Философские позиции гидрогеодинамики В.М. Шестаков

(Заключительная лекция курса «Гидрогеодинамика») 

Гидрогеодинамика — основное теоретическое направление гидрогеологии, связывающее теоретические исследования с решением прикладных задач. Особое значение имеют гидрогеодинамические исследования в решении природоохранных задач, поскольку подземные воды обычно играют определяющую роль в формировании здорового образа жизни человека, проявляющегося, прежде всего, при обосновании рационального использования природных ресурсов с учетом возможных негативных воздействий на природную среду обитания. Уместно связать принципы гидрогеологических исследований с основополагающими философскими — методологическими и этическими — позициями решения прикладных естественнонаучных проблем, особенно имеющих природоохранную направленность.

Методологические позиции гидрогеодинамики

С философских позиций гидрогеодинамика основывается на теоретическом знании, оперирующем с идеальными объектами — математическими моделями. При этом моделиро-вание представляет собой изучение объекта – оригинала – путем создания его копии – модели, замещающей оригинал с определенных сторон, интересующих познание. Таким образом, в методологическом плане ядром гидрогеодинамических исследований является модельное описание гидрогеодинамических процессов, сочетающих вычислительные и логические возможности компьютера с интеллектом человека, так что понимание картины природных явлений осуществляется здесь через модельную реализацию процессов, в проведении которой необходимо предусматривать сочетание логических и интуитивных представлений.

Планирование гидрогеодинамических исследований на объектах

При планировании проведения исследований на конкретных объектах следует исхо-дить из кибернетической схемы взаимосвязей отдельных блоков исследования. Построение такой схемы (следуя, в основном, Н.Н. Моисееву) начинается с составления сценария иссле-дования, включающего выявление динамических воздействий на рассматриваемую систему (водозаборы, источники загрязнения подземных вод), и организующей программы, в которой формулируются целевая направленность и вопросы исследования (поиск по принципу «вопрос-ответ»). Параллельно выбирается теоретическая (гидрогеодинамическая) модель процесса, причем, как правило, используются геофильтрационная и геомиграционная модели в детерминированной постановке. Для количественной характеристики природных условий и задания параметров теоретической модели на начальном этапе используются существующие (архивные и литературные) материалы, составляющие исходный — пассивный банк данных. При этом устанавливаются не только рекомендуемые расчетные значения параметров, но и их пространственная изменчивость.

Банк данных дает информационное обеспечение обоснования гидрогеодинамической (геофильтрационной и геомиграционной) схематизации, связывающей основные позиции моделирования, для которых исходными являются, с одной стороны, понимание гидрогеологических условий и, с другой стороны, создание теоретической модели процесса. Можно утверждать, что достоверность схематизации определяет достоверность последующих расчетов. В ходе обоснования гидрогеодинамической схематизации — в соответствие с теорией идентификации — рекомендуется соблюдать следующие принципы: непрерывности, предусматривающий преемственность решений на разных стадиях разведочных и проектных работ; адаптации, предусматривающий перестройку решений с позиций «самообучения» при росте информации; обратной связи с проектными решениями инженерных задач.

С использованием такого аппарата в соответствии с заданными целями проводятся расчетные действия, на основе которых принимаются управляющие решения. Для сложных объектов информация, содержащаяся в исходном («пассивном») банке данных, обычно оказывается недостаточной. В такой ситуации с использованием разведочных расчетов произ-водится обоснование проведения необходимых полевых работ (опробований и наблюдений) с позиции планирования эксперимента. Результаты этих работ должны дать возможность получения необходимой информации, составляющей «активный» банк данных, с использованием которого осуществляется новый цикл расчетных действий, начиная с корректировки гидрогеодинамической схемы, с выходом на построение расчетной модели.

На этапе формирования теоретической модели следует, исходя из полной («максимальной») модели, обосновать оптимальную («минимальную» или по Н.Н. Моисееву «минимаксную») модель, в которой исключаются те стороны процесса, которыми для решения поставленных задач можно пренебречь. При этом следует исходить из принципа лезвия Оккама — «не умножай сущности без надобности», имея в виду, что, как это следует из теории операций, степень понимания системы обратно пропорциональна числу переменных, фигурирующих в ее описании. «Избыток информации может быть более вреден, чем избыток пищи» (Н.Н. Моисеев).

