
Product Name ERW
• ID objects
Hydrogeology IN objects
Well coordinate Well coordinate
Data input
module
FVARHVV
Input Module fuzzy
initial data
Decision-making Type of building
Titles GWI IO
FVARHFK
• ID objects
• Single-layer
• Double-layer
Identification
• ID objects
• The number of zones of
heterogeneity
• Algorithm fuzzy
distribution
• Results
• Analysis of the results
Direct problem • ID
objects
• Situation Analysis •
Selecting
solutions
• Implementation of
decisions
Modeling
• ID objects
• BAT
• GIS
• BAT-based GIS
• ID objects
• Map
hydroisohypses • Initial
conditions
The data
• ID objects
• Numeric
• Expert
• Verbal
• The images of the object
Mode
• ID objects
• Formation
• Exploitation
• Restoration
ITMP ERW
ITMP ERW
ITMP ERW
Direct problem
• ID objects
•Modeling
• Presentation of the
results of
simulations
• ID objects
• The size of the IR
• Consumption IR •
kordinaty IR
The well location • ID
objects
• The type of hole •
Consumption of wells
• Coordinate with
Numeric
• ID objects
• The report on
Uzbekistan
• Monograph
• The data of
regime
observations
The simulation results
• ID objects
• Table
• Charts
• Map
• 2D 3D image
INFO
The analysis module
information and
technology model
The module
sequencing parallel
computing
VGV
Localization
module
VPR
Module
sweep
VPN
module
delocalization
VRP
Output module source
data
FVARHVIV
The analysis module
information and
technology model
VAR
Fig.4. The circuit of maintenance of complex programs FVARH taking into account the
relationships of information flows in the process of FDM GWI Karakalpakstan
The research process of a specific GWI on the basis presented scheme is
realized in the following order:
1. Is selected the specific GWI in the territory of Karakalpakstan: ID =
{Chimbay, Kegeyli, Turtkul, etc.}.
2. Is determined the type GWI: ID = {streamside, about channel, about (dual
layer formation)}.
3. Operating mode: ID = {formation, maintenance, restoration}.
4. State of the GWI: ID = {on reserves, end quality of GW}.
4.1. Filtration grid area is represented grid area.
4.2. For each point of the grid area are determined the differences between the
values of the levels and degree of mineralization of GW on consecutive time
points:
( ) ( )
−
1
−
1
∆
=
− ∆
=
−
k
k
k
k
k
k
h
ij
h h C C C
ij
; ;
ij
ij
ij
ij
73
i
=
,1
n
;
j
=
,1
m
;
k
,
k
−
1
- are consecutive time points.
~
4.3. Are formed sets of current
( )
k
ij
S
and typical
( )
1
S
situations, where
ji
,
l
1
=
n
⋅
m
- is the total number of the current situations,
2 1 1
l
=
i
⋅
j
– is the total
l
<<
l
.
number of typical situations, where
2 1
~
situations are generation, which do not
4.4. Are formed sets of reference
( )
Э
S
ji
22
,
l
=
i
⋅
j
- is the total number of reference
contain fuzzy equal situations
3 2 2
situations.
The entering of sets typical and reference situations allows significantly to
reduce the amount of information processed.
Assume, are considered RP with step equal to 5m, with the number of points
on the X-axis, n = 30; Y-axis: m = 50, that means, is considered grid area with the
number of points, equal to 30x50 = 1500.
k
∆
h
ij
,
∆
C
- are the signs of situations, that are fazzificated, for example, as
k
~
ij
~
∆
h
=
м с б
,
{ ,, }
follows:
{ ,, }
∆
С
=
н с в
, where м – is <small>, в - is
<High>, н –is
<Low>, с - is <average>, в – is <High>;
~
~
i
1
=
card
∆
h
=
;
( )
3
( )
3
j
1
=
card
∆
h
=
;
3 3 9
l
2
=
i
1
⋅
j
1
=
⋅
=
.
Thus, instead of analyzing the characteristic values on 1500 points is possible
be limited to a situational analysis on
9
l
2
=
typical situations. Using accepted
situations - fuzzy sets, the management GWI state is executed by means of the
following production model type Mamdani:
R1: if there is drop in GW – means big and a low degree of mineralization
means small, state of GWI satisfactory (0.8)
R2: if there is decrease of GW - small and degree of mineralization PV –
means small, state of GWI - means high (0.72)
R3: if there is a decrease of GW - means small and degree of mineralization
GW - means an average, the state of GWI - means satisfactory (0.82) R4: if there is
a reduction of GW – means average and degree of mineralization GW – means an
average, then the state of GWI - means a satisfactory (0.63)
R5: if there is a drop in GW – means big and degree of mineralization GW –
means small, then the state GWI – means have unsatisfactory (0.58) R6: If there is
a decrease of GW – means small and degree of mineralization GW – means
average, then the state of GW - means good (0.85) Realization of fuzzy-production
model (R
1
-R
6
):
1. Levels of truth background
i
- rules are calculated according to the formula
n
= Λ
(
( ) ( )
)
'
α
min max
,
i
A x A x
=
j j ij j
j
1
x
i
x
- is the set of variable definition
j
where
j
x
,
j
=
,1
n
.
