TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
Studijní program: N 2612 – Elektrotechnika a informatika Studijní obor: 1802T007 – Informační technologie
Vytvoření pravděpodobnostní mapy
transportujících se látek z úložiště radioaktivních odpadů na povrch oblasti
The Creation of the Probability Map of
Transporting Substances from the Repository of the Radioactive Waste to the Surface of the Area
Diplomová práce
Autor: Bc. Zdeněk Salaba
Vedoucí diplomové práce: Ing. Josef Chudoba, Ph.D.
V Liberci 3. 1. 2011
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
Ústav nových technologií a aplikované informatiky Akademický rok: 2010/2011
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
Jméno a příjmení: Bc. Zdeněk Salaba
studijní program: N 2612 – Elektrotechnika a informatika obor: 1802T007 – Informační technologie
Vedoucí katedry Vám ve smyslu zákona o vysokých školách č.111/1998 Sb.
určuje tuto diplomovou práci:
Název tématu: Vytvoření pravděpodobnostní mapy transportujících se látek z úložiště radioaktivních odpadů na povrch oblasti.
Zásady pro vypracování:
1. Seznámení se, se softwarem Flow123D, problematikou výstupních textových souborů a souvislostí s řešenou analýzou bezpečnosti.
2. Zjistit a ověřit kompletnost povrchových elementů. Úprava vstupních dat.
3. Vytvořit software, který zobrazí pravděpodobnostní mapu oblasti se statistickým vyhodnocením nadlimitních koncentrací transportující se látky.
Rozsah grafických prací: dle potřeby dokumentace Rozsah průvodní zprávy: 50 - 70 stran
3 Seznam odborné literatury:
[1] SEVERÝN O., HOKR M., KRÁLOVCOVÁ J., BŘEZINA J., KOPAL J., TAUCHMAN M., Flow123D Numerical simulation software for flow and solute transport problems in combination of fracture network and continuum, TUL Liberec, Liberec, 2008. 22 s.
[2] CHUDOBA, J., Modelování toků pomocí softwaru Flow123D se započtením nejistot vstupních parametrů - případová studie, SIMONA 2009. (Sborník semináře Simulace, modelování a nejrůznější aplikace, Liberec 2009.), Technická univerzita v Liberci, Liberec, 2009, 52-58. ISBN 978-80-7372-543-3.
[3] CANTÚ Marco, HYNEK Jiří, Myslíme v jazyku Delphi 7: knihovna zkušeného programátora. 1 vydání. Praha Grada, 2003. 578 s. ISBN 80-247-0694-6
[4] BRIŠ R., Inovační metody pro ocenění spolehlivosti prvků a systémů, Technická univerzita Ostrava, Ostrava, 2007. 186 s. ISBN 978-80-248-1596-1
Zprávy TUL pro SÚRAO především:
[5] KRÁLOVCOVÁ J, KOPAL J., MARYŠKA J., CÍSAŘOVÁ K., Výpočet scénářů vývoje migrace vybraných radionuklidů, Dílčí závěrečná zpráva (DZZ 4.6.) projektu
„Výzkum procesů pole vzdálených interakcí HÚ vyhořelého jaderného paliva a vysoce aktivních odpadů“. TU Liberec, Liberec, 2009, 28 stran.
[6] MARYŠKA, J., KRÁLOVCOVÁ, J.: Výzkum programových prostředků pro identifikaci středních rychlostí migrace radionuklidů, Dílčí závěrečná zpráva (DZZ 2.7.) projektu „Výzkum procesů pole vzdálených interakcí HÚ vyhořelého jaderného paliva a vysoce aktivních odpadů“. TU Liberec, Liberec, 2008, 51 stran.
Vedoucí diplomové práce: Ing. Josef Chudoba, Ph.D.
Zadání diplomové práce: 13.10.2010
Termín odevzdání diplomové práce: 3.1.2011
L.S.
... ...
Vedoucí ústavu Děkan
V Liberci dne
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).
Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé DP a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé diplomové práce (prodej, zapůjčení apod.).
Jsem si vědom toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
Datum: 3. 1. 2011
Podpis:
5
Poděkování
Rád bych touto cestou poděkoval všem, kteří se zasloužili o vznik mé diplomové práce a předali mi své bohaté znalosti a zkušenosti.
Především bych rád poděkoval vedoucímu mé diplomové práce Ing. Josefu Chudobovi, Ph.D. za odborné vedení práce, cenné rady a připomínky.
Tato diplomová práce byla zrealizována díky finanční podpoře projektu MŠMT.
Výzkumná centra číslo 1M0554 s názvem „Pokročilé sanační technologie a procesy“.
Abstrakt
Tato diplomová práce se zabývá stanovením a vyhodnocením koncentrací transportujících se látek z lokality hlubinného úložiště radioaktivního odpadu. Jako testovací sledovaná lokalita hlubinného úložiště radioaktivních odpadů, byla zvolena hypotetická oblast Melechov.
Hlavním cílem této diplomové práce je vytvoření aplikace, která graficky zobrazí množství koncentrace (mapa) vyskytující se na povrchu sledované oblasti.
Aplikace bude zároveň sloužit k vyhodnocení množství koncentrace vyskytující se na povrchu sledované oblasti hlubinného úložiště radioaktivních odpadů. Jako vstupní data slouží soubory, vygenerované programem Flow123D, které byly získány z náhodných realizací. Data z programu Flow123D slouží jako vstupní informace pro vyhodnocení koncentrací. Vstupní data je nutné před vykreslením mapy setřídit, pomocí k tomuto účelu vytvořené aplikace (Úprava vstupních dat).
Klíčová slova: Hlubinné úložiště, Radioaktivní odpad, Flow123D, Melechov, Delphi
Abstract
This diploma thesis deals with identifying and assessment of transporting substances from the deep repository of the radioactive waste to the surface of the area.
As a testing monitored location of deep repository of the radioactive waste was chosen the hypothetic area Melechov.
The main goal of this diploma thesis is to create software which graphically shows amount of concentrations (map) occurs on the surface of monitored area. The application will be used for assessment of amount of concentrations occurs on the surface of monitored deep repository of the radioactive waste. As the entering data are used files, which have been generated by the Flow123D application, the data were got of random implementations. The data of the program Flow123D are used as input information for assessment of concentrations. The entering data are needed to be sorted by the application which has been created for this purpose (Adjustment of input data).
