САНКТ ПЕТЕРБУРГСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТА …hge.spbu.ru/download/sbornik.pdfМ.В. ЛОМОНОСОВА ... Гончаренко Д.Б. ЧИСЛЕННОЕ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТА ГЕОЭКОЛОГИИ РАН

ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ РАН КАФЕДРА ГИДРОГЕОЛОГИИ МГУ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

ЗАО «ГЕОЛИНК-КОНСАЛТИНГ» ФГУП «ГЕОЦЕНТР – МОСКВА»

ЗАО «НИиПИ ЭКОЛОГИИ ГОРОДА» АНО УКЦ «ИЗЫСКАТЕЛЬ»

ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО МАТЕМАТИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ

В ГИДРОГЕОЛОГИИ

МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ

МОСКВА 2008

3 Всероссийская конференция по математическому моделированию в гидрогеологии

пансионат «Пахра», Московская область

23 – 25 апреля 2008 г.

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

Гриневский С.О., Поздняков С.П. ПРИНЦИПЫ РЕГИОНАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ИНФИЛЬТРАЦИОННОГО ПИТАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ОСНОВЕ ГЕОГИДРОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 6 Гриневский С.О., Преображенская А.Е. ОЦЕНКА РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЭВАПОТРАНСПИРАЦИЕЙ МЕТОДАМИ МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНОГО ДАГЕСТАНА) 7 Громов В.Е., Пашковский И.С. ПОСТРОЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИМЕРЕТИНСКОЙ НИЗМЕННОСТИ 9 Лёхов А.В. ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИГРАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ ПОСТАНОВКЕ (MT3D И АНАЛОГИ) 10 Тер-Мартиросян З.Г. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВОВ ГРУНТОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ 11 Шестаков В.М., Ван Пин, Куваев А.А., Гончаренко Д.Б. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭКСПЛУАТАЦИОНЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ДЕЙСТВУЮЩЕМ ВОДОЗАБОРЕ Г. УЛЬЯНОВСКА 18 Алферова Н.С. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОЦЕНКЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ 20 Артамонова Н.Б., Калинин Э.В., Панасьян Л.Л. ПРОГНОЗ ОСЕДАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПРИ ОТКАЧКЕ ФЛЮИДА ИЗ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ 22 Базин А.А., Бакулин В.Е., Горев В.В., Горев И.В., Глазунов В.А., Губкова Г.Н., Дерюгин Ю.Н., Зеленский Д.К., Козелков А.С., Новиков И.Г., Павлуша И.Н., Панов А.И., Рябов Е.И., Сизова Л.И., Шемарулин В.Е., Храмченков М.Г., Чекалин А.Н., Савельев А.А., Конюхов В.М., Румынин В.Г., Хархордин И.Л. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОМЕХАНИКЕ КАК СОВРЕМЕННЫЙ ИНСТРУМЕНТ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГИДРОЭКОЛОГИИ 24 Базин А.А., Бакулин В.Е., Горев В.В., Горев И.В., Глазунов В.А., Губкова Г.Н., Дерюгин Ю.Н., Зеленский Д.К., Козелков А.С., Новиков И.Г., Павлуша И.Н., Панов А.И., Рябов Е.И., Сизова Л.И., Шемарулин В.Е., Храмченков М.Г., Чекалин А.Н., Савельев А.А., Конюхов В.М., Румынин В.Г., Хархордин И.Л. ПАКЕТ ПРОГРАММ НИМФА ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ 25 Байдарико Е.А., Поздняков С.П. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОСХОДЯЩЕЙ ПЛОТНОСТНОЙ КОНВЕКЦИИ ПРОМСТОКОВ В НЕОДНОРОДНОМ ПЛАСТЕ 26 Барцев О.Б., Никаноров А.М., Барцев Б.О. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ЕЕ ФОРМАЛИЗАЦИЯ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ 27 Бурлин М.Ю., Каримов Р.Х., Киселев А.А., Копылов А.С., Куранов П.Н., Расторгуев А.В., Волкова Е.В., Расторгуев И.А. ИССЛЕДОВАНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗРАБОТКОЙ И ОБОСНОВАНИЕМ ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ, ПРОВОДИМЫЕ В ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» 29 Бурячок О.В. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ ЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД (НА ПРИМЕРЕ УФИМСКОЙ ГОРОДСКОЙ СВАЛКИ) 31 Вишняк А.И., Четвёркин И.А., Новиков В.П. ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ДАННЫМИ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ПОРОД С ГЛУБИНОЙ 36 Гаев А.Я, Алферов И.Н., Алферова Н.С. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ 38 Гридневский А.В., Шеина С.Г. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО РЕЖИМА ПОДТОПЛЕНИЯ Г. ШАХТЫ 40

Всероссийская конференция по математическому моделированию в гидрогеологии 4

пансионат «Пахра», Московская область 23 – 25 апреля 2008 г.

Дидович М.Я., Игнатьева А.Л., Кондратьев Н.Н., Крылова Е. В. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННАЯ 3-D МОДЕЛЬ САНГТУДИНСКОЙ ГЭС-1 НА Р. ВАХШ 41 Зазимко А.Я., Сорокина Т.А. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИСХОДНЫМИ ДАННЫМИ НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ВОДОЗАБОРА Г.ЮРМАЛА 42 Куваев А.А., Гончаренко Д.Б., Семенов М.Е МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗГРУЗКИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РЕКУ В РАЙОНЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩА 44 Курмангалиева А.Р. ПРОГНОЗ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ОСНОВАНИИ СООРУЖЕНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬНЫХ И СТАЦИОНАРНЫХ ВОДОПОНИЖЕНИЯХ 46 Лехов М.В. ПРОГРАММА АНАЛИТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОДОПОНИЖЕНИЯ PRITOK 48 Лымарева О.А., Брускова В. В., Перепичай А.Ф. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ 50 Макушин Ю.В., Четвергов Д.Н. ПОСТОЯННО ДЕЙСТВУЮЩИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ – КАК ОСНОВА МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ ВОД 53 Мархилевич О.К. ПРИМЕНЕНИЕ (ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ) РАЗЛИЧНЫХ ПРОГРАММ (РАЗРАБОТОК) МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГРАЖДАНСКОГО И ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА 54 Мархилевич О.К., Степаненко И.А., Крохичева И.В. ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ГРАЖДАНСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА ПОЙМАХ БОЛЬШИХ И МАЛЫХ РЕК (НА ПРИМЕРЕ ПОЙМЫ МОСКВА-РЕКИ) 55 Матафонов Е.П. ВОДНОБАЛАНСОВЫЕ СТАЦИОНАРЫ В ЗАДАЧАХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И НАПРАВЛЕНИЕ ИХ РАЗВИТИЯ 56 Музыкин В.П., Степурко Е.И. К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ГРАНИЦ ЗОН САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ХОЗЯЙСТВЕННО – ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ 60 Муленкова Е.В., Николаев А.П. ОБОСНОВАНИЕ ГРАНИЦ САНИТАРНО-ЗАЩИТНЫХ ЗОН ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ФАКТОРУ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ 61 Никитина Ю.Г., Мылтыкбаева А.Т., Садырбаева Г.А., Дуйсебаев Б.О., Раисов Б.Р., Раисов Б.Б., Поезжаев И.П., Мырзабек К.А. ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНЫХ КОДОВ 64 Николаев А.П. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПОВЫШЕННОГО УРОВНЯ ОТВЕТСТВЕННОСТИ В Г.МОСКВЕ 68 Никулина-Основская М.А., Брускова В.В. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТОВ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕРРИТОРИЙ 69 Никулин-Основский М.А. ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ПРОЕКТОВ ВЫСОТНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В МОСКВЕ 72 Полшкова И.Н. ПОСТОЯННО ДЕЙСТВУЮЩИЕ МОДЕЛИ – СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 76 Потапова Е.Ю., Рошаль А.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ХВОСТОХРАНИЛИЩ ЛЕБЕДИНСКОГО ГОКА

77 Прилепин В.М. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ ХЛОРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ ПОД ХРАНИЛИЩЕМ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

79



23 – 25 апреля 2008 г.

Никитина Ю.Г., Мылтыкбаева А.Т., Садырбаева Г.А., Дуйсебаев Б.О., Раисов Б.Р., Раисов Б.Б., Поезжаев И.П., Мырзабек К.А. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ GROUNDWATER MODELING SYSTEM (GMS) ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО СКВАЖИННОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНА

79 Саевец Т.Н., Вечканова Т.И., Полшкова И.Н. ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ БАЗ ДАННЫХ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ 84 Саевец Т.Н., Вечканова Т.И., Полшкова И.Н. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОГНОЗА ПОДПОРА ПРИ ПОДЪЕМЕ УРОВНЯ ЧЕБОКСАРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА ДО ОТМЕТКИ 68 М 85 Султанов Л. Н. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЖИЖЕННОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПРИ ДОБЫЧЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ГЛУБОКИХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР 86 Фельдман А.Л., Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ РАЙОНАХ 87 Фетисов В.В. ГЕОФИЛЬТРАЦИОННАЯ СХЕМАТИЗАЦИЯ НАДСОЛЕВОЙ ТОЛЩИ НОВО-СОЛИКАМСКОГО УЧАСТКА ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ СОЛЕЙ 87 Хархордин И.Л., Горев И.В. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ (NIMFA-PHREEQC) 89 Шарафутдинов Р.Б., Талицкая А.В. ПРОГНОЗНЫЙ РАСЧЕТ МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ С ЗАГРЯЗНЕННЫХ УЧАСТКОВ ТЕРРИТОРИИ ГП «МЗП» 90 Швец В.М., Прозоров Л.Б., Мартьянов В.В., Платонова А.В., Корнева С.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ В МОРЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ 91 Экдышман А.С., Вопилова А.С. ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ Г.АШХАБАДА ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВОДОПОНИЖЕНИЯ 93



ПРИНЦИПЫ РЕГИОНАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ИНФИЛЬТРАЦИОННОГО ПИТАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ОСНОВЕ ГЕОГИДРОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Гриневский С.О., Поздняков С.П.

Кафедра гидрогеологии МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

Оценка инфильтрационного питания подземных вод, как главного ресурсообразующего фактора их формирования в зоне активного водообмена, до сих пор является проблемной задачей, несмотря на ее очевидную научно-практическую значимость. Разработанные и широко использующиеся балансовый, геолого-гидрологический и гидродинамический методы оценки инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод в региональных (1:100 000 и менее) масштабах имеют целый ряд известных ограничений, существенно снижающих точность и практическую значимость полученных на их основе количественных показателей.

