Математическое моделирование почвенных процессов с использованием открытого программного обеспечения

В настоящее время задача построения цифровых двойников различных природных и технических объектов является актуальной задачей. В работе рассматриваются возможности открытого ПО для разработки цифровых двойников почвенных процессов. Облачная платформа для проведения научных исследований может быть спроектирована и создана на базе аппаратно-программного комплекса, куда входят такие компоненты как сервера, система хранения данных, сетевое оборудование, стек системного программного обеспечения, виртуальные машины, микросервисы и другие элементы. Облачная платформа может быть выступать основной для проектов разработки цифровых двойников. В качестве исходных данных для построения цифрового двойника почвенных полей могут выступать метеорологические данные, данные по цифровому рельефу местности, данные по физико-химическому составу почвы, данные по сельскохозяйственным культурам, синтетические данных. В статье рассматриваются возможности открытых программных комплексов ParFlow, OpenFOAM, Paraview для моделирования почвенных процессов с использованием уравнения Ричардса для однофазной среды. Физическое моделирование проведено для случаев задания модельных почвенных полей с заданной проницаемостью и пористостью среды. В результате расчета получены поля влагонасыщенности, гидростатического напора, скорости движения влаги. В одной из модельных задач также исследовалось влияние наличия скважины на поле давления. Базовая расчетная сетка включала в себя 288 000 расчетных ячеек. Типовые расчеты проведены на вычислительном кластере ИСП РАН. Один типовой расчет запускался на 12 ядер и выполнялся по времени около 20 минут. Визуализация результатов расчета выполнена в пакете Paraview с использованием технологии фильтров и программных скриптов на языке программирования Python.

1. VanDerHorn E., Mahadevan S., Digital Twin: Generalization, characterization and implementation, Decision Support Systems, Volume 145, 2021, 113524.

2. Ariesen-Verschuur N., Verdouw C., Tekinerdogan B., Digital Twins in greenhouse horticulture: A review, Computers and Electronics in Agriculture, Volume 199, 2022, 107183.

3. Zeng Y and Su Z. Digital twin approach for the soil-plant-atmosphere continuum: think big, model small. Front Sci. 2024, 2:1376950.

4. Condon L. E., Maxwell R. M. Implementation of a linear optimization water allocation algorithm into a fully integrated physical hydrology model. Advances in Water Resources, 2013, 60:135–147.

5. Condon L. E., Maxwell R. M. Feedbacks between managed irrigation and water availability: diagnosing temporal and spatial patterns using an integrated hydrologic model. Water Resources Research, 2014, 50:2600–2616.

6. Horgue P., Soulaine C., Franc J., Guibert R., Debenest G. An open-source toolbox for multiphase flow in porous media. Computer Physics Communications, 187:217–226, 2015.

7. Horgue P., Renard F., Gerlero G.S., Guibert R., Debenest G. porousMultiphaseFoam v2107: An open-source tool for modeling saturated/unsaturated water flows and solute transfers at watershed scale,

8. Computer Physics Communications, Volume 273, 2022, 108278.

9. Romanova D., Strijhak S., Koshelev K., Kraposhin M. Modeling the Reservoir Flooding Problem Using the Extended Version of the PorousMultiphaseFoam Library. 2019 Ivannikov Ispras Open Conference (ISPRAS). 05-06 December 2019, DOI: 10.1109/ISPRAS47671.2019.00025.

10. Пачепский Я.А. Математические модели процессов в мелиорируемых почвах. Изд-во Моск.ун-та, 1992.85 с.

11. Шеин Е.В. Курс физики почв. Изд-во Моск.ун-та, 2005. – 432 с.

12. Шеин Е.В., Рыжова И.М. (2016). Математическое моделирование в почвоведении. Учебник. – И.: Изд-во ИП «Маракушев» , 2016. – 400 с.

13. Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. Изд. ФИЗМАТЛИТ. 2001. 608 с.