Keywords: Deep repository, Radioactive waste, Flow123D, Melechov, Delphi
7
Obsah
Prohlášení ...4
Poděkování ...5
Abstrakt ...6
Obsah ...7
Seznam obrázků ...9
Úvod ... 10
1 Problematika nakládání s radioaktivními odpady ... 12
1.1 Ukládání radioaktivního odpadu ... 12
1.2 Hlubinné úložiště radioaktivního odpadu ... 13
2 Popis programu Flow123D ... 16
2.1 Vstupní soubory programu Flow123D ... 16
2.2 Vstupní parametry pro výpočet simulace ... 16
3 Lokalita hlubinného úložiště Melechov ... 18
3.1 Geologie a hydrologie oblasti ... 19
3.2 Metodika výzkumu ... 20
3.3 Regionální model oblasti ... 20
3.4 Výpočetní síť ... 20
3.4.1 Fyzikální vlastnosti prostředí ... 22
3.4.2 Okrajové podmínky proudění ... 22
3.4.3 Okrajové podmínky transportu ... 22
3.4.4 Počáteční podmínky transportu ... 23
3.4.5 Zdroj kontaminace ... 23
3.4.6 Nastavení programu Flow123D pro generování ... 23
3.5 Generování výstupních souborů ... 24
3.5.1 Úprava výstupních souborů z Flow123D ... 24
4 Tvorba software ... 26
5 Software pro úpravu vstupních souborů ... 27
5.1 Struktura adresářů a souborů ... 27
5.2 Popis a vzhled software pro úpravu vstupních souborů ... 29
5.3 Vyhledání vstupních souborů ... 30
5.4 Načtení všech vstupních souborů ... 31
5.5 Setřídění koncentrací... 33
6 Software pro vykreslení povrchové mapy koncentrací ... 37
6.1 Vzhled software Mapa ... 37
6.2 Načtení souboru se souřadnicemi ... 37
6.3 Načtení souboru s povrchovými elementy ... 40
6.4 Načtení setříděných souborů s koncentracemi ... 41
6.5 Vykreslení mapy koncentrací ... 43
6.6 Vyhodnocení mapy koncentrací ... 48
Závěr ... 49
Literatura ... 50
Seznam příloh ... 52
Příloha A – Možnosti objektově orientovaného programování ... 52
Charakteristické znaky prostředí Delphi ... 52
Vývojové prostředí ... 52
Paleta komponent ... 53
Objektově orientované programování ... 54
Příloha B – Konfigurace souboru Flow.ini pro melechovskou oblast ... 55
Příloha C - Seznam elementů sousedící s povrchem ... 57
Příloha D – Obsah přiloženého cd ... 61
9
Seznam obrázků
Obrázek 1: Zvažované lokality pro hlubinné úložiště radioaktivních odpadů v ČR ... 14
Obrázek 2: Koncept hlubinného úložiště v ČR [5] ... 15
Obrázek 3: Zobrazení přibližného umístění melechovského masivu... 18
Obrázek 4: Geometrie modelované oblasti ... 21
Obrázek 5: Ukázka struktury dat v souboru „mm_t.pos_new.txt“ ... 25
Obrázek 6: Adresářová struktura ... 28
Obrázek 7: Ukázka menu pro ovládání programu úpravu vstupních dat ... 29
Obrázek 8: Vyhledání souboru s povrchovými elementy ... 30
Obrázek 9: V hlavním okně ukázka načtení vstupního souboru, vpravo v okně seznam všech vyhledaných vstupních souborů ... 31
Obrázek 10: Struktura dat souboru „HelpFile200.txt“ ... 32
Obrázek 11: Zobrazení dat z posledního uloženého souboru „Helpfile2140.txt“ ... 33
Obrázek 12: Struktura dat v setříděném souboru „SortedFile200.txt“ ... 35
Obrázek 13: Okno programu pro úpravu vstupních dat po dokončení třídění dat ... 36
Obrázek 14: Struktura vygenerovaného souboru mm_t.pos z programu Flow123D ... 38
Obrázek 15: Načtení souřadnic uzlů a elementů ... 39
Obrázek 16: Chybová hláška při zadání špatného souboru s uzly elementů a jejich souřadnic ... 40
Obrázek 17: Ukázka načtených povrchových elementů a souřadnic bodů pro vykreslení mapy koncentrací ... 41
Obrázek 18: Nalezení koncentrací odpovídajících 5 000 let a 50 % ... 43
Obrázek 19: Barevná stupnice radioaktivity použitá v aplikaci Mapa ... 45
Obrázek 20: Vykreslená mapa koncentrací ... 46
Obrázek 21: Vykreslená mapa bez posledních 540 povrchových elementů ... 47
Úvod
Hlavním cílem této diplomové práce je vytvoření aplikace pro vykreslení mapy transportujících se látek z úložiště radioaktivního odpadu na povrch oblasti. Tato mapa je využitelná pro analýzy rizik, u kterých je nutné prokázat jejich bezpečnost. Jako testovací data pro vytvořenou aplikaci slouží soubory vygenerované programem Flow123D ze sledované hypotetické lokality hlubinného úložiště Melechov.
Ze vstupních dat byly následně jednoúčelovým programem vybrány pouze povrchové elementy, tento program byl již dříve vytvořen v rámci ročníkového projektu. [14]
Úvodní část práce obsahuje seznámení s radioaktivním odpadem, kde všude takový odpad vzniká a jaké jsou možnosti s jeho dalším nakládáním. V kapitole je také popsán současný stav ukládání radioaktivních odpadů v ČR a zároveň i koncept budoucího hlubinného úložiště radioaktivních odpadů v ČR.
Kapitola 2 je zaměřena na popis simulačního programu Flow123D, který slouží k popisu sledované oblasti hlubinného úložiště a ke generování vstupních dat (v našem případě z melechovské oblasti), bez těchto výsledků by nebylo možné tuto diplomovou práci zpracovat. V kapitole je uveden popis nastavení parametrů pro výpočet v programu Flow123D.
V následující kapitole je uveden popis sledované melechovské oblasti, která byla zvolena jako jedna z vhodných oblastí pro uložení vyhořelého jaderného paliva.
V lokalitě byly v rámci projektů SÚRAO (Správa úložišť radioaktivních odpadů) provedeny výzkumné vrty, na jejichž základě byl vytvořen model sledované oblasti.
V kapitole je uveden základní popis geologie a hydrogeologie sledované oblasti, včetně popisu vytvoření modelu oblasti. Dále je v kapitole uveden popis jakým způsobem probíhalo generování souborů z programu Flow123D a následná úprava dat jednoúčelovým programem [14], který dle předem definovaného seznamu vybere ze všech elementů hlubinného úložiště pouze povrchové elementy.
Před popisem vytvořených programů v rámci této diplomové práce následuje stručný úvod do programování v prostředí Delphi (viz. kapitola 4), v němž byly aplikace naprogramovány. Konkrétní možnosti objektově orientovaného programování a používání komponent programového prostředí Delphi jsou uvedeny v příloze A.
Před vytvořením pravděpodobnostní mapy transportujících se látek z úložiště radioaktivních odpadů na povrch oblasti bylo nutné uspořádat vstupní data dle
11 jednotlivých koncentrací. Kapitola 5 je zaměřena na popis programu pro setřídění vstupních dat, který byl v rámci této diplomové práce naprogramován.
Popis vytvořené aplikace pro vykreslení mapy transportujících se látek z úložiště radioaktivního odpadu na povrch sledované oblasti je uveden v kapitole 6.
V této části jsou popsány vykreslené mapy ze sledované melechovské oblasti hlubinného úložiště radioaktivních dopadů, včetně zhodnocení grafických výsledků a popisu dalšího možného budoucího využití aplikace.
Naprogramované aplikace v rámci této diplomové práce umožňují pracovat i s jinými typy sledovaných oblastí než se zde uvedenou melechovskou oblastí.
To znamená, že lze řešit i úlohy starých ekologických zátěží či modelování bezpečnosti a rizik nově budovaných děl, například skládek či úložišť.
Nejedná se tedy o programy, které by byly použitelné pouze pro jeden typ testované oblasti, ale umožňují řešit i další problémy.
1 Problematika nakládání s radioaktivními odpady
Radioaktivní odpady se vyskytují ve všech odvětvích, kde se pracuje s radioaktivními látkami.
Jednu skupinu radioaktivních odpadů tvoří odpady vznikající v jaderné energetice. Jedná se o nejrůznější kapaliny, kaly (pevné nebo roztoky), pomůcky a materiály, které přišly při provozu jaderné elektrárny do kontaktu s radionuklidy1, a v budoucnu také o vyhořelé jaderné palivo. [1, 2]
Druhou skupinu tvoří takzvané institucionální odpady, jež vznikají ve zdravotnictví, průmyslu, zemědělství či výzkumu. Mohou to být např. staré měřicí přístroje a radioaktivní zářiče, znečistěné pracovní oděvy, látky, papír, injekční stříkačky atd. [1]
V České republice je evidováno několik set původců institucionálních radioaktivních odpadů. Radioaktivní odpady se obvykle dělí podle aktivity (a z ní vyplývající míry nebezpečnosti pro okolí) na přechodné, nízko, středně a vysokoaktivní odpady. Zneškodnění nízko, středně a vysokoaktivních odpadů spočívá v zabezpečení jejich úplné izolace od životního prostředí, a to po celou dobu, po kterou mohou pro člověka a jeho životní prostředí představovat riziko.
Této izolace radioaktivních odpadů je dosaženo v úložištích, v nichž soustava vzájemně se doplňujících a na sobě nezávislých bariér brání uvolnění nebezpečných látek do okolí. Radioaktivní odpady je třeba udržet pod kontrolou tak dlouho, dokud jejich radioaktivita neklesne v důsledku samovolného rozpadu na úroveň vylučující ohrožení jakékoliv složky biosféry. [1]
1.1 Ukládání radioaktivního odpadu
Ukládání radioaktivních odpadů má více než šedesátiletou historii. Během počátečního období jaderného zbrojení, a především v důsledku prudkého rozvoje jaderných elektráren v šedesátých a sedmdesátých letech minulého století, se radioaktivní odpady počaly hromadit a odborná veřejnost byla postavena před otázku
1 Radionuklid - druh atomů, které mají stejný počet protonů, stejný počet neutronů, stejný energetický stav a které podléhají samovolné změně ve složení nebo stavu atomových jader. [15]
13 kam je umístit, aby nemohly negativně ovlivňovat člověka a jeho životní prostředí.