Рассматриваемые методические принципы региональной оценки инфильтрационного питания базируются на построении типовых моделей, отражающих главные метеоклиматические, почвенно-ландшафтные и гидролого-гидрогеологические факторы его формирования. Принципиальная структура таких моделей состоит из 2-х блоков.

Первый блок, ландшафтно-метеоклиматический, объединяет модели выпадения и трансформации осадков на поверхности земли /1/. Исходными данными для моделирования являются метеорологические (суточные значения осадков, температуры воздуха и солнечной радиации, сгенерированные на основе наблюдений с помощью модели Ричардсона /3/) и ландшафтные (тип ландшафта и индекс развития растительности, характер почвенного покрова, номер кривой поверхностного стока, коэффициент стаивания и т.д.) характеристики. В результате моделирования рассчитывается баланс влаги на поверхности водосбора с учетом накопления и таяния снега – испарение с поверхности растительности, склоновый сток и впитывание в почву, а также значения потенциальной эвапотранспирации, характеризующие водно-энергетический потенциал ландшафта.

Второй блок представлен моделью нестационарного влагопереноса в зоне аэрации с учетом отбора влаги корнями растений и испарения из почвы /2/. Исходными данными для моделирования являются водно-физические свойства почвенного покрова и пород зоны аэрации, характеристики корневой зоны. В качестве верхнего граничного условия на поверхности почвы используются полученные в первом блоке суточные величины потенциальной эвапотранспирации и впитывания. В качестве нижнего граничного условия используется заданная высота давления, соответствующая заданной глубине залегания уровня грунтовых вод. В результате расчетов оцениваются: испарение из почвы, транспирация растительностью и отток на зеркало грунтовых вод – собственно, инфильтрация.

Использование таких моделей, отражающих типовые условия формирования водного баланса на поверхности земли и в зоне аэрации для оценки инфильтрационного питания подземных вод в региональном масштабе, основано на поэтапном решении следующих задач.

1. Районирование рассматриваемой территории по комплексу метеорологических, ландшафтных, почвенных, гидрологических и гидрогеологических факторов с выделением участков речных бассейнов, отличающихся по условиям формирования водного баланса поверхности водосбора, почвенного покрова и зоны аэрации.

2. Проведение схематизации типовых ландшафтных, гидрологических, почвенных и гидрогеологических условий для выделенных районов и обоснование их параметрических характеристик для построения моделей трансформации осадков на поверхности водосбора и влагопереноса в зоне аэрации.

3. Моделирование типовых ландшафтно-климатических условий на поверхности водосбора и влажностного режима зоны аэрации и количественная оценка среднемноголетних составляющих водного баланса водосбора – величин суммарной эвапотранспирации, поверхностного (склонового) стока и инфильтрации.

4. Верификация расчетных элементов баланса типовых ландшафтно-климатических и гидролого-гидрогеологических условий для речных бассейнов площадью свыше 1,5-2 тыс.км2, в границах которых происходит полное дренирование горизонтов зоны активного водообмена. Верификация проводится на основе сравнения фактических значений среднемноголетнего расхода речного стока в замыкающем створе бассейна и суммой расчетных среднемноголетних расходов инфильтрационного питания и склонового стока, вычисленных для всех типовых условий водосбора с учетом площади их распространения, и достигается путем корректировки параметров типовых моделей.



23 – 25 апреля 2008 г.

5. Построение итоговой карты среднемноголетнего инфильтрационного питания подземных вод с отражением количественных закономерностей его изменения в зависимости от положения уровня грунтовых вод.

Представленная методика оценки инфильтрационного питания подземных вод отличается жестким балансовым «контролем», как на границах внутренних взаимосвязанных численных моделей, так и в границах всего рассматриваемого геогидрологического цикла – за счет строгого соответствия расчетных величин инфильтрационного питания граничным условиям поступления влаги на поверхность бассейна (осадки) и ее отвода (речной сток), которые достаточно однозначно характеризуются фактическими данными.

Рассмотренная методика оценки инфильтрационного питания иллюстрируется на примере построения карты инфильтрационного питания юго-западной части Московского артезианского бассейна (Калужская область). При этом анализируются региональные закономерности составляющих водного баланса речных бассейнов территории в зависимости от природной изменчивости метеоклиматических, ландшафтных и гидролого-гидрогеологических условий.

Литература:

1. Шестаков В.М. Поздняков С.П. Геогидрология М., 2003 2. Simunek J., Seyna M., van Genuchten M.Th. “The Hydrus-1D Software Package for Simulating the One-Dimensional Movement of Water, Heat and Multiple Solutes in Variably Satured Media”- U.S. Salinity Laboratory, Agricultiral Research Service, U.S. Departament of Agriculture Riverside, California,1998 3. Richardson, C. W., and Wright, D. A. "WGEN: A model for generating daily weather variables," ARS-8, Agricultural Research Service, USDA. 83 pp. 1984. ОЦЕНКА РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЭВАПОТРАНСПИРАЦИЕЙ МЕТОДАМИ

МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНОГО ДАГЕСТАНА)

Гриневский С.О., Преображенская А.Е. Кафедра гидрогеологии МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия

Изучение роли эвапотранспирационной разгрузки подземных вод в общем водном балансе

территории и ее количественная оценка проведены для Самур-Гюльгерычайской аллювиально-пролювиальной равнины (АПР) Южного Дагестана. Данная структура, принадлежащая западной периферии Кусарской АПР и частично расположенная в пределах Республики Азербайджан, сложена песчано-гравийно-галечными отложениями слившихся конусов выноса с обильным питанием подземных вод и слабой расчлененностью поверхности. Геолого-гидрогеологическое строение Самур-Гюльгерычайской АПР характеризуется типичной зональностью, определяющей условия формирования, транзита и разгрузки потока подземных вод при его относительной балансовой замкнутости /1/.

Главной приходной статьей баланса потока (74%) является фильтрация из рек и каналов; остальные 26% формируются в основном за счет площадной инфильтрации атмосферных осадков и ирригационных вод, а также – притока по долинам рек со стороны горного обрамления. Основная разгрузка подземных вод осуществляется на устьевых участках рек Самур и Гюльгерычай, а также - многочисленными родниками и карасу - в прибрежной зоне выклинивания потока и количественно оценивается по материалам гидрогеологического мониторинга территории, осуществляемого ГУП РЦ «Дагестангеомониторинг». Вместе с тем, специфика метеоклиматических условий территории и близкое залегание уровней грунтовых вод (УГВ) в прибрежной зоне АПР свидетельствуют о значительной роли разгрузки подземных вод эвапотранспирацией на территории развитого здесь уникального реликтового лесного массива – Самурского Природного Комплекса (СПК). Практическая значимость данной расходной статьи баланса потока подземных вод, не поддающейся прямому инструментальному измерению, обусловлена необходимостью сохранения уникальных водно-балансовых условий СПК при сложившемся и перспективном использовании водных ресурсов территории. Количественная оценка разгрузки подземных вод эвапотранспирацией в пределах Самур-Гюльгерычайской АПР проведена на основе поэтапного моделирования.

На первом этапе осуществлено моделирование эвапотранспирации и оценка (калибрация) параметров этого процесса с использованием одномерных моделей влагопереноса в зоне аэрации /3/ для типовых разрезов и ландшафтных условий территории СПК. Данный подход основан на анализе вертикального водообмена в зоне аэрации. Основой для моделирования явились метеорологические



данные и материалы двухлетних режимных наблюдений за влажностью пород зоны аэрации и глубиной залегания УГВ на типовых участках. Оценка соответствия моделей природным условиям проведена на основе сопоставления фактической и модельной динамики влажности пород зоны аэрации за рассматриваемый период. В результате моделирования получены гидрофизические параметры пород зоны аэрации и доказано, что в ее годовом водном балансе превалирует восходящий отток влаги с уровня грунтовых вод, формирующий эвапотранспирационную разгрузку. Далее, на откалиброванных моделях проведено обоснование среднемноголетней зависимости скорости эвапотранспирации от глубины залегания УГВ, характерной для типовых ландшафтно-гидрогеологических условий путем моделирования процессов влагопереноса за расчетный (синтезированный) 100-летний метеоклиматический период. Полученные типовые зависимости интенсивности эвапотранспирационной разгрузки от глубины залегания УГВ используются далее для оценки ее роли в общем балансе потока подземных вод – на основе гидродинамического моделирования всей структуры.

На втором этапе проведено геофильтрационное моделирование условий формирования и разгрузки потока подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР, в ходе которого расход эвапотранспирации вычисляется в соответствии с расчетным положением УГВ.

Верификация разработанной модели АПР, отражающей балансово-гидродинамические закономерности формирования потока подземных вод, проводится на основе сопоставления расчетных и фактических уровней подземных вод и значений расходов разгрузки на различных участках территории. Итогом моделирования сложившихся водно-балансовых и гидродинамических условий территории АПР явились уточненные количественные оценки балансовой структуры потока подземных вод. Ее анализ показывает существенную роль эвапотранспирационной разгрузки в целом (порядка 20% от общего расхода потока) и позволяет оценить ее интенсивность на различных участках СПК.

Разработанная балансово-гидродинамическая модель территории АПР позволяет анализировать различные варианты перспективного использования подземных вод в ее пределах, главным лимитирующим фактором при которых является сохранение уникального лесного массива СПК. Основным критерием нормального функционирования СПК является положение уровня грунтовых вод, обеспечивающее требуемые водно-балансовые условия на территории леса, показателем которых может являться его «транспирационная способность». Понижение УГВ ниже критических глубин от поверхности земли, которые по данным В.А.Полянской составляют для различных формаций от 2,5 до 4 м /2/, приводит к деградации лесного сообщества, что неплохо коррелируется с полученными кривыми затухания интенсивности эвапотранспирационной разгрузки с глубиной. В то же время, анализ современного положения уровня подземных вод в пределах СПК показывает, что на некоторых участках УГВ находятся существенно выше критических отметок, что обеспечивает допустимость прогнозного снижения их уровня.