2. For each rule are calculated individual outputs:
B
(
y
) (
B
(
y
))
i i i
min ,
'
=
α
74
3. The aggregation is carried out according to the formula:
( )
max
(
( )
,
( )
,...,
( )
,
)
'
B y B y B y B y
=
m
.
'
1
' ' 2
On the results of fuzzy - multiple modeling is selected solution. If the
condition GWI is satisfactory or unsatisfactory with a specific estimation of the
truth, then one of the decisions of warning, localization or restoration nature are
taken.
In the context of almost universal the growing influence of technogenic
factors on hydro geological objects is increased the level of requirements for the
use of data (relevance, efficiency), modeling methods (adequacy, accuracy),
software means (effectiveness, profitability), the organization of data and
conclusions (visibility, clarity, representativeness) etc. This is due to the need to
develop the methodology for modeling of hydro geological processes from the
standpoint of the development of modern information technologies acquisition,
processing and transmission of large amounts of information. In this regard, the
issues of parallelization of computing processes in conditions of solving problems
for a GWI are considered.
The problems, associated with the decomposition process being modeled for a
number of simultaneous tasks on the basis of segmentation on physical processes,
current tasks, on strategies for data management, their visualization, and
computational processes are considered. On the example of justification of the
projects of GWI, are discussed aspects of parallel computing.
Parallel computing is carried by the Threading library C # language. At this,
creating of threading is done by designer class Thread, the host delegate type as a
parameter ThreadStart. At this, to solve this task in a sequential mode it took 83
msec, and solving the task in parallelism obtained 2 msec.
In the fifth chapter dissertation
«The integration of GIS technologies for
fuzzy-deterministic modeling of the formation and maintenance of
underground water intake Kegeyli of Karakalpakstan»
dissertation is devoted
to the integration of GIS technologies into the process of FMD Kegeyli abstraction
of groundwater (KGWI). This approach is the basis for the formation of data
models that characterize the structural and dynamic organization KGWI. In this
context, in this chapter are considered the principles of developing a model for
geographic information FMD territory KGWI.
Hydrogeological conditions of the territory.
Geologically, the site is composed
of Quaternary alluvial deposits, which are underlain by sandstones of Neogene age.
Water-bearing rocks are fine-grained sands of Quaternary age. At a depth of
12-17,0m. lies a layer of loam, which are not ubiquitous. At this FDM conditions
for the formation and maintenance of KVPV involves binding data sources to
geographical coordinates, due to a unique values of geofiltrational parameters at
each grid area KGWI.
75
Technological scheme of artificial formation (AF) and artificial replenishment
(AR) reserves of fresh groundwater (RFG) consists of GWI, including irrigation
and flow channels parallel to the water intake that allows AF and AR reserves of
fresh water. For FDM KGWI GIS based on the first stage is constructed grid model
RF further by introducing data on the location of topological elements is built
information technology KGWI model. GIS modeling of conditions for the
formation and maintenance of Kegeyli GWI provides ample opportunity to create a
system of monitoring and assessment, conditions, which allows to control and
accompany the life cycle of GWI.
At the same time, in the process of FDM conditions of formation and
maintenance of Kegeyli GWI based on the GIS the following tasks on the
construction of the spatial framework for thematic maps are solved: spatial
distribution of geo-filtering parameters; definition of a balance sheet item of the
underground hydrosphere; distribution of initial conditions geofiltration tasks;
distribution of the boundary conditions of groundwater flows. The data thus
obtained - thematic layers, thematic maps are integrated into the computerized
system, based on software complex FVARH, on the basis of which the
computational experiments were conducted to determine the geofiltrational
parameters, initial and boundary conditions.
As a topological elements GIS Kegeyli GWI adopted point (well water
intakes, control points), linear (infiltration channels hydroisohypses, PF borders,
etc.) and area (settlements, areas with a specific and filtration properties, etc.).
Resolves a direct predictive task, the results of which are presented in the form of
thematic GIS layers made up with schemes estimating positions of placement of
topological objects of formation and operation Kegeyli GWI (Ris.5,6).
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Fig.5. Initial conditions Fig.6. The results of CE with maintenance models
The results provide a basis for the prospects of a GIS-based BAT, using the
territorial data model, which allows to simulate the structure, dynamics,
information relations between topological elements of ERW.