Zneškodňování nízko a středněaktivních odpadů bylo brzy úspěšně vyřešeno, a to jejich ukládáním do přípovrchových úložišť.
V České republice jsou v provozu tři taková zařízení.
• Richard – Litoměřice
• Bratrství – Jáchymov
• Dukovany
O vyhořelém jaderném palivu a vysokoaktivních odpadech se soudilo, že jejich okamžité odstraňování není zapotřebí a že je nejprve nutné prošetřit i jiné možnosti, jak se těchto materiálů zbavit. Konkrétní práce na hledání možných způsobů zneškodňování v některých zemích byly zahájeny počátkem sedmdesátých let uplynulého století. I když se dopředu tušilo, že nejvhodnější variantou bude ukládání těchto materiálů do hlubinných podzemních vrstev, zkoumaly se i některé jiné možnosti. Ty se však po důkladnějších rozborech ukázaly jako nevhodné, např. ukládání radioaktivního odpadu do věčně zmrzlé půdy, ukládání do moře a pod mořské dno, ukládání do antarktických ledovců. [3]
Všechny vyjmenované možnosti byly zamítnuty a jako nejvhodnější se jeví ukládání radioaktivních materiálů do hlubinných podzemních vrstev.
1.2 Hlubinné úložiště radioaktivního odpadu
Experti z celého světa se shodli na tom, že nejvhodnějším místem pro uložení vyhořelého jaderného paliva a vysokoaktivních odpadů budou hlubinné geologické formace v takzvaném hlubinném nebo geologickém úložišti. Spolu se systémem inženýrských bariér jsou schopny zajistit dostatečnou izolaci od okolního životního prostředí po desítky tisíců až set tisíců let, kdy klesne rizikovost odpadů na přírodní úroveň. [4]
Úspěšná příprava hlubinného úložiště vyžaduje splnění několika podmínek.
Vedle zajištění potřebných finančních prostředků musí být vyřešeny technické záležitosti výstavby a provozu úložiště, především také musí být prokázáno, že uložené materiály budou bezpečně izolovány od biosféry. To vše je nutné k nalezení lokality s vhodnou hostitelskou horninou. V neposlední řadě je nezbytné, aby pro záměr vybudovat úložiště byla získána veřejnost, včetně státních orgánů, místních obyvatel, jakož i všech dalších dotčených a zainteresovaných stran. [4]
V ČR v současné době probíhá výběr vhodné lokality pro hlubinné úložiště radioaktivních odpadů. Jsou zvažovány tyto následující lokality:
• Březový potok (lokalita se nachází v Plzeňském kraji)
• Čihadlo (lokalita se nachází v Jihočeském kraji)
• Horka (lokalita se nalézá v kraji Vysočina)
• Čertovka (lokalita se nachází v Plzeňském kraji)
• Magdaléna (lokalita se nachází v Jihočeském kraji)
• Hrádek (lokalita se nalézá v kraji Vysočina)
Na obrázku 1 je zobrazena mapa ČR s vyznačenými lokalitami možného budoucího hlubinného úložiště radioaktivních odpadů.
Obrázek 1: Zvažované lokality pro hlubinné úložiště radioaktivních odpadů v ČR
Hlubinné úložiště pro vysokoaktivní odpady a vyhořelé jaderné palivo se bude skládat ze tří částí:
• podzemních prostorů pro ukládání a manipulaci s kontejnery s vyhořelým palivem a vysokoaktivními odpady,
• přístupových šachet a tunelů,
• nadzemního - povrchového areálu.
Koncept hlubinného úložiště radioaktivních odpadů je uveden na obrázku 2.
15 Obrázek 2: Koncept hlubinného úložiště v ČR [5]
Více informací ohledně plánovaného hlubinného úložiště radioaktivního odpadu v ČR je možné nalézt na webových stránkách Správy úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO) [6].
2 Popis programu Flow123D
Program Flow123D je určen pro simulaci proudění podzemních vod v saturovaném prostředí. Jeho výpočetní prostředí je naprogramováno v jazyce Borland C++. Tento software je v současné době využíván pro tvorbu matematických modelů zabývajících se analýzou toků a transportu kontaminace.
Simulační program Flow123D generuje soubory, které slouží k popisu sledované oblasti hlubinného úložiště (v našem případě melechovského masivu).
Vygenerovaná výpočetní síť oblasti a další popsané geologické a hydrogeologické vlastnosti jsou uvedené v kapitole 3 a poslouží jako vstupní data pro generování výstupních souborů z programu Flow123D.
2.1 Vstupní soubory programu Flow123D
Simulační program Flow123D potřebuje pro výpočet proudění následující vstupní soubory:
• *.msh – geometrie sítě oblasti,
• *.mtr – informace o materiálových konstantách elementů v síti,
• *.bcd – okrajové podmínky proudění,
• *.ngh – soubor sousedností,
• *.ini – obsahuje vstupní parametry pro výpočet simulace.
2.2 Vstupní parametry pro výpočet simulace
Pro lepší orientaci v souboru *.ini, který obsahuje vstupní parametry pro výpočet simulace, je v této práci uveden zkrácený popis některých z nich. Soubor je rozdělen na 8 sekcí, každá sekce má své vstupní parametry [7].
• Global
o Problem_type - typ řešeného problému (možnost zadání 1 či 0)
1 = stejnorodé nasycení
0 = různorodé nasycení
o Description - krátký popis řešené úlohy
o Stop_time - časový interval řešeného problému
o Save_step - čas kdy mají být výstupy simulace uloženy
• Input - obsahuje jména souboru se vstupními daty viz. kapitola 2.1.
17
• Transport
o Concentration - jméno souboru obsahující koncentrace
o Transport_out - jméno výstupního souboru transportu sledované oblasti na elementech
• Constants
o g - gravitační konstanta o rho - hustota kapaliny
• Run – nastavení parametru pro běh programu
• Solver - numerický řešič
• Solver parameters - parametry numerického řešiče
• Output
o Output_file - jméno výstupního souboru toku na elementech
o Output_file2 - jméno výstupního souboru transportu na elementech
Ukázka nastavení souboru flow_t.ini na sledované lokalitě hypotetického hlubinného úložiště radioaktivních odpadů (melechovský masiv) pro program Flow123D je přiložena v příloze B.
Úplný seznam všech vstupních parametrů i s jejich popisem, je možné nalézt [7].
3 Lokalita hlubinného úložiště Melechov
V diplomové práci je v rámci návrhu a testování funkčnosti jednotlivých programovaných aplikací využíváno lokality Melechov. Lokalita Melechov byla zvolena jako hypotetická oblast pro testování hlubinného úložiště radioaktivních odpadů. Úloha lokality Melechov byla pro diplomovou práci vybrána z důvodu podrobného popisu geologické a hydrogeologické oblasti a získaných dat.
Na obrázku 3 je černou barvou vyznačeno přibližné umístění hypotetického hlubinného úložiště radioaktivních odpadů v melechovském masivu.