Адекватное отражение на модели эвапотранспирационной разгрузки подземных вод при различной глубине их залегания позволяет рассмотреть один из вариантов проектного расположения водозаборного сооружения в непосредственной близости от СПК, при котором прогнозное положение уровня грунтовых вод при эксплуатации, на территории лесного массива не достигает критических глубин. В этом случае происходит незначительное, в целом, среднегодовое сокращение разгрузки подземных вод путем эвапотранспирации - на 6% по сравнению со сложившимися условиями, однако это вносит ощутимый вклад в формирование эксплуатационного дебита водоотбора – порядка 13%.


1. Листенгартен В.А. Формирование ресурсов подземных вод аллювиально-пролювиальных равнин. Баку, изд-во «ЭЛМ». Баку, 1987

2. Полянская А.В. Сохранение растительного покрова в дельте р.Самур в связи с развитием народного хозяйства. М., ИВП АН, дисс. к.т.н., 1990

3. Šimůnek J., M. Th. van Genuchten and M. Šejna The HYDRUS-1D Software Package for Simulating the One-Dimensional Movement of Water, Heat, and Multiple Solutes in Variably-Saturated Media. Version 3.0. Preprint DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCES UNIVERSITY OF CALIFORNIA RIVERSIDE RIVERSIDE, CALIFORNIA. 2005, 270 р.



23 – 25 апреля 2008 г.

ПОСТРОЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИМЕРЕТИНСКОЙ НИЗМЕННОСТИ

Громов В.Е., Пашковский И.С.

ЗАО «Геолик Консалтинг», Москва, Россия

В связи с проектом строительства Олимпийских объектов на территории Имеретинской низменности возникла необходимость оценить гидрогеологические условия территории, чтобы в дальнейшем разработать проект инженерной подготовки территории строительства. Основной задачей было определение основных составляющих баланса территории

Имеретинская низменность расположена вдоль побережья Черного моря, на юго-восток от Адлера. Она представляет собой территорию, длиной примерно 7 км и шириной 1.5-2.5 км, ограниченную с юго-запада Черным морем, с северо-востока горами, с северо-запада р. Мзымтой и с юго-востока – р. Псоу, по которой проходит граница с Абхазией.

В рельефе низменности преобладают абс. отм. 1-2 м над уровнем моря. В центральной части имеется участок с абс. отм. ниже уровня моря - -0.3 м. Рельеф плавно повышается к долинам рек, а также вблизи гор до 5-8 м абс. отм.

Климат рассматриваемой территории относится к субтропическому и характеризуется преобладанием осадков над испарением. В среднем осадки составляют 1500 мм в год, в то время как испарение 700 мм. Осадки выпадают преимущественно зимой в виде дожей, редко в виде снега, который быстро тает из-за преобладания положительных температур.

Гидрографическая сеть представлена устьевыми участками рек Мзымта и Псоу. Важное значение для территории имеет мелиоративная система, созданная в середине

прошлого века. Около 5 км2 занимает дренажная сеть, проложенная как в лагунных глинах, так и в песчано-галечных отложениях низменности. Дренажные воды самотеком поступают к насосной станции, расположенной у берега моря, и сбрасываются в море. Часть территории орошается водой, поступающей самотеком из р. Псоу. Поверхностный сток с гор отводится нагорным каналом, который на отдельных участках также служит в качестве дренажа.

В предгорной части низменности распространены лагунные глины мощностью до 30-40 м, которые повсеместно подстилаются переслаивающимися высокопроводимыми песчано-галечными разностями современного морского происхождения. Как упоминалось ранее, с северо-запада и юго-востока Имеретинская низменность ограничена рр. Мзымтой и Псоу, русловые отложения которых также имеют высокую проницаемость и взаимосвязь с подстилающими их современными морскими отложениями.

Все описанные выше особенности легли в основу схематизации гидродинамической модели. Для моделирования естественно-антропогенных (современных) гидрогеологических условий территории была принята стационарная постановка обратной задачи.

Вдоль моря и рек Мзымта и Псоу были заданы границы III рода. Со стороны горного обрамления задавалась граница II рода с заданным расходом.

Взаимосвязь подземных вод с рр. Мзымта и Псоу задавалась через сопротивление подрусловых отложений, которое было оценено по разнице уровней в скважинах и реках. Сопротивление морских прибрежных отложений также определялось по соотношению уровней в скважинах и в море.

Подземный приток с горного обрамления оценивался по его водосборной площади с учетом коэффициента поверхностного стока.

Инфильтрационное питание подземных вод определено по данным режимных наблюдений за колебанием уровня. Оценка проведена отдельно для лагунных глин и для песчано-галечных отложений, и учитывала экспоненциальную зависимость инфильтрации от глубины залегания уровня.

Разгрузка через дренажную систему оценивалась по интенсивности работы насосной станции, перекачивающей дренажный сток в море. Среднегодовой дренажный сток составляет 35 тыс.м3/сут. Минимальный среденмноголетний дренажный сток, оцененный для периодов без осадков составляет 29 тыс.м3/сут. Таким образом, значительную долю в дренажном стоке составляет разгрузка подземных вод.

При построении модели расчетными были заданы два слоя. Первый – в пределах распространения лагунных глин, второй представлял собой единый водоносный горизонт, включавший в себя современные морские и аллювиальные отложения, а также средне-верхнечетвертичные морские и аллювиальные отложения. Нижняя граница модели была принята непроницаемой.



Взаимосвязь между первым и вторым водоносными горизонтами на участке распространения глин задавалось коэффициентом перетекания.

Проводимость второго расчетного слоя была получена суммированием проводимостей слоев различного литологического состава и возраста. Для каждой возрастной толщи были оценены мощности составляющих их песчаных и гравийных отложений, а также коэффицинеты фильтрации этих отложнений, что позволило получить картограммы проводимости отдельных литологических слоев. Следует отметить, что по данным архивных скважин, в которых проводились одиночные откачи, коэффициенты фильтрации гравийных отложений оценивались в 300-400 м/сут. При построении суммарной карты проводимости такие слои внесли наиболее существенный вклад. Поэтому на карте наблюдаются участки с проводимостью от 1500 до 3000 м2/сут. Высокой проводимостью также характеризуются долины рр. Мзымта и Псоу, где суммарная проводимость доходила до 4000 м2/сут

На основе указанной выше схематизации в программной среде ModTech, разработанной ЗАО «Геолинк Консалтинг», была реализована гидродинамическая модель Имеретинской низменности.

Правильность построения модели проверялась по нескольким признакам. Во-первых, проводилось сопоставление модельных и фактических значений напоров по скважинам по двум расчетным слоям. Во-вторых, достигалось соответствие модельных балансовых составляющих имеющимся данным о дренажном стоке.

Построенная модель отражает сложившуюся гидрогеологическую ситуацию территории Имеретинской низменности. Инфильтрационное питание территории составляет 39 % от общего поступления воды, на долю рек приходится 31 %, 15 % – приток от горного обрамления. Разгрузка происходит преимущественно за счет дренажа – 84 %, в Черное море поступает всего лишь 16 %.

На основе модели была создана прогнозная задача, в которой была смоделирована ситуация полного разрушения существующей дренажной сети. Моделирование показало, что уничтожение дренажа приведет к полному затоплению территоии (образованию водной поверхности) площадью 190 га и подтоплению территории площадью 395 га. В итоге, подтоплению и затоплению подвергнется площадь, составляющая около половины осваиваемой территории.

На следующих стадиях проектирования предполагается использовать модель для обосновать проектных решений по защите территории от подтопления.

ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИГРАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ ПОСТАНОВКЕ (MT3D И АНАЛОГИ)

Лехов А.В.

Геологический факультет МГУ им. Ломоносова, Москва, Россия

Моделирование миграции загрязнений чаще всего осуществляется в посылке существования одного растворенного вещества, не взаимодействующего с другими компонентами раствора. Кроме собственной дефективности такого подхода, существует инерционность развития гидрогеологических исследований. Они ориентированы преимущественно на определение водно-балансовых характеристик и соответствующих интегральных параметров водоносных и водоупорных пластов. Последние, чаще всего, характеризуются явно недостаточно. Существует несколько неудобств построения адекватных моделей миграции однокомпонентного раствора: 1) схематизация среды миграции, 2) многокомпонентность раствора, 3) недостатки матобеспечения.

Схематизация среды миграции: Транспорт: представление многослойного реального пласта одним модельным должно

обеспечиваться виртуальными параметрами проницаемости, пористости, дисперсивности; наличие реальных каналов, плохо выявляемых ОФР и геофизическими методами в техногенно нагруженных районах.

Межфазный обмен: определение гетерогенно-блоковой среды как сосредоточенной емкости при сильно сорбируемом мигранте, что приводит к переменной во времени эффективной пористости.

Многокомпонентность раствора: Коэффициент распределения – функция закомплексованности с, в общем случае,

сорбируемыми и/или разлагающимися лигандами. Диффузионный обмен многих металлов (нормируемых микрокомпонентов) с блоками определяется минерализацией раствора и естественной их распространенностью (кларк).



23 – 25 апреля 2008 г.

Недостатки матобеспечения: Изменение фильтрационных и миграционных параметров среды во времени в зависимости от распространения мигрирующих растворов (карст). Изменение характеристик гетерогенно-блоковой среды при осаждении минералов за счет диффузии. Изменение проницаемости современными техногенными тектоническими процессами. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВОВ ГРУНТОВ ПОД

ВОЗДЕЙСТВИЕМ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Тер-Мартиросян З.Г. Московский Государственный Строительный Университет, Москва, Россия

При решении различных задач прикладной геомеханики возникает необходимость изучения и

количественного прогнозирования геомеханических процессов, протекающих в массивах многофазных грунтов, взаимодействующих с сооружениями и окружающей средой. Очевидно, такой прогноз связан с прогнозом НДС массива во времени.

Решение таких задач возможно при использовании достижений инженерной геологии, гидрогеологии, грунтоведения, механики грунтов.

Геомеханический процесс, протекающий в массивах многофазных грунтов неоднородного строения, состава, размеров и формы инженерно-геологических элементов (ИГЭ) осложняются влиянием на него многочисленных факторов, в том числе случайных, что иногда приводит к необходимости рассмотрения стохастического метода прогнозирования НДС.

В большинстве же случаев геомеханический процесс детерминированный, осложненный, однако, случайными составляющими, такими, как изменчивость физико-механических свойств грунтов в пространстве и во времени, граничных условий (атмосферные и сейсмические воздействия), погрешность в определении механических свойств грунтов и т.п. Наличие таких случайных факторов ограничивает степень обоснованности и достоверности количественного прогнозирования геомеханических процессов детерминированными методами и делает его, вообще говоря, только вероятным.

