Переход от аналогового моделирования к компьютерному дал очевидные технические преимущества, но привел и к негативным последствиям в части снижения требований к квалификации специалистов и геофильтрационного обоснования прогнозов. В период последовательного развития методики и технического оснащения моделирования методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) студенты университетов, обучающиеся по специальности «гидрогеология», в той или иной мере сами составляли схемы и проводили модельные исследования. При этом они обретали навык и на практике понимали смысл известной поговорки о модели, «в которую что положишь, то и получишь». Почти в каждой работе велись поиски повышения точности или удобства решения.
Аналоговое моделирование требовало обобщения всех полученных результатов, составляло содержание заключительного этапа работ. Но как имитационное, разведочное оно применялось и в ходе планирования, и при факторно-диапазонных исследованиях. Компьютерное моделирование в силу трудной доступности ЭВМ требовало несоизмеримо больших затрат времени и участия математиков, которые не сразу чувствовали специфику решаемой проблемы. Решение даже простой задачи в вычислительном центре могло растянуться на месяцы, сопровождалось утомительным выявлением ошибок перфорации карт и не использовалось в учебном процессе. И именно специалистам, прошедшим обучение работы на электроинтеграторах, в дальнейшем пришлось оставить их и изучать математические методы. Препятствием служила их неподготовленность в области программирования и численных методов, ранее не входивших в учебные курсы при подготовке гидрогеологов.
По мере увлечения компьютерным моделированием и с появлением персональных ЭВМ в 1980-е годы к моделированию стали подключаться «компьютерщики» без систематического гидрогеологического образования, опыта стадийных исследований и обоснования геофильтрационной схемы, опытных работ, решения обратных задач, водобалансовых исследований. Появившиеся затем программные продукты даже на маломощных персональных компьютерах создавали иллюзию неограниченных возможностей. Козырями для исполнителя работы являлись две позиции — большее количество узлов в сеточных моделях и использование программы «заграничного» производителя. От исполнителя начинает требоваться одно — включать компьютер и запускать программу. Канонические позиции геофильтрационной схематизации отошли на второй план. На первый план стало выходить бюрократическое требование, касающееся наличия лицензий и сертификации программ, нормативного перечня используемых ими методов. Но творческий, исследовательский характер гидрогеологического моделирования в силу многообразия природных условий не подпадает под разряд нормативных технических расчетов.
Период постперестроечных 1990-х годов разрухи совпал и со стремительным падением качества изысканий, не говоря уже о низкой оплате и убыли научных кадров, часто лучших естествоиспытателей. В сфере изучения гидрогеологических параметров произошла подмена обоснованного опытно-фильтрационного опробования скважин экспресс-определениями по скважинам и в лаборатории. Они могут производиться без специальных затрат, в количестве, требуемом для наращивания сметы, и не нуждаются в квалификации и эрудиции исполнителей.
Структура, границы потока, упругая и гравитационная емкость, инфильтрационное питание, перетекание, сопротивление ложа водотока не могут быть изучены ввиду тех же причин. Эти параметры связаны с длительными работами, с организацией наблюдений, раскинутых по площади, значительно превышающей размеры изучаемого объекта. В конце концов материалы изысканий стали содержать «инкубаторские» таблицы коэффициентов фильтрации и уровни воды, в достоверности которых нет никакой возможности убедиться. Обратная задача, которая должна предварять прогноз, при таком дефиците не только параметров, но и картировочного разведочного материала, не может быть решена.
Изыскания под строительство оказались выхолощенными в гидрогеологической части (инженерно-геологическая часть также вызывает вопросы). Практически нет руководителей подразделений, специализирующихся на фильтрационных исследованиях. Причиной является главным образом потеря исследовательского характера геологических работ. Производство обусловлено недействующими и непригодными даже в период их разработки правилами и нормами. Их разработкой и экспертизой, за редким исключением, занимается чиновник, давно не имеющий отношения к работе на объектах (умеющий ее делать квалифицированный исполнитель редко занимается фискальной деятельностью).
Отдельного внимания заслуживает извращенное понимание экологической стороны проектирования, в котором имеет место и гидрогеологически неразумная концепция, и навязываемое прогнозное моделирование, которое просто не может на основе имеющегося материала быть достоверным (если проводится моделирование, то почему-то считается, что качество прогноза влияния строительного объекта на окружающую среду обеспечено).
Обращение к многозадачным программам моделирования, которые теперь уже разработаны на солидном уровне, в известном смысле имеет и негативные последствия. В первую очередь это возможность не углубляться в тонкости схемы и математической модели и прогонять множество вариантов задач без исследования особенностей структуры потока, параметров и баланса. Как это часто случается, исполнитель становится «заложником» освоенной им системы и пытается использовать ее для решения всех, даже не подходящих для нее задач. В том же случае, когда требуется решить задачу с другим характером потока или процесса, навыки использования полученных знаний по гидрогеологическим расчетам, то есть по самостоятельной разработке модели, оказываются потерянными.