Obrázek 3: Zobrazení přibližného umístění melechovského masivu
V letech 2004 - 2006 byl realizován projekt „Provedení geologických a dalších prací na testovací lokalitě Melechovský masiv, 2. etapa“, který byl financován SÚRAO,
19 jehož výsledky jsou zahrnuty v závěrečné zprávě projektu. Hlavním cílem matematického modelování byla integrace výsledků dílčích geologických, geofyzikálních a hydrogeologických poznatků a v návaznosti potom na simulace vybraných dějů. Další výzkum oblasti byl prováděn v následném projektu SÚRAO
„Výzkum procesů pole vzdálených interakcí hlubinného úložiště vyhořelého jaderného paliva a vysoce aktivních odpadů“, projekt realizovaný v letech 2007 - 2009 sdružením G-Bariéra zahrnující řešitelské kolektivy ČGS, ÚJV Řež, TU Liberec a SG Geotechnika Praha. [13]
3.1 Geologie a hydrologie oblasti
Melechovský granitový masiv (MGM) se rozkládá přibližně v oblasti mezi Humpolcem, Světlou nad Sázavou a Ledčí nad Sázavou. MGM je nejsevernější součástí centrálního masivu moldanubika2. Je tvořen granitoidy3 variského stáří, s pláštěm pararul monotónní, na Z i pestré moldanubika. [13]
Melechovský granitový masiv lze rozčlenit do tří základních jednotek, které reprezentují tři časově a patrně i zdrojově odlišné pulzy granitového magmatu:
• lipnický granit tvořící nepravidelnou kru mezi Lipnicí, Dolním Městem a Prosečí,
• středně zrnitý granit koutský tvořící periferii masivu a drobná tělesa v jeho okolí,
• vlastní složený melechovský peň tvořený hrubozrnným granitem melechovským na obvodu a drobně zrnitým řídce porfyrickým granitem Stvořidla v centrální části. [13]
2 Moldanubikum - je geologická jednotka Českého masivu. Tvoří jeho jihozápadní a jižní část. Je považována za staré prekambrické jádro obalené mladšími
svrchnoproterozoickými jednotkami. [16]
3 Granit - termín granitoid je souhrnný název pro všechny plutonity makroskopicky připomínající granit, tj. pro libovolnou horninu složenou hlavně z křemene, alkalického živce a (nebo) z plagioklasu. Obvykle má více než 65 % hm. SiO2 a minimálně 20 % obj. křemene. [18]
3.2 Metodika výzkumu
Na melechovském masivu byla aplikována metodika výzkumu vyvinutá a úspěšně odzkoušená na lokalitě Potůčky-Podlesí v Krušných horách [13]. Výzkum byl prováděn celkem v pěti hydrogeologických vrtech MEL-1 až MEL-5. Vrty MEL-1 a MEL-2 byly situovány do homogenního geologického prostředí tvořeného granitem melechovského typu (lokalita Kostelní les), jejich vzdálenost je 21 m. Vrty MEL-3 a MEL-4 se nacházejí v geologicky komplikovaném prostředí s četnými poruchovými pásmy (lokalita Zadní les) v granitu typu Lipnice a jsou od sebe vzdáleny 123 m. Vrt MEL-5 leží v oblasti granitového lomu poblíž Lipnice nad Sázavou, taktéž v granitu typu Lipnice. Vrty byly testovány sadou standardních etážových VTZ s intervalem pakrů 6 m, speciálních VTZ a čerpacích zkoušek zaměřených na významné strukturní prvky a komplexem karotážních metod. Celkem výzkum zahrnoval 127 hydrodynamických zkoušek různých typů. [13]
3.3 Regionální model oblasti
V návaznosti na geologické a hydrogeologické výzkumy v oblasti melechovského masivu byl připraven model o rozloze cca 60 km2. Tento model využívá znalosti geologické stavby studované lokality a zároveň zahrnuje hypotetickou síť regionálních tektonických zlomů jak vertikálního tak i horizontálního průběhu. Tento model byl připraven pro účely studia vlivu hydrogeologicky významných poruch na proudění a transport rozpuštěných látek s cílem simulovat vliv možného šíření kontaminantů ze zdroje lokalizovaného v geologickém prostředí rozpukaného žulového masivu 500-800 m pod povrchem. [13]
3.4 Výpočetní síť
V souladu s vymezenou zájmovou oblastí s využitím podkladů strukturního geologa byla připravena geometrie simulovaného bloku. Výsledná geometrie melechovského masivu respektuje rozhraní hornin v oblasti, obsahuje dvě struktury horizontálních zlomů a úplnou referenční síť vertikálních tektonických prvků.
Geometrie je do jisté míry parametrizovatelná a umožňuje do jisté míry konfigurovat (v rámci definované maximální struktury) systém hydrogeologicky významných zlomů.
Vymezená oblast pokrývá území o rozloze zhruba 60 km2. [13]
21 Na vytvořené geometrii byla vygenerována a pro následné výpočty použita síť, která obsahuje jeden horizontální zlom a další vertikální zlomy dle referenční sítě tektonických prvků – viz černé linie na obrázku 4. Síť oblasti byla generována s charakteristickou délkou elementu 300 m.
Výpočetní síť obsahuje:
• počet uzlů sítě - 7174,
• počet 2D elementů sítě - 2798,
• počet 3D elementů sítě - 34 271,
• počet všech elementů sítě - 37 069.
Obrázek 4: Geometrie modelované oblasti
Uvedená síť modelu melechovské oblasti, viz. Obrázek 4, je využita jako vstupní data programu Flow123D.
V rámci zprávy [20] byly na síti realizovány testovací výpočty pro ověření použitelnosti sítě a modelu a odstranění případných chyb či nesrovnalostí.
3.4.1 Fyzikální vlastnosti prostředí
Při vytváření jednotlivých entit pro přiřazení fyzikálních vlastností prostředí (hydraulické vodivosti) bylo rozlišeno:
• o jakou geologickou oblast se jedná (porézní masiv nebo zlomová zóna),
• o jakou horninu se jedná (granit melechovského typu, granit koutského typu, granit typu Lipnice, pararuly),
• změna hydraulické vodivosti jednotlivých geologických struktur s hloubkou (v diskrétních hloubkových úrovních do 75, 150, 400, 600, 800, 800 a více metrů). [13]
3.4.2 Okrajové podmínky proudění
Okrajové podmínky a hydraulické vodivosti v jednotlivých částech simulovaného masivu byly zadávány tak, aby:
• piezometrická výška v horní vrstvě modelované oblasti vyjadřovala úroveň hladiny podzemních vod sledující přibližně povrch oblasti,
• bylo dosaženo zhruba 1 % infiltrace vody do hlubšího oběhu z celkového srážkového úhrnu.
Pro zadávání okrajové podmínky byly rozlišeny tři základní části okrajových stěn simulované oblasti:
• okrajové stěny tvořící horní okraj (povrch simulované oblasti), Dirichletova okrajová podmínka,
• okrajové stěny tvořící dolní okraj, Newtonova okrajová podmínka,
• okrajové stěny tvořící boční okraje celé oblasti, Newtonova okrajová podmínka. [13]
3.4.3 Okrajové podmínky transportu
Zdroj kontaminace pro výpočet transportní úlohy je v modelu realizován okrajovou podmínkou transportu. Pro řešení konkrétní varianty transportu byl vybrán element v požadovaném místě zdrojového členu, tento element byl ze sítě následně odebrán. Nenulová koncentrace byla zadávána na okrajových stěnách odstraněného elementu, v jehož místě byl lokalizován zdrojový člen. Zadávaná koncentrace na příslušných stěnách je 1 000 000. Tento údaj představuje hodnotu v ppm koncentrace
23 zdroje kontaminantu v místě průniku do geosféry. Vypočtené hodnoty koncentrace v jednotlivých místech sítě představují milióntinu maximální koncentrace na stěnách elementu. [17, 19]
3.4.4 Počáteční podmínky transportu
V celé oblasti je uvažováno o nulové počáteční koncentraci kontaminující látky. [13]
3.4.5 Zdroj kontaminace
Z vygenerované výpočetní sítě hlubinného úložiště melechovského masivu dle kapitoly 3.4 byl vybrán jeden element, který představuje zdroj kontaminace radioaktivního odpadu. Tento element byl následně ze sítě vyjmut.
Pro modelování proudění a transportu kontaminace byl zvolen zdrojový element č. 19 817, jenž má souřadnice vrcholů v metrech [5961, 4351, -357]; [5989, 4351, -89];
[5997, 4615, -35]; [6148, 4350, -89]. Pro zdrojový člen (hlubinné úložiště) bylo vybráno umístění v centrální části simulovaného masivu, a to v přibližné hloubce -150 m nad mořem. Úložiště je koncipováno v hornině s číselným označením 9617.
Element se vyskytuje v blízkosti pukliny.
Jako počáteční velikost zdrojového členu byla zvolena koncentrace 1 000 000.