В связи с этим можно говорить не об однозначном прогнозе НДС массивов грунтов, а о вероятных пределах его изменений. В настоящем докладе рассматриваются только детерминированные методы прогноза НДС массивов, полагая, что случайные или кратковременные факторы могут быть учтены путем наименее выгодного их сочетания в расчетной схеме той или иной геомеханической задачи.

В настоящее время математическое моделирование НДС массивов грунтов осуществляется численными методами: методами конечных элементов, конечных разностей и граничных элементов (МКЭ, МКР, МГЭ) с использованием нелинейных моделей грунтов. Это позволяет рассматривать НДС массива неоднородного сложения с учетом поэтапности его нагружения, изменения граничных условий, формы и размеров расчетной области, изменения параметров деформируемости и прочности грунтов ИГЭ на каждом этапе и др.

Вместе с тем, в некоторых случаях удается получить решение прикладных задач аналитическим методом.

1. Оседание земной поверхности при строительном водопонижении Строительное водопонижение осуществляется при осушении территории, а также котлована

под защитой ограждающих конструкций для производства земляных работ. При этом внутри котлована и за его пределами меняется НДС грунта, которое в конечном итоге приводит к оседанию земной поверхности в пределах контура котлована и за его пределами.

В большинстве случаев ограждающая конструкция котлована заглубляется в водонепроницаемый слой и это исключает приток воды в котлован из-за стены. В таких случаях водопонижение в самом котловане не приводит к образованию депрессионной воронки за его пределами, а лишь к равномерному водопонижению уровня воды внутри котлована. В некоторых случаях неводопроницаемый слой находится на большой глубине и приходиться ограждающую конструкцию углублять или создавать противофильтрационные элементы (вертикальные и горизонтальные) с тем, чтобы сократить приток воды в котлован. Как в первом, так и во втором случаях возникает необходимость выполнения гидрогеологических и геомеханических расчетов. Первые – для определения изменения гидрогеологических условий, а вторые – для определения НДС массива.



Основным фактором, влияющим на НДС массива при водопонижении, является изменение удельного веса грунта до и после водопонижения, когда частицы грунта освобождаются от действия архимедовских сил взвешивания в поровой воде.

Следует отметить, что архимедовские силы взвешивания действуют, в основном, в песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах. В плотных глинистых грунтах архимедовские силы взвешивания практически отсутствуют, т.к. вода в порах, в основном, связанная.

Известно, что удельный вес водонасыщенного грунта во взвешенном состоянии определяется по формуле:

),1()( ппsнвз −⋅−== γγγγ (1)

а удельный вес неводонасыщенного влажного грунта определяется по формуле: )1)(1( nwsнв −+= γγ , (2)

где γs, γw, γвз, γнв – удельные веса минеральных частиц, поровой воды, водонасыщенного, взвешенного и неводонасыщенного грунта соответственно; п – пористость грунта.

Это означает, что при водопонижении в каждом единичном объеме грунта возникает

дополнительная объемная сила, равная: )1)(( nw wsвзнв −+⋅=−=∆ γγγγγ (3)

В простейшем случае, когда водопонижение имеет место в однородном водонасыщенном слое толщиной h на большой площади на глубину h1<h, осадку поверхности можно определить по формуле:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅

∆= 21

21

2)( hhh

ES νβγ

, (4)

где h2=h-h1; E - модуль деформации грунта; β(ν)≈0,8 и зависит от коэффициента Пуассона (ν) /4/.

Такая ситуация возникает, когда на больших территориях, в том числе городских, имеет место водопонижение или снижение напора в водоносных горизонтах, вследствие откачки из него воды для нужд города /3, 6/.

В последнем случае осадка поверхности земли будет определяться по формуле:

hEHS w ⋅⋅∆

= )(νβγ, (5)

где ∆H – изменение напора воды в водоносном горизонте; h – толщина слоя водоносного напорного горизонта. При образовании депрессионной воронки при строительном водопонижении для

количественной оценки НДС массива грунта и определения осадки его поверхности необходимо решать более сложную задачу, особенно, если массив неоднородный.

В таких случаях неизбежно приходится использовать численные методы, как при определении депрессионной кривой в заданных граничных условиях, так и при определении НДС массива. Как и в предыдущих случаях основным фактором является действие дополнительных объемных сил в единице объема грунта (3).

На рис. 1 и 2 приведены результаты расчета НДС неоднородного массива до, и после водопонижения в основании и вокруг котлована при отсутствии водоупора. При решении этих и последующих задач использовались расчётные параметры грунтов приведённые в таблице. Видно, что на поверхности грунта образуется мульда оседания, которая распространяется на значительное расстояние от ограждающей конструкции.

Таблица физико-механических свойств грунтов к рис. 1-7.

Name g_unsat g_sat k_x k_y nu E_ref c_ref phi

[kN/m^3] [kN/m^3] [m/day] [m/day] [ - ] [kN/m^2] [kN/m^2] [ ° ]

k1 15 20 0.08 0.08 0.3 5000 1 25

k2 15 20 0.05 0.05 0.3 10000 1 25

k3 15 20 0.001 0.001 0.3 30000 1 25

k4 15 20 0.001 0.001 0.3 200000 100 25

k5 15 20 0.05 0.05 0.3 10000 20 25



23 – 25 апреля 2008 г.

Name g_unsat g_sat k_x k_y nu E_ref

[kN/m^3] [kN/m^3] [m/day] [m/day] [ - ] [kN/m^2]

стена 23 23 0 0 0.22 30000000

Рис. 1. Расчётная схема с указанием уровней грунтовых вод после водопонижения в котловане

Рис. 2. Изолинии вертикальных перемещений(осадки) после водопонижения внутри котлована

Если под водонепроницаемым слоем толщиной hс лежит водоносный слой с напором Hp w ⋅= γ , то необходимо проверить условие выдавливания водоупорного слоя, т.е.

cw hHp ⋅≤⋅= γγ (6)

2. Оседание земной поверхности вследствие суффозии и карстово-суффозионного процесса Суффозия и карстово-суффозионные процессы связаны фильтрацией воды в массивах грунтов

и полускальных породах. Различают механическую и химическую суффозию, вследствие чего в определенных локальных областях массива физико-механические свойства (плотность, гранулометрический и химический состав) существенно меняются во времени. Это приводит к изменению НДС массива без изменения внешних силовых воздействий и к оседанию земной поверхности. Суффозия иногда может быть обусловлена техногенными воздействиями, в том числе изменением гидрогеологических условий (барражный эффект, утечки из подземных коммуникаций и др.).

Суффозионность, как известно, зависит от гранулометрического и химического состава грунта и градиента напора воды в его порах. Существуют критерии для оценки суффозионности грунтов. При известных параметрах изменения физико-механических свойств грунтов в основании сооружений и местоположения локальной области ослабления грунтов по отношению к фундаменту сооружения НДС такого массива легко поддается количественной оценке численными методами прикладной геомеханики.

Карстово-суффозионные процессы, как правило, приурочены к территориям, в геологическом разрезе которых присутствуют растворимые горные породы, кровля которых контактирует с рыхлыми отложениями, и имеет место интенсивный фильтрационный поток подземных вод. В зависимости от минералогического состава скальные и элювиальные грунты могут быть подвержены: разрушению и



распаду агрегатов сланцев, аргелитов, алевролитов и других пород; растворению и выносу гипса или каменной соли; набуханию и просадке элювиальных грунтов.

Следует отметить, что в результате инженерно-геологических изысканий не всегда удается получить необходимую информацию о строении и свойствах грунтового массива, который должен взаимодействовать с проектируемым сооружением. Это особенно касается оценки карстово-суффозионной опасности грунтов оснований сооружений. Часто изыскатели в своих заключениях без достаточного обоснования записывают фразу «в карстово-суффозионном отношении опасно» или «грунты суффозионно неустойчивы». Такие выводы изыскателей ставят проектировщиков в сложное положение, т.к. это требует дополнительных изысканий и дополнительное финансирование.

Карстовые провалы на конечной стадии характеризуются диаметром, глубиной и кривизной земной поверхности и наклоном краевых участков зоны оседания.

Для разработки конструктивных мероприятий по снижению неблагоприятных воздействий карста необходимо прогнозировать НДС массива, пораженного карстовыми процессами. К этим мероприятиям относятся: увеличение жесткости и прочности надфундаментной конструкции, усиление несущих элементов, применение коробчатых фундаментов, плоских и ребристых плит и т.д. Применение отдельно стоящих фундаментов не допускается.

На рис. 3 и 4 приводятся результаты расчета плитного фундамента в глубоком котловане, в основании которого после строительства образовалась карстовая полость. Видно, что при этом фундаментная плита претерпевает дополнительные неравномерные осадки до 40 см, что недопустимо. Такие расчеты, выполненные для нескольких объектов высотного строительства, показали, что влияние карстовых полостей на глубине 30-40 метров от подошвы плиты не оказывают существенного влияния на контактные напряжения под плитным фундаментом.

Рис. 3. Изолинии вертикальных перемещений массива после образования карстовой полости.

Рис. 4. Деформированная конечно-элементная сетка после образования карстовой полости под краем

фундаментной плиты.



23 – 25 апреля 2008 г.

3. НДС фильтрующих массивов грунтов Фильтрационный поток в массиве грунта оказывает механическое воздействие на скелет

грунта, которое характеризуется фильтрационной силой, сопоставимой с силой тяжести. Восходящий фильтрационный поток может привести к деформированию и разрушению скелета грунта. Поэтому в прикладных задачах геомеханики рассматривают НДС фильтрующих массивов под воздействием внешних сил, сил гравитации, фильтрации и сейсмики, т.е. объемных сил.

Фильтрационная сила, как известно, /2-6/ определяется по формуле: nwn iF ⋅= γ , (7)

где γw – удельный вес поровой воды, in – гидравлический градиент в направлении движения воды. Если обозначить через σх, σy и τxy напряжения в скелете грунта (плоская задача),

возникающая под воздействием фильтрационных сил, то для определения НДС фильтрующего массива необходимо в уравнении равновесия в правой части ввести объемные силы фильтрации

nwn iF ⋅= γ , т.е.

xxyx Fyx

=∂∂

+∂∂ τσ

; yyxy Fyx

=∂∂

+∂∂ στ

, (8)

где wx xyxHF γ⋅

∂∂

=),(

; wy yyxHF γ⋅

∂∂

=),(

,

H(x,y) – напорная функция, удовлетворяющая уравнению Лапласа 0),(2 =∇ yxH и соответствующим граничным условиям.