Отмеченные негативные черты еще больше усиливаются формализацией самого смысла и места применения гидрогеологических работ и моделирования, сужением круга занимающихся ими специалистов. Это определяет необходимость вернуть в учебный процесс и в обиход научных исследований практику моделирования с использованием самостоятельно разработанных программ для численного и аналитического решения задач исходя из потребностей каждого конкретного исследования (студенческой или проектной работы), давая свободу в выборе средств программирования.
В профессиональное обучение будущих гидрогеологов на вариативной основе должны быть включены вопросы научного программирования, разработки программ как индивидуального инструмента исследователя, который особенно необходим при крупномасштабных инженерно-гидрогеологических исследованиях для проектирования гидротехнических, подземных, противофильтрационных, дренажных сооружений, опытных и эксплуатационных скважин. В процессе программирования и тестирования алгоритма работы программы особенно ощущается значимость параметров и природа исследуемого процесса, неизбежно появляется стимул совершенствования и расширения знаний.
Практика навязывания (ведомственными инструкциями, экспертизой, заказчиками и пр.) обязательной дорогостоящей сертификации программ, используемых в гидрогеологических работах, и поголовного использования программ монопольного производителя незаконна и губительна по отношению к преемственности отечественной школы и творческой инициативе специалиста. Программное обеспечение не входит в «Единый перечень продукции, подлежащей обязательной сертификации», утвержденный Правительством РФ. Формулировка «сертификат соответствия» никак не применима к системе гидрогеологического моделирования. Если программа неверна, ошибочность расчета скажется уже при тестировании решения в процессе ее разработки как средства автоматизации. Выбор же неправильной или устаревшей теоретической модели не устроит ни исполнителя, ни заказчика.
На практике инженерное решение или прогнозирование природных явлений не заканчивается расчетом на модели гидродинамических характеристик или идентификацией геофильтрационных параметров. Для этого требуется решение преемственной задачи, например, оптимизации водопонижения, консолидационной осадки поверхности земли при рекультивации или под влиянием откачки, оценки устойчивости оползневого склона с сооружениями под влиянием подземных вод, расчета дренажа. Поэтому имеет практическое значение дальнейшее развитие гидрогеомеханики как фундаментальной базы инженерной гидрогеологии в области разработки методики гидрогеологических исследований, включая теперь и основные позиции научного программирования.
Современная практика инженерных изысканий включает в себя гидрогеологические исследования как вид работ наряду с изучением геологического строения, определением физико-механических свойств грунтов, геофизикой, геодезией и т.д. Гидрогеология строительства вместе с тем имеет свои задачи, методы исследования, требования к производству полевых работ и к размеру изучаемой территории. Гидрогеологические работы требуют особого регламента бурения (способа, типа, глубины, особых условий отбора проб и измерений), связаны с необходимостью проведения режимных наблюдений и длительных опытов по скважинам. И, главное, эти исследования имеют свое прикладное назначение, востребованность в задачах проектирования, связанных с выбором конструктивных решений и обоснованием экологической безопасности строительства.
Задачи гидрогеологических исследований в строительном проектировании (включая и собственно изыскания, и прогнозное моделирование) связаны с другими видами изыскательских работ — инженерно-геологических, геофизических, геодезических и гидрологических. Но они всегда имеют характер самостоятельных проблем.
От результатов изысканий в части гидрогеологических исследований зависит корректность прогноза — гидродинамического, гидрогеомеханического, геомиграционного — в зависимости от задач строительного проектирования. В свою очередь, и достоверность инженерного решения в проекте является следствием степени обоснованности модели того или иного типа, то есть зависит от результатов изучения гидрогеологических условий и параметров как в процессе изысканий, так и на стадии камеральных работ, включающих на завершающей стадии прогнозное моделирование.
Для повышения эффективности изысканий представляется целесообразным возврат к их стадийной организации в части гидрогеологических работ — выделении предварительных и рабочих изысканий. На первой стадии необходимо проводить быстрые пробные изыскания, уделяя серьезное внимание обязательному сбору и анализу архивных материалов. Это позволит создать геофильтрационную модель участка с сооружением, рассмотреть альтернативные варианты для предотвращения возможных негативных явлений, сформировать задачи и объем дальнейших изысканий или же остановиться на полученном результате. Последующая рабочая стадия, включающая целевое бурение, опытно-фильтрационные работы, режимные наблюдения, специальные работы, а также детальное моделирование, в этом случае обретает характер осмысленного и гораздо более качественного исследования.
ЛЕХОВ М.В.
Ведущий научный сотрудник геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.