Tato koncentrace představuje množství koncentrace zdrojového členu v jednotkách ppm a lze tedy zjistit skutečnou koncentraci na kterémkoliv elementu v síti. [17]
3.4.6 Nastavení programu Flow123D pro generování
Celkem proběhlo 20 sad výpočtů na sledované oblasti hlubinného úložiště radioaktivního odpadu v melechovském masivu. Při každém z těchto sad program Flow123D vygeneroval 50 výstupních souborů. Každé měření proběhlo s rozdílně nastavenými materiálovými konstantami. Jako hlavní vygenerovaný výstupní soubor pro další zpracování slouží soubor „mm_t.pos“. Celkem bylo vygenerováno 1 000 souborů (20 měření, pro každé 50 výstupních souborů).
Simulační čas všech simulací, které byly provedeny, byl stanoven na 50 000 let s rozmezím 5 000 let. Software Flow123D zapisuje výsledky kontaminace látky na všech elementech v úloze transportu každých simulačních 5 000 let. Počet kroků, které jsou nutné pro výpočet, si program Flow123D stanovuje sám dle zadaných vstupních parametrů.
V souboru „mm_t.pos“ jsou uloženy všechny elementy sledované oblasti hlubinného úložiště. Elementy jsou očíslovány od 0 do 37069.
3.5 Generování výstupních souborů
Všechny výstupní soubory z programu Flow123D pro sledovanou hypotetickou oblast hlubinného úložiště radioaktivních látek v melechovského masivu byly generované na výpočetním clusteru Hydra. Cluster primárně slouží Technické univerzitě v Liberci pro velké a náročné výpočty, jež by na dnešních stolních PC trvaly neúměrně dlouho. Celková výpočetní kapacita clusteru činí 78 jader (46 CPU) [8].
Cluster byl zvolen z důvodu urychlení generování výstupních souborů z programu Flow123D.
3.5.1 Úprava výstupních souborů z Flow123D
Jak již je patrné z názvu diplomové práce, není jejím účelem zabývat se všemi elementy, které jsou v oblasti hlubinného úložiště, ale pouze elementy, jež se vyskytují na povrchu sledované oblasti. Z tohoto důvodu byl vytvořen seznam elementů, které jsou na povrchu oblasti. Tento seznam je uložen v příloze A. Nepovrchové elementy nebudou využity pro bezpečnostní analýzu, protože leží hluboko pod povrchem a neovlivňují život lidí žijících na povrchu ani životní prostředí.
Dle seznamu elementů sousedících s povrchem byly všechny výstupní soubory
„mm_t.pos“ z programu Flow123D následně upraveny jednoúčelovým programem pro úpravu souborů. Tento program vznikl v rámci ročníkového projektu, jehož popis lze nalézt v [13].
Tento program načte vygenerované soubory „mm_t.pos“, které obsahují seznam všech elementů a jejich koncentrací. Následně z těchto souborů vybere pouze elementy, které jsou uloženy v předem definovaném textovém seznamu vybíraných elementů.
Po dokončení zpracování je vytvořen nový soubor, jenž je pojmenován
„mm_t.pos_new.txt“. Soubor obsahuje již pouze povrchové elementy a jejich koncentrace, viz. Obrázek 5.
25 Obrázek 5: Ukázka struktury dat v souboru „mm_t.pos_new.txt“
4 Tvorba software
Před tvorbou samotných aplikací, bylo nutné nejprve zvolit programovací jazyk, ve kterém budou aplikace naprogramovány.
K tomuto účelu byl vybrán objektový programovací jazyk Delphi (Object Pascal), a to jak z důvodu praktické znalosti programovacího prostředí tak i kódu jazyka Object Pascal.
Delphi je integrované grafické vývojové prostředí firmy Borland určené pro tvorbu aplikací na platformě MS Windows v jazyce Object Pascal (jedná se o rozšíření jazyka Pascal). Obsahuje systém RAD (Rapid Application Development), který umožňuje vizuální návrh grafického uživatelského rozhraní, na jehož základě je automaticky vytvářena kostra zdrojového kódu, což výrazně urychluje vývojový cyklus. [9]
Více informací o programovém prostředí Delphi lze nalézt v příloze A.
27
5 Software pro úpravu vstupních souborů
V rámci diplomové práce byl vytvořen software, který je pojmenován „Úprava vstupních dat“. Tento program postupně načte všechny vstupní soubory, které byly vypočteny programem Flow123D. Výstupní soubory byly poté upraveny jednoúčelovým programem pro úpravu souborů, viz. kapitola 3.5.1. Tento software provádí vytřídění výsledků koncentrací nepovrchových elementů dle předem definovaného seznamu. Více informací o jednoúčelovém programu pro úpravu souborů lze nalézt v [14].
Aplikace „Úprava vstupních dat“ následně po načtení vstupních souborů uloží vždy do jednoho textového souboru stejné elementy a jejich koncentrace. Jednotlivé koncentrace na elementech jsou poté vzestupně setříděny dle velikosti koncentrace v jednotlivých zaznamenaných časových okamžicích.
Software je v rámci diplomové práce využit na zpracování dat ze sledované oblasti hlubinného úložiště radioaktivního odpadu v melechovském masivu.
V následujících kapitolách slouží pro ukázky a popis programu právě data z melechovské oblasti. Software je ovšem možné použít i na jinou oblast hlubinného úložiště radioaktivního odpadu, resp. například modelování starých ekologických zátěží.
5.1 Struktura adresářů a souborů
Pro stanovení a vyhodnocení koncentrací transportujících se látek z úložiště radioaktivního odpadu na povrch oblasti slouží 1000 souborů – náhodných realizací.
Tyto soubory jsou strukturovány do 20 adresářů pojmenovaných od „vysledky01“
až do „vysledky20“. Každý z těchto adresářů obsahuje dalších 50 podadresářů, které jsou pojmenovány od „01“ až „50“.
Ukázka struktury adresářů a podadresářů obsahující vstupní data je zobrazena na obrázku 6.
Obrázek 6: Adresářová struktura
Vstupní soubory pro diplomovou práci jsou strukturovány v jednotném textovém formátu. Soubory ze vstupních adresářů byly již upraveny dle kapitoly 3.5.1.
V každém upraveném souboru „mm_t.pos_new.txt“ je 2141 povrchových elementů.
Pro tyto jednotlivé elementy jsou přiřazeny koncentrace v časech od 0 let až do 50 000 let s rozmezím 5 000 let (11 časových období). Počet koncentrací pro jedno časové období je stejný jako počet elementů v souboru, tedy 2141.
Celkově každý soubor obsahuje 23 551 hodnot koncentrací (11 časových období pro každých 2141 povrchových elementů). Velikost jednoho vstupního souboru ze sledované oblasti hlubinného úložiště radioaktivního odpadu v melechovském masivu je 219 kB. Pro všech 1000 vstupních souborů bude celková velikost přibližně rovna 219 MB.
Jak vyplývá z předchozího odstavce, jedná se o setřídění velkého množství dat.
Z tohoto důvodu bylo rozhodnuto vytvořit samostatnou aplikaci pro úpravu vstupních souborů, která data nejdříve jednorázově setřídí, jelikož je předpokládáno, že setřídění dat bude provedeno pouze jednou a poté již bude využíván pouze software
29 pro vykreslení mapy koncentrací na povrchu sledované oblasti. Kdyby bylo nutné, před každým vykreslením mapy koncentrací, znovu setřídit všechny vstupní koncentrace pro sledovanou oblast, práce s aplikací by byla pomalejší řádově o desítky minut.
5.2 Popis a vzhled software pro úpravu vstupních souborů
Všech 1000 vstupních souborů je nutno nejprve setřídit před stanovením a následným vyhodnocením koncentrací transportujících se látek z úložiště radioaktivního odpadu na povrch oblasti.
K tomuto účelu byl v rámci této diplomové práce vytvořen software „Úprava vstupních dat“, jak již bylo zmíněno v kapitole 5. Program byl naprogramován v programovacím jazyku Delphi.
Ovládání programu je řešeno přes rozbalovací menu. Po kliknutí na „Soubor“ se uživateli zobrazí nabídka práce s programem, viz. Obrázek 7.