Если скелет грунта упругий (линейно-деформируемый), то, вводя функцию напряжений φ(x,y) можно определить компоненты фильтрационных напряжений с помощью уравнений:

Vyx +∂∂

= 2

2ϕσ ; Vxy +∂∂

= 2

2ϕσ ; yxxy ∂∂

∂=

ϕτ2

, (9)

где φ(x,y) удовлетворяет бигармоническому уравнению:

02 4

4

22

4

4

4

=∂∂

+∂∂

∂+

∂∂

yyxxϕϕϕ

, (10)

где [ ]yyxHV w +−= ),(γ .

Рассмотрим НДС основания глубокого котлована, под воздействием сил фильтрации полагая, что коэффициент фильтрации грунтов за ограждающей конструкцией на порядки больше, чем грунтов основания. Можно показать /5/, что в этом случае решение задачи сводиться к определению НДС грунтового полупространства 0≥y под воздействием фиктивной поверхностной нагрузкой

интенсивностью Hq wγ= , приложенной на границе y=0, x≤0, т.е.

222222

222

4)()(2yaayx

ayxazqyxaarctg

yxaarctgqqx +−+

−−⋅+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++

−−=

ππσ ;

222222

222

4)()(2yaayx

ayxazqyxaarctg

yxaarctgqqy +−+

−−⋅−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++

−−=

ππσ ; (11)

222222

2

4)(4

yaayxaxyq

xy +−+⋅=

πτ ,

где a – полуширина котлована.



Рис. 5. Расчётная (а) и эквивалентная (б) схемы для определения НДС основания котлована под действием фильтрационных сил. Коэффициенты фильтрации в слоях 1 и 2 отличаются на порядки (k1>>k2)

Оседание и поднятие грунта на уровне y=0 можно определить по формуле /1/

[ ]222

)()()()()1(2 axnaxaxnaxE

HvV w +⋅+−−⋅−⋅−

= llπ

γ (12)

Скорости фильтрации в области 0>y ; 0<<− xa могут быть определены по формулам /2/

22)( yaxykHи++

⋅=π

; 22)()(yax

axkHи++

+⋅=

πm (13)

На рис. 6 и 7 представлены результаты расчетов (МКЭ) НДС неоднородного массива грунта в основании и за ограждением котлована (плоская задача) под воздействием фильтрационных сил, которые возникают при снижении уровня воды в котловане до его дна. Видно, что дно котлована под воздействием только фильтрационных сил поднимается, а поверхность грунта за ограждающей конструкцией оседает.

В простейшем случае НДС фильтрующего пласта, толщиной h, наклоненного к горизонту под углом α , можем получить компоненты НДС слоя, если направить ось х вдоль пласта, y - перпендикулярно к пласту, а начало координат установить на поверхности слоя, т.е.

)( yhвзy −⋅= γσ ; )(sin)( yhwвзxz −+= αγγτ ;

yzx σξσσ ⋅== 0 , (14)

где oξ - коэффициент бокового давления.

Устойчивость наклонного пласта обеспечена, если коэффициент устойчивости:

1>=xy

прy τ

τη , (15)

где прτ - предельное сопротивление сдвигу, определяемое выражением:

ctgyпр +⋅= ϕστ , (16)

где φ – угол внутреннего трения, с – сцепление грунта. Подставляя (16) в (15) с учетом (14), получим:

)(sin)(

)(yhctgyh

wвз

взy −⋅+

+⋅−=

αγγϕγη (17)

Из этого уравнения следует, что учет фильтрационных сил αγ sin⋅w уменьшает коэффициент

устойчивости наклонного пласта.



23 – 25 апреля 2008 г.

Рис. 6. Изолинии давления воды в порах после понижения уровня воды в котловане

Рис. 7. Изолинии вертикальных перемещений под действием фильтрационных сил после понижения уровня воды в котловане

Для определения коэффициента устойчивости фильтрующих откосов неоднородного сложения

методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения определяют интегральную фильтрационную силу, действующую по площади между депрессионной кривой и круглоцилиндрической поверхностью /3/.

В заключение хочу выразить благодарность аспиранту кафедры МГрОиФ МГСУ Тер-Мартиросяну А.З., который участвовал в математическом моделировании изложенных задач и их решению численным методом с использованием программного комплекса Plaxis.

Основные выводы 1. Количественная оценка НДС массивов водонасыщенных грунтов под воздействием

гидрогеологических факторов в настоящее время приобретает доминирующее положение в прикладной геомеханике в связи со строительством высотных зданий в глубоких (более 6 м) котлованах и освоением подземного пространства городов.



2. Наиболее существенное влияние на НДС массивов водонасыщенных грунтов оказывают следующие гидрогеологические факторы: изменение гидрогеологических условий строительной площадки (водопонижение, дренаж), суффозия, карстово-суффозионный процесс.

3. Имеющиеся в настоящее время комплексные программы позволяют осуществить математическое моделирование стационарного и нестационарного режима движения грунтовых вод при любой неоднородности массива и граничных условий, а также НДС такого массива.


1. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел, т. 2. Изд. Мир, М., 1969 г., 845 с. 2. Полубаринова – Кочина П.Я. – Теория движения грунтовых вод. Изд. Наука, М., 1977 г., 640

с. 3. Тер-Мартиросян З.Г. – Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов.

Изд. Недра, М., 1986 г., 291 с. 4. Тер-Мартиросян З.Г. – Механика грунтов. Изд. АСВ, М. 2005 г., 487 с. 5. Флорин В.А. Механика грунтов, т. 1. Стройиздат, Л-М, 1959 г., 356 с. 6. Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве, М.

Высшая школа, 1981 г., 317 с.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭКСПЛУАТАЦИОНЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ДЕЙСТВУЮЩЕМ ВОДОЗАБОРЕ Г. УЛЬЯНОВСКА

Шестаков В.М.1, Ван Пин1, Куваев А.А.2, Гончаренко Д.Б.2

1 – Кафедра гидрогеологии МГУ им. М.В. Ломоносова, 2 – Группа компаний «ШАНЭКО», Москва, Россия

Рассматривается система геофильтрационных моделей, используемых на всех стадиях оценки

запасов подземных вод на участке водозабора г. Ульяновска. При моделировании использовался программный комплекс PMWIN PRO.

Водозабор представляет собой ряд из 28 скважин, расположенных вдоль берега Куйбышевского водохранилища в 150 – 200 м от абразивного берегового уступа. Водозабор эксплуатирует водоносный пласт нижне-среднечетвертичных аллювиальных отложений. В кровле пласта залегают глинистые покровные отложения, в подошве - юрский водоупор. Водозабор работает более 25 лет, при этом в течение последних 7 лет эксплуатирующая организация (МУП «Ульяновскводоканал») проводит систематические наблюдения за дебитом водоотбора, уровнями и химическим составом подземных вод. Средний дебит водоотбора в настоящее время составляет 30 тыс. м3/сут при перспективной потребности 110 тыс. м3/сут.

В процессе выполнения работ была создана система гидрогеодинамических моделей для решения таких задач как

• интерпретация результатов гидрогеологического мониторинга; • обоснование геофильтрационной схемы месторождения подземных вод; • оценка скин-эффекта водозаборных скважин; • прогнозные расчеты предельных понижений уровней подземных вод; • расчеты зон захвата водозаборных скважин. При интерпретации результатов гидрогеологического мониторинга для отдельных участков

водозаборного ряда были разработаны локальные геофильтрационные модели, включающие отдельные группы водозаборных скважин. Поскольку действующий водозабор характеризовался сложным режимом работы скважин, для моделирования выбирались временные периоды, для которых мог быть принят квазистационарный режим уровней подземных вод. В процессе калибровки локальных моделей оценивалась проводимость эксплуатируемого водоносного пласта, параметры фильтрационного сопротивления ложа водохранилища, удельный расход регионального геофильтрационного потока.

На этапе обоснования геофильтрационной схемы месторождения подземных вод была разработана и откалибрована региональная планово-пространственная геофильтрационная модель. Рассчитанные модельные напоры экплуатируемого водоносного пласта в водозаборных скважинах были использованы также для оценки скин-эффекта. На основе откалиброванной региональной геофильтрационной модели был сделан прогноз предельных понижений уровней подземных вод при дебите водоотбора, соответствующем перспективной потребности.



23 – 25 апреля 2008 г.

Результаты моделирования показали, что в современных условиях при дебите водоотбора 30 тыс. м3/сут эксплуатационные запасы на 60% обеспечиваются естественными ресурсами регионального потока и только на 40 % привлечением вод Куйбышевского водохранилища. Перспективная потребность (110 тыс. м3/сут) приблизительно в 2 раза превышает естественные ресурсы геофильтрационного потока, обеспеченные инфильтрационным питанием, составляющим по имеющимся оценкам 67 тыс. м3/сут. Таким образом, при увеличении водоотбора до перспективной потребности следует ожидать существенного изменения структуры баланса водоотбора и, соответственно, определенных изменений гидрогеологических условий месторождения.

В связи с этим представляется целесообразным дальнейшее развитие сети мониторинга, целью которого должно являться, прежде всего, получение дополнительной информации о параметрах фильтрационного сопротивления ложа Куйбышевского водохранилища, включая характеристики изменения указанных параметров в пространстве и во времени.

По химическому составу подземные воды соответствуют нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 за исключением повышенного содержания железа и марганца, а также значений цветности и мутности. В водозаборных скважинах не выявлено техногенных загрязняющих компонентов. В то же самое время, в одной из наблюдательных скважин зафиксировано повышенное содержание хлорид-иона, что может быть объяснено наличием источника техногенного загрязнения. Как показали модельные расчеты, дебит эксплуатационного водоотбора определяется поступлением вод из регионального подземного потока и привлечением вод Куйбышевского водохранилища. При увеличении дебита водоотбора до заявленной потребности 110 тыс. м3/сут произойдет изменение балансовой структуры эксплуатационных запасов вследствие увеличения доли привлекаемых ресурсов. Поскольку содержание железа в воде водохранилища существенно ниже, чем в подземных водах (не превышает 0.5 мг/л), следует ожидать снижения содержания железа в отбираемой воде в перспективе.