76
Integration of GIS for FDM GWI is manifested more in the possibility of
submission as layers GIS model the initial conditions on the level mode and the
degree of concentration of GW, as well as boundary conditions (internal end
external). In this case it is possible to set by the GIS and database system FVARH
different initial boundary conditions and a variety of topological objects with the
required accuracy.
Fig.7. The effectiveness of fuzzy-deterministic approach to GWI under the information of a
different nature.
DNND-deterministic nature of numerical data; SD-statistic data; FQD-fuzzy qualitative
data; FLD-fuzzy linguistic data; FM-fuzzy modeling; DM-deterministic modeling; FSD-fuzzy
stochastic data; FDM- fuzzy deterministic modeling
In the course of investigations of real objects (Kegeyli, Turtkul GWI)
conducted a series of numerical experiments, the results of which provide a basis
for the effectiveness of FDM GWI (Fig. 7).
CONCLUSION
In the course of the research produced the following results: On the basis of the
survey on his doctoral dissertation on the topic "The system of fuzzy deterministic
modeling of the formation and maintenance of the groundwater intake" presented
the following conclusions:
1. Algorithms and program complex fuzzy-deterministic modeling of
hydrogeological objects of groundwater intakes of natural and man-made character
allows to forecast the dynamics of change and estimate groundwater resources with
sufficient reliability.
2. Technology of formation of groundwater resources through the creation of
GWI conditions for one and multi-layer structure of aquifers makes it possible to
operational study of formation of elements of groundwater resources and them
operational management.
3. Are proposed fuzzy deterministic models for the formalization of the
processes of formation, maintenance and restoration of GWI in conditions of a
heterogeneity of filtration area in plan and in section, fuzziness of initial and
77
boundary conditions, uncertainty of operating sources of the surface water and
water wells.
4. Are proposed fuzzy-deterministic mathematical models of filtration and salt
transport in the subsurface hydrosphere to restore groundwater quality GWI, based
on the hypothesis Myatiev - Girinsky, according to which the flow of salts in the
section is taken as a two-dimensional at quasi- two-dimensional considering the
flow of groundwater in interacting layers. Terms of the applicability of such a
mathematical model for the restoration of groundwater quality GWI in conditions
of two-layer structure of the aquifer.
5. The proposed algorithms and complex programs implementing
technological schemes GWI allow reclosure adequately to take into account in the
fuzzy-deterministic mathematical models designs, styles, parameters and
infiltration of water intake structures.
6. Are considered the problems associated with the decomposition of the
modeled process into a number of tasks running simultaneously on the basis of
segmentation into physical processes, tasks, data strategy, visualization and
computational processes. For example, studies of the process of GWI projects, are
examined aspects of parallelism of computing in the process of FDM GWI. The
results of the parallel solution of the problem on the justification of groundwater
sampling mode under various boundary conditions are obtained for the four
options. At the same time, for a consistent solution of this problem it took 83 msec,
and solutions in parallelization mode received 2 msec.
7. The principles, algorithms and program codes for information modeling
GWI, taking into account technological components - canals, rivers, infiltration
basins and wells GWI, allowing to establish the relationship between the GWI and
its FDM, as well as allowing to organize the computational experiments in order to
ensure the possibility of varying the different parameters of environment and the
boundary conditions environment during the numerical modeling.
8. It is proposed an information base for information integration processes of
fuzzy deterministic modeling GWI and decision-making, allowing to organize the
continuous measurements of the parameters of GWI (levels, salinity and
temperature of groundwater), eliminate the human factor from the process of
measurements, to provide relevantness data by of transmission wireless sensor
networks.
9. Are conducted computational experiments on the use of geoinformation
technologies to determine geofiltrational parameters in terms of heterogeneity
filtration on the basis of data on the distribution of groundwater levels and degree
their mineralization, as well as the boundary conditions on the basis of their
registration as a separate thematic layers of GIS GWI model.
78
ЭЪЛОН ҚИЛИНГАН ИШЛАР РУЙХАТИ
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
LIST OF PUBLISHED WORKS
I бўлим (I част; I part)
1. Seitnazarov K.K. Integration of gis technology for fuzzy deterministic
simulation of conditions of operation and maintenance Kegeyli groundwater is
abstracted// «IJRET» Volum 4 Issue 2. – Indiya, 2015. – P.727-735. eISSN: 2319-
1163/pISSN: 2321-7308. (№5) Global Impact Factor, IF=0,897.
2. Seitnazarov K.K., Oteniyazov R.I. Integration into the gis fuzzy deterministic
simulation of hydrogeological objects // European Applied Sciences Volum 11. –
Germaniya, 2015. – P.53-56. ISSN 2195-2183. (05.00.00; №2).
3. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К., Отениязов Р.И. Моделирование
сложных процессов и управление ими в условиях нечеткой информации, 2014
– Ташкент: «Fan va texnologiya», 2015, 300 стр. ISBN 978-9943-998-58-8.
4. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К., Корниенко Е.А. К вопросу принятия
гидрогеологических решений на основе агрегирования нечеткой информации
// Узб. журнал «Проблемы информатики и энергетики». – Ташкент, 2012. – №
4. – С. 71-75. ISSN 2010-7242. (05.00.00; №5).
5. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К. Геоинформационное моделирование
условий формирования и эксплуатации Кегейлийского водозабора подземных
вод // Химическая технология. Контроль и управление. – Ташкент, 2015. – №.
1. – С. 79-83. ISSN 1815-4840. (05.00.00; №12).
6. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К. Обоснование технологических схем
водозаборов подземных вод для однослойных пластов в условиях нечеткой
исходной информации // Химическая технология. Контроль и управление. –
Ташкент, 2013. – № 3. – С. 58-63. ISSN 1815-4840. (05.00.00; №12).
7. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К. Нечетко-детерминированный подход
для обоснования технологии распреснениия подземных вод однослойных
водоносных горизонтов // Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2012. - № 1. – С. 59-62.
ISSN 2010-9857. (05.00.00; №10).
8. Сеитназаров К.К. К вопросу моделирования взаимосвязи между
объектом и ее моделью // Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2014. – №3. – С.101- 106.
ISSN 2010-9857. (05.00.00; №10).
9. Сеитназаров К.К., Отениязов Р.И. Разработка web портала по
моделированию условий функционирования водозаборов подземных вод //
Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2014. - № 2. – С. 3-8. ISSN 2010-9857. (05.00.00;
№10).
10. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К., Отениязов Р.И. Геоинформа ционное
моделирование на основе растровой модели данных гидрогеологических
объектов // Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2014. –№ 4. – С. 62-67. ISSN
2010-9857. (05.00.00; №10).
79
11. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К. Об организации параллельных
вычислений в процессе решения геофильтрационных задач // Вестник ТУИТ.
– Ташкент, 2014. - № 1. – С. 101-106. ISSN 2010-9857. (05.00.00; №10).
12. Сеитназаров К.К., Хабирова Д.Н., Хамитов М.А. Нечетко-детерми
нированное моделирование условий функционирования водозабора ВУ-1 на
ГИС основе// Вестник ТУИТ. – Ташкент, 2015г №2. – С.126-132. ISSN 2010-
9857. (05.00.00; №10).
II бўлим (II част; II part)
1. Usmanov R.N., Seitnazarov K.K. The problem of information model
development for the relationship between hydrogeological object and its fuzzy
deterministic model// The Advanced Science Journal. USA, 2014 –№7. – С.67-73.
ISSN 2219-746X.
2. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К., Отениязов Р.И. Программный
комплекс для решения геофильтрационных задач на основе параллельных
вычислений//
Агентство
по
интеллектуальной
собственности
РУз,
Свидетельство DGU 20150197, 14.07.2015 г.
3. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К., Отениязов Р.И. Программный
комплекс
принятия
решений
на
основе
экспериментов
оценки
корреляционных
отношений
тематических
слоёв//
Агентство
по
интеллектуальной собственности РУз, Свидетельство DGU 20150205,
14.07.2015 г.
4. Seitnazarov K.K., Oteniyazov R.I. Geographic information fuzzy
deterministic modeling of hydrogeological objects// European Applied Sciences:
challenges and solutions, proceedings of the 5
th
International scientific conference.
ORT Publishing. Stuttgart. 2015. P.61-63.
5. Усманов Р.Н., Сеитназаров К.К. Программный комплекс нечетко
детерминированного моделирования гидрогеологических объектов //
Автоматика и программная инженерия. – Новосибирск, 2014. – № 1. – С. 29-
34. ISSN 2312-4997.
6.
Усманов
Р.Н.,
Сеитназаров
К.К.
Нечетко-детерминированные
математические модели процессов восстановления запасов и качества
подземных вод // Наука и мир. – Волгоград, №5(21), 2015 – С. 102-104. ISSN
2308-4804.
7. Усманов Р.Н., Хушвактов С.Х., Сеитназаров К.К., Отениязов Р.И. К
вопросу интеллектуализации процесса математического моделирования
гидрогеологических систем // Проблемы вычислительной и прикладной
математики. – Ташкент, 2015г №2. – С.26-32. ISSN 2181-8460.
8. Usmanov R.N., Seitnazarov K.K. To the issue of forming information
models of natural-anthropogenic objects on the bases of fuzzy-set approach//
Интеллектуальные системы для индустриальной автоматизации: Материалы
Седьмой Всемирной конференции WCIS-2012. - Tashkent, 2012. - P. 200-204.
9. Usmanov R.N., Seytnazarov K.K. Information-modeling system with
intellectualization of the decision making process in conditions of information
80