Obrázek 7: Ukázka menu pro ovládání programu Úprava vstupních dat
5.3 Vyhledání vstupních souborů
Uživatel je aplikací „Úprava vstupních dat“ zpočátku požádán o zadání cesty k libovolnému souboru obsahujícímu data s elementy (viz. Obrázek 8).
Uživatelské prostředí pro vyhledání souboru je realizováno přes komponentu TOpenTextDialog. Hledaný soubor má již v komponentě předdefinovaný název
„mm_t.pos_new.txt“, tímto je uživatel ihned informován, jaký soubor by měl do aplikace zadat. Název souboru „mm_t.pos_new.txt“ je dle kapitoly 3.5.1.
Do aplikace pro úpravu vstupních dat je možné zadat jakýkoliv název souboru, pouze je nutné, aby byla dodržena stejná struktura uspořádání dat dle kapitoly 3.5.1 a obrázku 5. Respektive data musí být od sebe oddělena tabulátorem.
Obrázek 8: Vyhledání souboru s povrchovými elementy
Zadaný soubor je otevřen a jeho obsah zobrazen na aplikaci pomocí komponenty TRichEdit. Jelikož všechny soubory s daty mají shodný název, je po zadání souboru uživatelem celý název souboru uložen do pomocné proměnné.
Proměnná následně slouží jako parametr funkce pro vyhledání všech 1000 souborů stejného názvu na pevném disku PC.
V rámci ušetření výpočetní kapacity PC a urychlení programu není prohledáván celý disk, ale pouze dva adresáře umístěné výše než je zadaný soubor uživatelem. Právě v těchto adresářích se vyskytují další zdrojové soubory s hledanými daty, viz. kapitola 5.1. Všechny nalezené soubory, včetně jejich celých cest k umístění na pevném disku
31 jsou ukládány do komponenty TListBox. Po dokončení hledání souborů na pevném disku je zobrazen TListBox (viz. Obrázek 9), který slouží pro případnou kontrolu, zdali byly všechny soubory správně nalezeny.
Obrázek 9: V hlavním okně načtený vstupní soubor, vpravo v okně seznam všech vyhledaných vstupních souborů
5.4 Načtení všech vstupních souborů
Před načtením všech vstupních souborů je nejprve ověřeno, zdali byl načten vstupní soubor dle předchozí kapitoly. Vzhledem k předpokladu, že bude načítáno větší množství dat, řádově stovky MB dle kapitoly 5.1, je načítání všech vstupních souborů řešeno přes samostatné vlákno. Tímto je zajištěno, že aplikace bude stále aktivní a uživatel nebude mít pocit „zamrzlé“ aplikace, která přestala reagovat.
Z komponenty TRichEdit je zjištěn počet řádků, respektive počet elementů, které obsahují jednotlivé načítané soubory. Pro tento počet elementů je vytvořeno pole TStringList, a to z důvodu rychlejšího přístupu k paměti RAM než k pevnému disku PC. Následně jsou čteny postupně všechny soubory po řádcích a tyto řádky ukládány do jednotlivých TStringList. Cesty ke všem souborům jsou čteny z TListBox, viz. kapitola 5.3.
Jelikož všechny vstupní soubory mají stejnou strukturu dat, čtení po řádcích a okamžité ukládání do TStringList má za následek, že každý TStringList obsahuje pouze stejné elementy a jejich odpovídající koncentrace.
Po načteních všech dat do pole TStringList je vytvořen adresář o úroveň výše, než byl zadaný vstupní soubor v kapitole 5.3. V našem případě je adresář vytvořen mezi adresáři „vysledky01“ až „vysledky20“ viz kapitola 5.1.
Nově vytvořený adresář je pojmenován „HelpFiles“. Do něho jsou ukládána data z pole TStringList. Pro každý TStringList je vytvořen jeden soubor s názvem
„Helpfile0.txt“ až do „HelpfileX.txt“, kde X odpovídá počtu elementů, které byly načítány. Pro melechovskou oblast je poslední soubor pojmenován „Helpfile2140.txt“, jelikož počet povrchových elementů odpovídá číslu 2141, dle kapitoly 5.1.
Obrázek 10 zobrazuje strukturu dat uloženého souboru „Helpfile200.txt“.
Soubor obsahuje element číslo 3858 a k němu odpovídající koncentrace.
Obrázek 10: Struktura dat souboru „HelpFile200.txt“
Pro názornost celé operace je před dokončením vlákna v aplikaci zobrazen obsah poslední souboru „Helpfile2140.txt“, viz. Obrázek 11.
Průběh procesu načítání je zobrazován v procentech v dolní části aplikace.
Načtení všech souborů ze sledované oblasti hlubinného úložiště radioaktivního odpadu
33 v melechovském masivu zabere na procesoru Intel Pentium Dual-Core E5200 2,50 GHz necelé dvě minuty času.
Obrázek 11: Zobrazení dat z posledního uloženého souboru „Helpfile2140.txt“
5.5 Setřídění koncentrací
Data uložena v pomocných souborech je nutné pro další práci setřídit dle jednotlivých koncentrací v čase. Soubory „HelpFile.txt“ mají jednotnou strukturu dat.
Všechna data na řádcích jsou oddělena tabulátorem. V prvním sloupci je vždy číselné označení elementu a poté následují jednotlivé koncentrace. Pro sledovanou melechovskou oblast jsou koncentrace v čase od 0 let až do 50 000 let. Celkový počet sloupců v souborech je 11. Každý soubor obsahuje přesně tolik řádku, kolik bylo načtených souborů, pro sledovanou melechovskou oblast se jedná o 2140 souborů, viz.
kapitola 5.4.
Pro setřídění dat není zapotřebí zadávat cestu k pomocným souborům
„HelpFile.txt“. Cesta i název souborů je načtena automaticky, dle kapitoly 5.4. Soubory jsou načteny nejprve v textové formě do komponenty TStringList. Vzhledem k třídění jednotlivých koncentrací je nutné data ze souborů z jednotné textové struktury rozdělit na jednotlivé buňky. K tomuto účelu jsou data z TStringList pomocí oddělovače (tabulátor) načtena do komponenty TStringGrid.
Jednotlivé sloupce s daty komponenty TStringGrid jsou načítány do pole komponent TList, která zajišťuje samotné vzestupné setřídění koncentrací. Třídění přes TList bylo zvoleno s ohledem na přímou podporu v programovém prostředí vývojového
nástroje Delphi a zároveň pro velkou rychlost samotného třídícího algoritmu. Jelikož se jedná o velké množství dat určených k třídění, byla samotná rychlost algoritmu rozhodujícím prvkem. Na následujících řádcích je uveden zdrojový kód funkce pro setřídění koncentrací z aplikace pro úpravu vstupních dat.
function compareColumn(Item1 : Pointer; Item2 : Pointer) : Integer;
var
Cislo1, Cislo2 : Double;
begin
Cislo1 := StrToFloat(StringGridOfData.Cells[sloupec, Integer(Item1)]);
Cislo2 := StrToFloat(StringGridOfData.Cells[sloupec, Integer(Item2)]);
if (Cislo1 > Cislo2) then Result := 1
else if (Cislo1 < Cislo2) then Result := -1 else Result := 0
end;
Po průběhu funkce obsahuje pole TList setříděné ukazatele odkazující na data v komponentě TStringGrid. Pomocí těchto ukazatelů jsou přerovnána data v TStringGrid a zavolána procedura sloužící k uložení dat do souborů.
Ukázka zdrojového kódu procedury sloužící k uložení setříděných dat do souborů.
procedure SaveGrid(const Filename: string; Grid: TStringGrid);
var
StringL : TStringList;
I: integer;
begin
StringL := TStringList.Create;
StringL.StrictDelimiter := True;
StringL.Delimiter := #9;
try
if Grid.RowCount > 0 then begin for I := 0 to Grid.ColCount - 1 do begin
StringL.AddStrings(Grid.Cols[I]);
end;
end;
StringL.SaveToFile(Filename);
finally
StringL.Free;
end;
end;
Vstupními parametry pro proceduru k uložení setříděných dat do souboru slouží setříděný TStringGrid a název, pod kterým bude soubor uložen. Procedura nejprve
35 otestuje, zdali zadaný TStringGrid obsahuje nějaká data. Následně prochází všechny sloupce a data z nich jsou ukládána do komponenty TStringList.