Расчет зон захвата водозаборных скважин проводился на трехмерной модели-врезке, разработанной на основе региональной модели. Анализ зон захвата свидетельствует, что в ближайшие годы возможно подтягивание к водозаборным скважинам азотных загрязнений из отдаленных источников, которыми могут быть территории садоводческих товариществ и сельскохозяйственных предприятий. Отсутствие проявлений загрязнения в водозаборных скважинах в настоящее время может быть объяснено, в частности тем, что азотное загрязнение в рассматриваемых условиях мигрирует преимущественно в аммонийной форме. Как известно, ион аммония сорбируется глинистыми породами, что существенно замедляет его миграцию в геофильтрационном потоке.

Помимо этого, возможно подтягивание к водозаборным скважинам загрязнения, формирующегося вблизи организованных и стихийных свалок.

Представляется целесообразным проведение в перспективе геоэкологических исследований, направленных на выявление источников загрязнения подземных вод в пределах границ третьего пояса ЗСО, оценка их интенсивности и прогноз миграции загрязнения к водозаборным скважинам.


1. Wen-Hsing Chiang; Wolfgang Kinzelbach: 3D-groundwater modeling with PMWIN: a

simulation system for modeling groundwater flow and pollution. Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hong Kong; London; Milan; Paris; Singapore; Tokyo: Springer 2000, 430 p.



МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОЦЕНКЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Алферова Н.С.

Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия До сих пор в некоторых районах используются поверхностные водозаборы. Из-за высокой

мутности и щелочности воду хлорируют и осветляют, ухудшая вкус и качество. В результате токсичный остаточный хлор превышает нормы. В связи с этим необходим перевод водоснабжения на подземные источники. Из подземных водозаборов в Оренбургской области предпочтение отдается аллювиальным инфильтрационным. Нами, на примере обеспечения водоснабжения пос. Энергетик, предлагается другие варианты.

Для предварительной оценки изменчивости гидродинамических параметров и минерализации подземных вод нижнекаменноугольного водоносного горизонта в зоне водоема проанализированы результаты опробования 23 скважин на компактной площади (30 км2) в процессе поисков и разведки питьевых вод для водоснабжения пос. Энергетик. По величине удельного дебита выделяется 4 разновидности известняково-терригенных пород.

Анализ данных свидетельствует о том, что ресурсы подземных вод без их восполнения не достаточны для обеспечения пос. Энергетик водами хозяйственно-питьевого назначения. Около 2/3 выработок вскрыли слабо обводненные и или практически безводные породы. В 22% случаев вскрыты умеренно обводненные и в 13% случаев сильно обводненные с удельным дебитом 6.8-9.2 л/с, но вода в них минерализованная /1/.

Полученные данные о поисках подземных вод на территории, прилегающей к Ириклинскому водохранилищу, показали, что водоносность терригенно-карбонатных пород и их химический состав отличаются исключительной пестротой. Водохранилище, характеризующееся относительно устойчивым химическим составом воды, не оказывает существенного влияния на формирование ресурсов подземных вод, исключая узкую полосу у водоема. При анализе изменчивости гидрохимических параметров учтены результаты апробирования пород с однородным типом трещиноватости и водопроницаемости. Подземные воды в прибрежной зоне Ириклинского водохранилища относятся к безнапорным или обладают слабым напором. Мощность водоносного горизонта меняется от 11 до 55 м при среднем значении 38 м. Показатель среднего квадратического отклонения σ = 14 м, что характерно для умеренно неоднородных толщ. Это подтверждает и коэффициент изменчивости V = 36.8%. Водопроницаемость их низкая, среднее значение Кф составляет 0.17 м/сут, а изменчивость показателей – значительна (V = 81.5%), что подтверждается и низкими величинами водопроводимости Кm, средняя величина которой равна 6.5 м2/сут, а коэффициент вариации – 95.2%.

Подобное обстоятельство объясняется, как различной степенью трещиноватости пород, так и неоднородностью их литологического состава: известняков, сланцев, песчаников, аргиллитов. Что касается минерализации подземных вод, то среднее значение ее в прибрежной полосе соответствует слабосолоноватым водам (2.1 г/л) при заметной изменчивости этого показателя (V=81%). Приведенные данные свидетельствуют о том, что на данной стадии изученности подземных вод, ориентироваться на них в качестве источника водоснабжения возможно только при применении методов восполнения их ресурсов пресными водами водохранилища.

Учитывая генезис солевого комплекса пород и тенденцию к его промыванию очевидна возможность улучшения его качества инженерными методами восполнения ресурсов подземных вод пресными водами водохранилища. Выполнено моделирование химического состава вод смесей из каменноугольного водоносного комплекса и поверхностных ─ из Ириклинского водохранилища. Три модели, отражающие состав смесей подземных вод каменноугольного водоносного комплекса с добавлением соответственно 10, 30 и 50% поверхностных вод Ириклинского водохранилища, показаны на рис. 3. Необходимо подчеркнуть, что в процессе восполнения запасов подземных вод за счет поверхностных, последние в процессе инфильтрации, судя по результатам моделирования, подвергаются самоочищению, и высокое качество их не вызывает сомнения.

При гидрогеоэкологическом моделировании учитывались режимные изменения химического состава вод Ириклинского водохранилища, и при всех вариациях химического состава вод, включая усредненный химический состав водоема, вариант хозяйственно-питьевого водоснабжения пос. Энергетик за счет восполняемых запасов каменноугольного водоносного комплекса представляется вполне обоснованной.



23 – 25 апреля 2008 г.

-506,35

-680

-853,65

-530,73

-694,62

-858,52

-517,85

-686,9

-855,95

-267,95

-361,25

-454,55

-271

-363,08

-455,16

-274,25

-365,03

-455,81

577,7

783,42

989,14

588,8

790,08

991,36

579

784,2

989,4

1057,2

1443,52

1829,84

1060,4

1445,44

1830,48

1063,5

1447,3

1831,1

-159,45

-211,07

-262,69

-150,55

-205,73

-260,91

-207,89

-154,15

-261,63 151,93

155,39

158,85

151,7

154,7

157,7

151,67

154,61

157,55

-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1 1

Na Ca Mg Cl SO4 HCO3

1 а) б) в) 2 а) б) в)

3 а) б) в)

мг/л

Рис. 3. Модели химического состава вод каменноугольного водоносного комплекса в скважине при восполнении их запасов за счет водохранилища а) на 10%; б) на 30%; в) на 50%; 1) в среднем за год; 2) в паводок; 3) в межень

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 08-05-99030-р_офи).


1. Гаев А.Я., Сквалецкий Е.Н., Алферов И.Н., Алферова Н.С. и др. Отчет по теме «Разработка вариантов по обеспечению населения пос. Энергетик экологически чистой питьевой водой». Оренбург; Оренбургское отделение РИА, 2005.



ПРОГНОЗ ОСЕДАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПРИ ОТКАЧКЕ ФЛЮИДА ИЗ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ

Артамонова Н.Б., Калинин Э.В., Панасьян Л.Л. Кафедра инженерной и экологической геологии

Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия Прогноз оседания земной поверхности является одной из основных задач при откачке

больших объемов воды, нефти или газа. В последнее время для её реализации успешно применяются методы математического моделирования, среди которых широкое распространение получили способы, основанные на теории пороупругости М. Био /3/.

Модель М. Био используется для изучения поведения двухкомпонентной среды, состоящей из твердого скелета и жидкой фазы, целиком заполняющей поры горной породы. Модель представляет собой систему связанных уравнений, одним из которых является уравнение равновесия скелета породы, а другим уравнение неразрывности, выведенное из уравнений сохранения массы жидкости и твердой фазы при отсутствии массообмена между ними и закона линейной фильтрации Дарси. Модель М. Био описывает трехмерную деформацию массива при учете трехмерного течения жидкости и позволяет вычислять изменение порового давления, объемную деформацию и компоненты напряженно-деформированного состояния пород во времени в результате откачки флюида.

Модель М. Био описывается следующей системой взаимосвязанных уравнений: (λ + µ) grad divU + µ∇2U - gradp = 0

div((k/gρж)gradp) = ∂(divU)/∂t + mβж(∂p/∂t), где ρж - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, k - коэффициент фильтрации, βж - сжимаемость жидкости, m - пористость, р - изменение давления воды, t - время, U = {Uz, Ur} - вектор перемещений в скелете грунта, λ и µ - коэффициенты Ляме.

Реализация модели Био осуществляется с помощью численного решения, разработанного на кафедре механики композитов механико-математического факультета МГУ проф. С.В.Шешениным и к.ф.-м.н. Ф.Б.Киселевым /4/. Решение взаимосвязанных уравнений основано на использовании вариационно-разностного метода и метода линейной алгебры Холецкого.

Предложенное численное решение модели Био позволяет исследовать изменение пластового давления во флюидонасыщенных слоях, вызванное длительными откачками, и происходящее при этом объёмное деформирование массива горных пород во времени. Предлагаемая методика может быть применена для оценки оседания земной поверхности при откачке подземных вод и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.

В настоящей работе в качестве примера приводятся результаты расчета оседания земной поверхности, вызванного эксплуатацией одного из нефтяных месторождений Западной Сибири с помощью численного решения модели М. Био. Нефтяные месторождения этого региона расположены в осадочном чехле Западной Сибирской плиты, представленного практически горизонтально залегающей толщей преимущественно терригенных отложений. Рассматриваемое нефтяное месторождение представляет собой куполовидную структуру округлой формы диаметром около 10 км.

Для реализации метода моделирования необходимо провести схематизацию геологического разреза территории нефтяного месторождения /1/. Толща нефтесодержащих отложений в модели представляется горизонтально слоистой средой, в которой выделение слоев произведено в соответствии со стратиграфическими границами и литологическими особенностями пород, а также их деформационными и фильтрационными свойствами.

Решение задачи на основе модели М. Био осуществляется в осесимметричной постановке. При расчетах предполагается, что откачка нефти условно производится из скважины, расположенной в центре купола, а внешняя граница нефтяного месторождения, отнесенная от скважины на расстояние, соответствующее размерам купола, имеет форму боковой поверхности цилиндра.

Расчетная схема представляет собой сеточную модель, узлы которой по вертикали располагаются с шагом, величина которого устанавливается в соответствии с мощностями продуктивных слоев и имеет величину порядка 20-40 м, а по горизонтали с шагом, превышающим шаг по вертикали в 5-10 раз /2/.