Следует отметить необходимость возможно более четкой стыковки решения модельных задач с заданием конечных целей исследования (связка «модель — цель»), имея в виду необходимость четкого ограничения ставящихся целей, хотя нельзя отказываться от связывания целей текущего решения и долгосрочного планирования. В процессе проведения гидрогеологического моделирования особое внимание должно быть уделено повышению уровня квалификации и взаимопониманию пользователей и создателей моделей, что требует продуманных организационных решений для осуществления деловых контактов специали-стов различного профиля, вплоть до высшего управленческого звена.

Особенно важным является тщательное обоснование научных прогнозов при изучении многофакторных процессов, проявляющихся при решении природоохранных задач. Такую позицию Н.Н. Моисеев определяет как «экологический императив». В частности, это относится к изучению загрязнения природной среды обитания, особенно имея в виду, что такое прогнозирование нередко проводится в расчете на длительное время и при этом исключается реальная возможность натурной проверки результатов прогнозов с участием прогнозиста.

Модельные эксперименты

Мощным средством количественных исследований является проведение математиче-ского моделирования как имитационной системы, используемой для анализа закономерностей моделируемого (имитируемого) процесса. Поскольку такая операция обычно проводит-ся на вычислительных машинах, то для нее используют название «численный», «вычислительный» или «математический» эксперимент.

Близко к такому содержанию такого рода эксперимента понятие «имитационное мо-делирование системы», которое определяется как воспроизведение процессов, происходящих в системе, с искусственной имитацией случайных величин, от которых зависят эти процессы, с помощью датчика случайных и псевдослучайных чисел. Это понятие возникло в нашей научной литературе как перевод термина «simulation», что объясняется неудобством использования прямого перевода этого слова (симуляция, симулирование), привязанного в русском языке к представлению об обмане. Вместе с тем нельзя не согласиться с Н.Н. Мои-сеевым, критикующим термин «имитационное моделирование» за тавтологию, поскольку слова «имитация» и «моделирование» являются по существу смысловыми синонимами. Поэтому целесообразно, по-видимому, отказаться от использования термина «имитационное моделирование» в пользу термина «модельный эксперимент» (сокращенно «модэкс»).

Основным направлением модельного эксперимента является обоснование оптимальных моделей изучаемых процессов с учетом достоверности модельных решений прогнозных и эпигнозных задач. Такое обоснование осуществляется путем модельного изучения характера развития моделируемого процесса (во времени и в пространстве) в условиях неопределенности исходной информации о параметрах системы. В этом направлении исходной операцией является создание возможно более полной («максимальной») модели изучаемого процесса, за которой признается свойство достаточно достоверного — по крайней мере, с точки зрения поставленной цели — отражения натурного процесса. На такой модели, рассматриваемой уже в качестве «натуры», тестированием в типичных условиях проверяются возможности применения более простых — «минимаксных», по Н.Н. Моисееву, — расчетных моделей.

Выделяются следующие варианты ведения гидрогеодинамического модэкса:

• обоснование принимаемой расчетной («минимаксной») модели (примеры: упрощение мерности структуры потока; оценка роли дисперсии в переносе контаминантов);
• оценка роли влияния различных факторов и параметров на ход изучаемого процесса (пример — влияние проницаемости зоны аэрации на просачивание контаминантов)
• разработка методов решения задач разведочного моделирования, направленного на обоснование методики проведения опытно-фильтрационных работ на конкретных объектах (пример — рекомендации по дизайну опытного куста скважин и режима откачки в безнапорном потоке).

Общий алгоритм модэкса состоит из следующих этапов: разработка математической модели, задание входных данных, выбор плана модэкса, анализ результатов. Следует подчеркнуть значимость на этапе задания входных данных обоснования изменчивости параметров и краевых условий системы (теоретической модели потока), причем эта изменчивость может иметь дискретный и стохастический (вероятностный) характер. Исключительно важна на этом этапе роль специалиста — естествоиспытателя, который должен предельно умело использовать банк данных и знания о природных закономерностях изменчивости свойств исследуемого натурного объекта. Принципиальное значение имеет учет цели решаемой задачи на всех предыдущих этапах модэкса, осуществляемый реализацией обратных связей завершающего этапа с предыдущими этапами модэкса.