Obrázek 12: Struktura dat v setříděném souboru „SortedFile200.txt“
Soubor je uložen pod předem definovaným názvem „SortedFile0.txt“ až
„SortedFileX.txt“, kde X odpovídá počtu elementu respektive počtu načtených souborů
„HelpFile.txt“. V případě sledované oblasti melechovského masivu se jedná opět o 2141 souborů.
Obrázek 12 zobrazuje strukturu uspořádání dat v souboru „SortedFile200.txt“.
Číslo 3858 se shoduje s číslem povrchového elementu. Data mezi čísly 3858 odpovídají jedné simulaci, celkem soubor obsahuje 1 000 simulací, viz. kapitola 3.4.6. Jednotlivá data simulace odpovídají hodnotám koncentrace na povrchovém elementu v časových obdobích 0 let až 50 000 let s rozmezím 5 000 dle zadání vypočtu, kapitola 3.4.6.
Po setřídění všech souborů je v aplikaci pro úpravu vstupních dat zobrazen obsah prvního setříděného souboru. Na obrázku 13 je pro větší názornost zobrazen setříděný element 3873 místo obsahu prvního setříděného souboru. Element 3873 obsahuje větší množství koncentrací v čase, tudíž ukázka je názornější než v případě prvního setříděného souboru, v něm se v případě melechovské lokality vyskytují pouze nulové hodnoty.
Obrázek 13: Okno programu pro úpravu vstupních dat po dokončení třídění dat
Setřídění všech 1000 souborů pro sledovanou oblast hlubinného úložiště radioaktivního odpadu v melechovském masivu zabere 8 minut a 30 vteřin výpočetního výkonu procesoru Intel Pentium Dual-Core E5200 2,50 GHz. Celý průběh je stejně jako při načítání všech vstupních souborů (viz. kapitola 5.4) zobrazován v procentech v dolní části aplikace.
37
6 Software pro vykreslení povrchové mapy koncentrací
V rozsahu zadání diplomové práce byla vytvořena druhá aplikace sloužící k vykreslení povrchu sledované oblasti hlubinného úložiště radioaktivního odpadu.
Na vykresleném povrchu sledované oblasti je graficky vyznačeno množství koncentrace vyskytující se na jednotlivých povrchových elementech. Software byl příznačně pojmenován „Mapa“.
Program „Mapa“ nejprve načte soubor se vstupními elementy a jejich souřadnicemi. V dalším kroku jsou načteny všechny povrchové elementy ze sledované oblasti. Následně program načte setříděné soubory s koncentracemi z programu
„Úprava vstupních dat“, viz. kapitola 5. Uživatel je poté vyzván k zadání počtu let a počtu procent koncentrace. Na základě těchto informací program vykreslí mapu koncentrací.
Software „Mapa“ v rámci diplomové práce, opět jako v kapitole 5, zpracovává data ze sledované oblasti hlubinného úložiště radioaktivního odpadu v melechovském masivu. Software je ovšem možné použít i na jinou oblast hlubinného úložiště radioaktivního odpadu, ovšem nutnou podmínkou je, že vstupní data musí být předem zpracována dle předchozích kapitol.
6.1 Vzhled software Mapa
Po spuštění aplikace „Mapa“ je uživateli zobrazeno v horní části ovládací menu, kde po stisku tlačítka „Soubor“ je zobrazen seznam příkazů. Ovládání programu je řešeno totožným způsobem jako v předchozí aplikaci pro úpravu vstupních dat. V dolní části okna aplikace je zobrazena lišta pro vykreslení průběhu jednotlivých příkazů uživatele s programem.
6.2 Načtení souboru se souřadnicemi
Uživatel je aplikací „Mapa“ pro vykreslení povrchové mapy koncentrací požádán o zadání cesty k libovolnému souboru obsahujícímu souřadnice elementů a bodů.
Uživatelské prostředí pro vyhledání souboru je realizováno přes komponentu TOpenTextDialog, stejným způsobem bylo řešeno zadání vstupních souborů v kapitole 5.3. Hledaný soubor má v komponentě předdefinovaný název „mm_t.pos“, tímto je
uživatel ihned informován, jaký soubor by měl do aplikace zadat. Název souboru je vytvořen dle nastavení programu Flow123D, viz. kapitola 3.5.1.
Soubory „mm_t.pos“ vygenerované z programu Flow123D mají jednotnou strukturu. Každý soubor je rozdělen do čtyř sekcí, první sekce definuje formát souboru, druhá sekce označuje uzly, třetí sekce značí elementy a poslední čtvrtá sekce množství koncentrace na elementech. Sekce jsou od sebe vždy odděleny znakem dolaru a textem.
Ukázka struktury vygenerovaného souboru „mm_t.pos“ z programu Flow123D je zobrazena na následujícím obrázku - Obrázek 14.
Obrázek 14: Struktura vygenerovaného souboru mm_t.pos z programu Flow123D
Program Flow123D generuje v souborech „mm_t.pos“ souřadnice uzlů jako desetinná čísla s použitým oddělovačem desetinnou tečkou. Vzhledem k tomu, že programové prostředí Delphi pro vykreslení souřadnic používá jako desetinný oddělovač desetinnou čárku, bylo nutné nahrazení všech desetinných teček za desetinné čárky. Tomuto účelu posloužila funkce StringReplace.
Po otevření souboru uživatelem je nalezen začátek elementu „$Nodes“
a zároveň i konec elementu „$EndNodes“, dle obrázku 14. Všechna data mezi těmito
39 texty jsou načtena do komponenty TStringGrid. První sloupec obsahuje čísla jednotlivých uzlů, další sloupce obsahují souřadnice x, y, z.
Obdobně je řešeno i načtení elementů. Nejprve je nalezen začátek a konec části dat obsahující elementy ($Elements, $EndElements). Soubor „mm_t.pos“ obsahuje kromě čísel uzlů, ze kterých se jednotlivé elementy skládají, další informace o elementu, např. geometrický typ elementu. Tyto informace nejsou pro vykreslení mapy povrchových elementů důležité, z tohoto důvodu nejsou v aplikaci zobrazeny.
Ze souboru je zobrazen první sloupec obsahující číslo elementu, následujících 5 sloupců je vynecháno a poté jsou zobrazeny sloupce obsahující čísla uzlů, viz. Obrázek 15.
Ze začátku jsou elementy složeny ze tří uzlů, později však dojde k přechodu a elementy jsou poté složeny ze čtyř uzlů. Z tohoto důvodu je na začátku seznamu elementů v aplikaci „Mapa“ zobrazován prázdný sloupec 4. uzlu, viz. Obrázek 15.
Obrázek 15: Načtení souřadnic uzlů a elementů
V případě, že by uživatel omylem zadal jiný soubor, který nebude obsahovat souřadnice uzlů a elementů. Program zobrazí chybou hlášku (Obrázek 16).
Obrázek 16: Chybová hláška při zadání špatného souboru s uzly elementů a jejich souřadnic
Načtení všech elementů a souřadnic uzlů ze sledované oblasti radioaktivního odpadu v melechovském masivu je na testovací sestavě s procesorem Intel Pentium Dual-Core E5200 2,50 GHz otázkou několik vteřin (řádově 2-3 vteřiny).
6.3 Načtení souboru s povrchovými elementy
Načtený soubor „mm_t.pos“ dle předchozí kapitoly obsahuje všechny souřadnice uzlů a elementů ze sledovaného hlubinného úložiště. Vzhledem k tomu, že software „Mapa“ je určen k vykreslení mapy elementů, které se nacházejí na povrchu sledované oblasti, elementy, jež se nacházejí pod povrchem sledované oblasti, je možné vypustit. Pokud by software pracoval se všemi načtenými elementy a uzly jejich souřadnic, byla by práce s aplikací zbytečně zdlouhavá a nepřinesla by žádné výhody.
Z těchto důvodu je uživatel aplikací požádán o zadání cesty k libovolnému souboru „mm_t.pos_new.txt“. Tento soubor obsahuje již pouze povrchové elementy a jejich koncentrace. Soubor vznikl úpravou souboru „mm_t.pos“ jednoúčelovým programem pro úpravu souborů, viz. kapitola 3.5.1.