Отбор нефти на месторождении осуществляется из продуктивного слоя мощностью около 160 м, залегающего на глубине около 3 км. Продуктивный слой подстилается и перекрывается практически непроницаемыми глинистыми отложениями. Внешняя вертикальная граница принята непроницаемой, что характерно для большинства нефтяных месторождений. Заданные граничные условия учитывают гидравлическую изолированность нефтяного месторождения от соседних



23 – 25 апреля 2008 г.

площадей и конечность запасов нефти. Моделируется отбор нефти из центральной скважины по всей мощности продуктивной толщи, остальная часть скважины обсажена трубами. Предполагается, что во время отбора флюида не происходит полное его изъятие, а лишь падение давления.

При математическом моделировании задавался расход, соответствующий суммарному расходу всех эксплуатационных скважин, из которых осуществлялся отбор нефти на данном месторождении. Выполненный расчет позволяет проследить изменение пластового давления и деформацию массива пород во времени в пределах всей толщи.

В результате откачки нефти в течение первого часа происходило падение пластового давления в продуктивном пласте, которое распространилось по горизонтали на 400 м, и одновременно повышение давления в непроницаемых подстилающих и перекрывающих продуктивную толщу пластах, которое сохраняется в течение длительного времени. Через год после начала отбора нефти область падения давления охватывает всю продуктивную толщу, наблюдается в пределах всей купольной структуры и вблизи зоны откачки составляет 3 МПа.

Одновременно происходит деформация массива пород. В первые моменты времени деформация сжатия происходит в продуктивном пласте вблизи скважины, а в перекрывающих и подстилающих практически непроницаемых пластах наблюдаются деформации растяжения. В дальнейшем деформации распространяются по горизонтали и вверх, а через год выходят на поверхность, где начинает формироваться мульда оседания. Через год деформации сжатия охватывают весь изучаемый массив пород.

В результате выполненных расчетов было получено, что оседание поверхности земли через 5 лет эксплуатации месторождения составит около 70 мм, через 10 лет - 140 мм, а падение пластового давления через 10 лет достигнет величины 6 МПа. Полученные результаты сопоставимы с данными натурных геодезических измерений, произведенных на некоторых эксплуатируемых нефтяных месторождениях.

Математическое моделирование, основанное на применении модели М. Био, предоставляет большие возможности для исследования на нефтяных месторождениях падения пластового давления в эксплуатируемом резервуаре, прогнозирования объемной деформации и изменения компонент напряженно-деформированного состояния массива пород и величин оседания поверхности земли.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 08-05-00578а.


1. Калинин Э.В., Панасьян Л.Л., Широков В.Н и др. Моделирование полей напряжений в инженерно-геологических массивах. - М.: Изд-во МГУ, 2003. – 262 с.

2. Artamonova N.B. Modeling of land subsidence and pore pressure variations caused by fluid pumping (with the use of Biot’s theory). // Land subsidence. Proceedings of the 7th International Symposium on Land Subsidence. Shanghai, China, 23-28 October, 2005. – P.580-589.

3. Biot M.A. General theory of three-dimensional consolidation. // Journal of Applied Physics. - 1941. - Vol.12. - P.155-164.

4. Kalinin E.V., Sheshenin S.V., Artamonova N.B., Kiselev F. Numerical investigations of the influence of fluid extraction upon the stress state of the rock masses. // Eng. Geology and the Environment. Mat. Intern. Symp. Athens, Greece, 1997. - P.725-728.



ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОМЕХАНИКЕ КАК СОВРЕМЕННЫЙ ИНСТРУМЕНТ РЕШЕНИЯ

ЗАДАЧ ГИДРОЭКОЛОГИИ

Базин А.А.1, Бакулин В.Е.1, Горев В.В.1, Горев И.В.1, Глазунов В.А.1, Губкова Г.Н.1, Дерюгин Ю.Н.1, Зеленский Д.К.1, Козелков А.С.1,

Новиков И.Г.1, Павлуша И.Н.1, Панов А.И.1, Рябов Е.И.1, Сизова Л.И.1, Шемарулин В.Е.1, Храмченков М.Г2, Чекалин А.Н.2, Савельев А.А.2,

Конюхов В.М.2, Румынин В.Г.3, Хархордин И.Л.3

1 – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ), Саров, 2 – НИИ математики и механики им. Н. Г. Чеботарева, Казань, Татарстан,

3 – Санкт-Петербургское отделение Института геологии РАН, Санкт-Петербург, Россия

Основным назначением Интеллектуальной гидроэкологической системы (ИГС) является учет неопределенности имеющихся данных и моделей, и связанных с ними рисков. ИГС предназначена для выработки экономически оптимальных решений, обеспечивающих заданный уровень надежности и защиты подземных вод от загрязнения.

Работа системы основана на численном моделировании законов распределения вероятностей временных и пространственных характеристик распространения загрязняющих веществ при различных сценариях загрязнения.

Методика расчета состоит в следующем: − Формируется база данных, которая, помимо геологического строения, геометрических и

фильтрационных характеристик моделируемой территории содержит оценку их неопределенности, а так же оценку неопределенности коэффициентов, используемых в модели. Оценка неопределенности всех величин представлена в базе данных в виде их распределения вероятностей, и используется для формирования начальных условий расчета по модели. Сформировав выборку начальных распределений, и проведя для них расчеты по одной из имеющихся в ИГС моделей, мы можем получить выборку результатов (концентраций загрязняющих веществ и их изменение во времени в каждой точке территории, время достижения загрязняющими веществами охраняемых зон, и т.д.).

− Указанная процедура позволяет получить карты концентраций распределения загрязняющих веществ, их распределение по территории и изменение во времени, а также оптимистический и пессимистический прогнозы при заданном уровне вероятности ошибки. Полученные карты используются для выбора мер по защите подземных вод.

− Для каждого потенциального способа защиты проводится повторное моделирование распространения загрязняющих веществ с вариацией параметров, характеризующих данный способ. Полученные результаты помещаются в базу фактов.

− Результаты расчетов используются для обучения машины вывода, в качестве которой использована нейронная сеть. Обладая свойством генерализации (способностью правильно воспроизводить закономерности на новых данных), нейронная сеть используется для оперативного прогноза распределения вероятностей параметров загрязнения территории в зависимости от принятых мер.

− Настроенная таким образом ИГС используется для решения задачи выбора экономически обоснованного подхода к выбору мер по защите подземных вод при заданном уровне надежности защиты. Основные компоненты системы: • пакет программ НИМФА для расчета течений в пористых средах и численного моделирования

переноса загрязнения, • методика геостатистического моделирования характеристик объекта с учетом

неопределенности, • методика анализа и прогноза эффективности и ранжирования вариантов защиты в конкретных

условиях. Базовым является пакет программ НИМФА, разработанный и созданный сотрудниками трех

организаций: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров; НИИММ им. Чеботарева, Казанский университет, СПб ИГЭ РАН, г. Санкт Петербург. Пакет НИМФА предназначен для численного моделирования течений в пористых средах и может быть использован для решения задач гидрогеологии, гидроэкологии, нефтедобычи, горно-промышленной гидрогеологии, фильтрации в технологических процессах.



23 – 25 апреля 2008 г.

ПАКЕТ ПРОГРАММ НИМФА ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ В

ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

Базин А.А.1, Бакулин В.Е.1, Горев В.В.1, Горев И.В.1, Глазунов В.А.1, Губкова Г.Н.1, Дерюгин Ю.Н.1, Зеленский Д.К.1, Козелков А.С.1,

Новиков И.Г.1, Павлуша И.Н.1, Панов А.И.1, Рябов Е.И.1, Сизова Л.И.1, Шемарулин В.Е.1, Храмченков М.Г2, Чекалин А.Н.2, Савельев А.А.2,

Конюхов В.М.2, Румынин В.Г.3, Хархордин И.Л.3

1 – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ), Саров, 2 – НИИ математики и механики им. Н. Г. Чеботарева, Казань, Татарстан,

3 – Санкт-Петербургское отделение Института геологии РАН, Санкт-Петербург, Россия В докладе представляется новый программный комплекс, позволяющий осуществлять

численное моделирование одно и двухфазных фильтрационных течений, а также миграционных процессов, протекающих в существенно неоднородных пластах со сложными внешними и внутренними граничными условиями.

В основе разработанных вычислительных алгоритмов лежат как достаточно общепризнанные подходы (метод конечных разностей, расщепление вычислительных процедур по физическим процессам и др.), так и оригинальные авторские решения. Последние касаются методов вычислений на многофрагментных неструктурированных косоугольных сетках и способов их генерации, построения поверхностей раздела пластов с применением методов статистического анализа, описания внутренних источников-стоков (например, скважин, границ выклинивания пласта, тонких пластов, рек и ряда других), сопряжения потоков в зоне полного и неполного насыщения при безнапорном режиме фильтрации, а также возможностей моделирования различных наборов физических процессов в рамках одной модели – каждого со своим временным шагом.

Особое внимание уделялось разработке расчетных алгоритмов для описания трехмерного массопереноса. При моделировании учитывается гидродинамическая дисперсия, адсорбция, химическая кинетика. Отдельный модуль системы предназначен для моделирования многокомпонентного переноса с возможностью расчёта химического взаимодействия между компонентами.

К настоящему времени в программный комплекс НИМФА встроена структура, с условным названием "Экспертная система", позволяющая учитывать неопределенность в исходных данных и решать задачи оптимизации работ по контролю и защите подземных вод.

Для ввода и представления исходных данных, а также анализа результатов расчетов, разработан уникальный интерфейс, включающий двух- и трехмерный визуализаторы, обеспечивающий графический ввод и редактирование параметрических полей и генерацию многофрагментных сеточных областей. Разработанный комплекс сопряжен со специализированной базой данных, предназначенной для накопления и обобщения гидрогеологической информации по району исследования, которая также имеет встроенную картографическую поддержку и развитый графический интерфейс.

Тестирование программного продукта проведено на базе сопоставления численных и аналитических решений целой серии краевых задач фильтрации и миграции. При этом использовался подход, основанный на параллелизации модельных построений, выполненных как с использованием пакета НИМФА, так и с привлечением пакета MODFLOW/MT3D (в среде пакета РМ5). Это позволило, в частности, провести кросс-тестирование упомянутых программных продуктов (что, в свою очередь, способствовало совершенствованию разрабатываемого математического аппарата), а также разработать "конверторы" для обмена параметрическими базами между комплексами.