Особое направление модэкса представляет обоснование исходных теоретических мо-делей гидрогеодинамических процессов, использующее упрощенные представления о структуре среды. Примером такого решения может служить обоснование закономерностей фильтрации, выявляемых на основании замены реальной структуры поровой среды пучком капиллярных трубок

О нравственных позициях специалиста

В настоящее время развития рыночных (и псевдо-рыночных) отношений в обществе большое значение приобретают этические, нравственные позиции специалистов, обуславливающие их место и роль при решении сложных проблем. «Модернизируя надстроечные ценности, мы должны сохранять и укреплять фундаментальные ценности. Всякая модернизация должна включать нравственное измерение. Иначе, развивая какие-то стороны общественной и экономической жизни, мы будем, что называется, затягивать туже петлю на качестве человеческой жизни» (интервью Патриарха Кирилла на канале ТВ Россия).

Эти соображения особо значимы при решении вопросов природоохранной направ-ленности, когда специалистам нередко приходиться включаться в ситуацию, в которой сталкивается с одной стороны бюрократический энтузиазм чиновников и с другой стороны бурная деятельность зеленого движения. При этом чиновники обычно оказываются более подготовленными с научных позиций, тогда как деятельность «зеленых» нередко более благородна человечески, однако менее подготовлена по существу

Важным при этом является сочетание демократического по форме и компетентного по существу обсуждения такого рода проблем. В таком обсуждении предусматривается необходимость участия профессионалов высокого уровня, для которых свойственно сочетание профессиональной компетентности с нравственной порядочностью, предусматривающей опору на высшие нравственные правила жизни при соблюдении гармонии человека и биосферы, не допускающей переступления через опасные рубежи состояния природы как среды обитания человека. Такую позицию Н.Н. Моисеев называет «нравственный императив», подчеркивая тем самым необходимость при проведении работ и исследований соблюдения высокого уровня культуры и этических норм поведения. В такой позиции предполагается сочетание бескомпромиссной борьбы с ложными необоснованными позициями с благожелательным отношением к каждому работнику. При этом особенно ценятся позиции «гармонителей», стремящихся предотвратить конфликты, находя разумные компромиссные решения.

В формировании нравственных позиций при решении общественно-значимых задач проявляются связи между нравственностью и компетентностью специалиста. Такого рода связи возникают, в частности, когда при прогнозировании результат может сдвигаться к субъективно желаемому («принцип инстинктивного отрицания-признания» по Н.Ф. Раймерсу). Опыт показывает, что в этой ситуации нередко может появляться нравственная неустойчивость специалиста, затрудняющая доказательство научно-обоснованного решения из-за его недостаточной компетентности. В этом смысле уместно сослаться на высказывание Паскаля «Будем учиться хорошо мыслить — вот основной принцип морали».

Соответственно можно утверждать, что при организации природоохранных исследований следует особое внимание уделять участию квалифицированных ученых, которые по своей природе обычно в наибольшей мере отвечают требованию сочетания профессиональной компетентности и нравственной порядочности. «Тот, кто увидел хотя бы издали роскошную гармонию законов природы, куда более расположен пренебрегать своими маленькими эгоистическими интересами, чем любой другой, и это единственная почва, на которой можно строить мораль» (Пуанкаре «Последние мысли»).

Такие, казалось бы, узко специальные соображения имеют принципиальное значение при решении проблемы формирования национальной идеи. В этом направлении приходится преодолевать существующие представления о русском национальном характере, слагающиеся из проявления присущих русскому народу негативных черт. При этом нередко формируется беспрецедентно низкая оценка положения и перспектив России, исходящая из анализа качества современного русского бытия и учитывающая проявление таких национальных недостатков русского человека, как лень, разгильдяйство, неумение жить по закону. «У нас должно быть мужество смотреть правде в глаза и говорить, что по совершенно конкретным историческим и идеологическим причинам оказалось так, что во многом наш человек сегодня не способен как бороться со стрессами, так и встречать проблемы, связанные с ускоренным технологическим развитием» (интервью Патриарха Кирилла на канале ТВ Россия).

В преодолении подобных представлений исключительно важной представляется роль специалистов, обладающих профессиональным мастерством и высокими нравственными качествами, способных играть роль «маяков» по реализации в современном обществе таких традиционных русских ценностей, как труд ради творчества и нестандартность мышления. По-существу, об этом говорил в свое время В.И. Вернадский: «Где искать опору? Искать в творческом акте, в бесконечной силе духа. Надо, чтобы в народе имелись значительные группы людей, которые не ломаются бурей, но творят и создают». В этом отношении естественна необходимость повышения требовательности, которую следует предъявлять к молодым специалистам, выпускаемым в университетах. Плохую и даже посредственную подготовку специалистов уместно рассматривать как предательство общественных интересов деятельности университетов.