Ze souboru „mm_t.pos_new.txt“ jsou načítány pouze čísla povrchových elementů nikoliv jejich koncentrací, z tohoto důvodu je možné zadat jakýkoliv z vygenerovaných souborů, všechny obsahují stejné povrchové elementy. K načítaným povrchovým elementům jsou přiřazována čísla uzlů z komponenty TStringGrid dle kapitoly 6.2 a obrázku 15.
Pro větší kontrolu načtených elementů a jejich souřadnic je v dolní části aplikace „Mapa“ zobrazena tabulka, kde jsou vypsány všechny povrchové elementy a k nim přiřazeny dle uzlů odpovídající souřadnice x, y, z. Výsledek po dokončení načítání je zobrazen na obrázku 17.
41 Obrázek 17: Ukázka načtených povrchových elementů a souřadnic bodů pro
vykreslení mapy koncentrací
Přiřazení odpovídajících uzlů k povrchovým elementům a následné vypsání všech souřadnic (x,y,z) k odpovídajícím povrchovým elementů ze sledované oblasti radioaktivního odpadu v melechovském masivu zabere 20 vteřin výpočetního výkonu procesoru Intel Pentium Dual-Core E5200 2,50 GHz.
6.4 Načtení setříděných souborů s koncentracemi
Poslední vstupní soubor, který je nutný zadat před vykreslením mapy koncentrací, je soubor obsahující setříděné koncentrace dle kapitoly 5. Uživatel je aplikací požádán o zadání cesty k souborům, ve kterých jsou uloženy setříděné koncentrace. Uživatelské prostředí pro vyhledání souboru je opět realizováno přes komponentu TOpenTextDialog, stejným způsobem bylo řešeno zadání vstupních souborů v kapitole 5.3 a 6.2.
Hledaný soubor má v komponentě předdefinovaný název „SortedFile0.txt“, tímto je uživatel ihned informován, jaký soubor by měl do aplikace zadat. Název souboru je předpokládán dle kapitoly 5.5. Jakmile je uživatelem soubor zadán, v aplikaci je uložena jeho cesta pro pozdější načtení všech setříděných souborů obsahujících koncentrace.
Po úspěšném načtení souboru „SortedFile0.txt“ je uživateli v aplikaci zobrazen TRadioGroup, kde se objeví výběr počtu od 0 let až do 50 000 let s rozmezím 5 000 let
(11 časových období), viz. kapitola 3.4.6. Uživatel provede výběr kliknutím na odpovídající počet let. V aplikaci je dále zobrazen TMaskEdit, který je předdefinován pro zadání procent koncentrace. TMaskEdit je omezen pro zadávání hodnot od 0 % do 100 % s rozlišením jednoho desetinného místa. Pokud by uživatel omylem zadal více jak 100 % množství koncentrace, program zobrazí chybové hlášení a výpočet není uskutečněn.
Po zvolení počtu vybraných let a zadání procentní hodnoty koncentrace jsou procházeny postupně jednotlivé soubory obsahující setříděné koncentrace a vybírány odpovídající data. Soubory jsou opět načítány do komponenty TStringGrid pro větší přehlednost při programování a snadnější vyhledaní zadaných dat (viz. Obrázek 18 vpravo). Např. pro melechovskou oblast byl zadán čas 5 000 let a množství koncentrace 50 %. Aplikace bude hledat v setříděných souborech pětistý sloupec, který odpovídá 50% koncentraci, a v tomto sloupci je vybrán druhý řádek, jenž koresponduje s časem 5 000 let. Například pro povrchový element číslo 3858 je zjištěna koncentrace odpovídající hodnotě 6,86 ppm, viz. Obrázek 18.
Při procházení všech setříděných souborů a výběru odpovídajících dat je zároveň hledána hodnota odpovídající největšímu množství koncentrace na povrchových elementech. Vzhledem k tomu, že data jsou setříděna dle jednotlivých let a množství koncentrace, nejvyšší hodnota koncentrace pro testovanou oblast melechovského masivu odpovídá 100% koncentrace a času 50 000 let. Nalezená největší hodnota koncentrace na povrchových elementech slouží pro vyhodnocení množství koncentrace vyskytující se na povrchu sledované oblasti, viz. kapitola 6.5.
Na obrázku 18 je ukázka načtených dat, v pravé části aplikace je zobrazen TRichEdit, do kterého jsou uloženy odpovídající koncentrace na jednotlivých elementech pro zvolený počet let a procentuelní množství koncentrace. Načtené koncentrace jsou číslovány stejně jako setříděné soubory „SortedFile.txt“, dle kapitoly 5.5, od čísla 0 až do počtu povrchových elementů, v případě melechovské oblasti se jedná o 2140 elementů. V dolní části aplikace je zobrazen průběh načítání odpovídajících koncentrací na elementech.
43 Obrázek 18: Nalezení koncentrací odpovídajících 5 000 let a 50 %
Nalezení koncentrací dle zadaných libovolných hodnot ze sledované oblasti radioaktivního odpadu v melechovském masivu zabere 25 vteřin výpočetního výkonu procesoru Intel Pentium Dual-Core E5200 2,50 GHz.
6.5 Vykreslení mapy koncentrací
Po úspěšném načtení všech koncentrací je možné přejít k vykreslení mapy. Bez načtení všech koncentrací na jednotlivých povrchových elementech není možné mapu vykreslit. V případě, že uživatel zadá vykreslení mapy před dokončením načtení všech koncentrací, aplikace zobrazí chybou hlášku, kterou je uživatel upozorněn na nutnost vyčkat na dokončení procesu načítání. Mapa je vykreslena po kliknutí na položku menu – Soubor – Vykreslení mapy.
Pro vykreslení mapy koncentrací jsou v aplikaci nejdříve nalezeny největší souřadnice x a y z povrchových elementů, které jsou uloženy v TStringGrid, viz.
Obrázek 17. Souřadnice slouží pro alokování velikosti plátna, na které bude mapa vykreslena. Vzhledem k velké velikosti souřadnic sledované oblasti hlubinného úložiště
radioaktivního odpadu v melechovském masivu jsou všechny souřadnice před vykreslením do mapy zmenšeny v měřítku 1:10.
Pro vykreslení mapy koncentrací jsou postupně čteny souřadnice x, y, z, povrchových elementů, viz. kapitola 6.3. Tyto načtené souřadnice jsou následně před vykreslením mapy vyděleny číslem 10, aby bylo dosaženo nastaveného měřítka a mapa byla zobrazitelná v aplikaci.
Každému vykreslovanému povrchovému elementu je přirazena barva dle jeho velikosti radioaktivní koncentrace. V případě nulové koncentrace na elementu je přirazena barva tmavě modrá. Naopak největší koncentrace odpovídá barvě tmavě červené. Na obrázku 19 je zobrazena stupnice s použitým barevným označením v aplikaci „Mapa“. Jednotlivé hodnoty koncentrací, ke kterým jsou přiřazovány barvy z barevné stupnice (Obrázek 19) jsou počítány z nalezené maximální hodnoty koncentrace vyskytující se na povrchových elementech, viz. kapitola 6.4.
Nejvyšší hodnota koncentrace vyskytující se na povrchových elementech pro sledovanou oblast hlubinného úložiště radioaktivních odpadů v melechovské oblasti odpovídá 156 401 ppm. Vzhledem k tomu, že se jedná o dlouho sledované období (0 - 50 000 let), jednotlivé koncentrace na povrchových elementech s časem postupně narůstají. Z tohoto důvodu je nutné rozlišit i ty nejmenší hodnoty koncentrací, které by mohly negativně ovlivnit povrch sledované oblasti.
Barevná stupnice pro sledovanou melechovskou oblast začíná od 0,0001 % (přirazena tmavě modrá barva) z maximální hodnoty koncentrace (156 401 ppm), což odpovídá hodnotě 0,156 401 ppm. Poslední hodnota z barevné stupnice odpovídá 3 % (přiřazena tmavě červená barva) z maximální hodnoty, což je hodnota koncentrace rovna číslu 4 692 ppm pro sledovanou melechovskou oblast.