Апробация программного комплекса осуществлялась в процессе решения задач фильтрации и миграции на некоторых объектах Минатома - оценка воздействия потенциальных источников химического и радиоактивного загрязнения, располагающихся в районе г. Саров, на качество подземных вод. Опытный образец программного продукта передан для постоянной эксплуатации в экологическую службу РФЯЦ-ВНИИЭФ.



МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОСХОДЯЩЕЙ ПЛОТНОСТНОЙ КОНВЕКЦИИ ПРОМСТОКОВ В НЕОДНОРОДНОМ ПЛАСТЕ

Байдарико Е.А.1, Поздняков С.П.2

1 – ФГУП ВНИПИпромтехнологии, Москва, Россия 2 – МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Глубинное (подземное) захоронение промстоков ⎯ это широко применяемый в ряде стран

мира метод размещения жидких токсичных отходов в глубоко залегающих водоносных горизонтах, в том числе и в России [1, 2]. При захоронении в зону весьма затрудненного водобмена артезианских бассейнов отходы в ряде случаев характеризуются меньшей плотностью (минерализацией) по сравнению с подземными водами пластов-коллекторов, которые, в свою очередь, характеризуются значительной неоднородностью по фильтрационным свойствам.

Целью работы являлось определение особенностей миграции более «легких» промстоков в более «тяжелых» подземных водах неоднородного пласта-коллектора. Настоящее исследование проведено с использованием данных полигона подземного захоронения жидких отходов Чепецкого механического завода в г. Глазов (Удмуртской республики). Для пласта-коллектора данного полигона была предпринята попытка создания гидрогеомиграционной модели, учитывающей реальную неоднородность пласта и различие плотностей двух смешиваемых и совместимых по физико-химическим свойствам жидкостей ⎯ промстоков и подземных вод. Важность разработки такой модели обусловлена необходимостью получения более достоверного и точного решения одной из главных задач в области захоронения промстоков ⎯ прогноза их распространения в недрах. Такой прогнозный расчет обязателен для обоснования границ горного отвода недр, границ санитарно-защитной зоны, продления срока эксплуатации полигона захоронения и др. Основную сложность при моделировании обычно вызывает обоснование строения пласта в связи с ограниченным объемом фактических данных. Для создания модели строения пласта трещиновато-пористых закарстованных известняков и доломитов полигона захоронения в Глазове использовался геостатистический подход. Основой геостатистической пространственной модели неоднородной среды послужили геологоразведочные данные и материалы мониторинга геологической среды: результаты бурения и разновременных геофизических исследований ⎯ расходометрии, резистивиметрии, термометрии, накопленные к 2004г., по 24-ем скважинам, которые оборудованы на пласт-коллектор и расположены на небольшой площади ⎯ около 17 км2. Эта модель построена с помощью метода вероятностного моделирования, основанного на анализе пространственных цепей Маркова, в пределах наиболее изученной центральной области полигона [3]. В ней преобладают слабопроницаемые породы, а зоны/прослои и линзы хорошо проницаемых пород, распространенные в основном в средней части пласта, имеют преимущественно субгоризонтальное залегание и характеризуются сложной структурой.

Численное моделирование процессов фильтрации и миграции осуществлялось с использованием программы SEAWAT-2000 [4], проводящей расчет связанных уравнений фильтрации и миграции с использованием линейной зависимости плотности от концентрации. Моделировался трехмерный постинжекционный 300-летний конвективно-диффузионный перенос сформировавшегося в результате нагнетания «тела» отходов в пласте-коллекторе, мощностью 240м, за счет действия архимедовой силы, обусловленной разницей плотности природной воды и отходов. Другими словами воспроизводился процесс восходящей свободной/плотностной/гравитационной конвекции легкой жидкости. При этом поток подземных вод рассматривался в а) однородном (изотропном и анизотропном) и б) неоднородном (изотропном) пластах. В случае потока переменной плотности начальная плотность промстоков составляла 1010,5 кг/м3 (минерализация 15 г/л), а плотность подземных вод ⎯ 1182 кг/м3 (минерализация 260 г/л).

Модельный анализ показал, что в однородной изотропной среде «легкие» промстоки перемещаются быстрее в вертикальном направлении, чем в горизонтальном, и достигают кровли пласта уже через 10 лет, после чего начинают растекаться по латерали. В однородной, но анизотропной и в неоднородной среде промстоки вообще не достигают кровли пласта (рис. 1). Во всех средах происходит быстрое выравнивание концентрации/минерализации двух жидкостей: уже через 10 лет нет участков с минерализацией, характерной для промстоков (равной исходной 15 г/л). В неоднородной среде отходы стремятся заполнить в первую очередь участки хорошо проницаемых пород, и распространяются быстрее в плане, а не в разрезе.

Из проведенного исследования следует, что при глубинном захоронении долговременный прогноз миграции отходов должен базироваться на модели, учитывающей как переменную плотность



23 – 25 апреля 2008 г.

потока, так и реальную гетерогенность пород. Учет одного из этих факторов при не учете другого приводит к нереальным/неверным результатам: например, можно получить сверхбыстрое всплытие отходов при не учете внутренней гетерогенности пласта или вообще отсутствие всплытия, если использовать модель постоянной плотности.

ОДНОРОДНАЯ ИЗОТРОПНАЯ СРЕДА 0 лет

10 лет

30 лет 50 лет

300 лет

НЕОДНОРОДНАЯ ИЗОТРОПНАЯ СРЕДА

Рис. 1. Положение промстоков в разрезе в виде зон различной минерализации подземных вод по

результатам моделирования


1. Поздняков С.П., Рыбальченко А.И., Международный симпозиум по захоронению промстоков. Ж.: Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2004, №5, с. 477 – 478.

2. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и другие. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. М.: ИздАТ, 1994, 256 с.

3. Steven F. Carle (Hydrologic Sciences Graduate Group). T-PROGS: Transition Probability Geostatistical Software. University of California, Davis, 1998.

4. W. Guo, C.D. Langevin. User’s guide to SEWAT: a computer program for simulation of three-dimensional variable-density ground-water flow. U.S. Geological Survey. Open-file report 01-134. Tallahassee, Florida, 2002

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ЕЕ ФОРМАЛИЗАЦИЯ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД НЕФТЬЮ

И НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Барцев О.Б., Никаноров А.М., Барцев Б.О. Южный отдел института водных проблем РАН,

Гидрохимический институт Росгидромета, Ростов-на-Дону, Россия

В качестве исходных материалов для построения концептуальной модели ГГЭС НЗ были использованы результаты обстоятельных исследований процессов, сопровождающие нефтяные загрязнения на ряде объектов нефтяной промышленности юга России. Здесь нами производились комплексные детальные гидрогеологические съемки очагов НЗ, образовавшиеся в горизонтах подземных вод, в породах зоны аэрации и в почво-грунтах при аварийных разрывах нефтепроводов и технических изливах нефти на поверхность земли. Натурные исследования позволили установить базовое содержание концептуальной модели гидрогеоэкологической системы в условиях нефтяного загрязнения, состоящее из более пятидесяти взаимосвязанных элементов. При построении этой модели использовался универсальный агрегативный подход /1/, когда система разбивалась на конечное число агрегатов с установлением связей, обеспечивающих их взаимодействие. Для построения формального алгоритма агрегативной системы (АС) находились достаточно представительные способы математического описания отношений между агрегатами. При этом сложная система принимала вид многоуровневой конструкции, состоящей из блоков взаимосвязанных элементов: элементов внешней среды ( атмосферные осадки, температура, поверхностные водотоки, поверхностные изливы нефти; элементов входных воздействий ( инфильтрация воды, подпор грунтовых вод, просачивание нефти); внутренних параметров ( пористость, проницаемость, трещиноватость, водонасыщенность, плотность, вязкость флюидов, водопроводимость, сорбция,



диффузия), выходных характеристик (закономерности процессов загрязнения подземных води пород зоны аэрации, прогноз их развития). Процесс функционирования реальной системы, представлялся в виде математической модели, состоящей множества величин (элементов), описывающих процессы и образующих подмножества ( совокупности) входных воздействий ( Xx∈ ), воздействий внешней среды ( Vv∈ ), внутренних параметров ( )Hh∈ и выходных характеристик ( )Yy∈ Тогда процесс функционирования системы можно описать оператором:

( ) ( )tHVXFtY ,,,=

При этом нами вводился ряд предложений о закономерностях функционирования АС, согласующихся с опытом натурных исследований реальной системы. Таким образом, математическая модель объекта представлялась как конечное множество переменных ( ) ( ) ( )thtVtX ,, вместе с

математическими связями между ними и характеристиками ( )tY . Для идентификации основных связей, характеризующих собственно процессы загрязнения природных сред нефтью и нефтепродуктами нами были использованы типовые математические схемы, в частности, дифференциальные и интегральные уравнения (непрерывно-детерминированные модели). С помощью этих моделей математической формализации подвергались все процессы постадийно образующие ореол нефтяного загрязнения. На стадии свободного просачивания – процессы вертикального переноса углеводородов, сорбционные процесс, капиллярные перемещения флюидов. На стадии образования капиллярно-грунтового потока – процессы подъема уровня грунтовых вод при возникновении внутренней области вакуума ( в зоне смыкания капиллярных зон нефтяного потока и УГВ). На стадии развития гидрохимической аномалии - процессы конвективного и конвективно-диффузионного переноса растворенных углеводородов, процессы растворения УВ в подземных водах и динамики растворения растворенных УВ в водоносных горизонтах, породах зоны аэрации и почво-грунтах. Параметры, определенные при решениях теоретических уравнений показали хорошую сходимость с эмпирическими закономерностями, полученными в результате натурных исследований объектов с нефтяными загрязнениями. Следовательно, в структуре ГГЭС непрерывно-детерминированные модели могут достаточно корректно идентифицировать основные закономерности процессов функционирования реальной системы нефть – природная гидрогеологическая среда в зависимости от гидродинамической структуры ГГЭС, ее поведения, параметров воздействия техногенеза, начальных и граничных условий, времени.


1. Б.Я.Советов, С.А.Яковлев. Моделирование систем. - М.; Высш.шк., 1985.- 271 с.



23 – 25 апреля 2008 г.

ИССЛЕДОВАНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗРАБОТКОЙ И ОБОСНОВАНИЕМ ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ, ПРОВОДИМЫЕ В ЗАО «ДАР/ВОДГЕО»

Бурлин М.Ю.1, Каримов Р.Х.1, Киселев А.А.1, Копылов А.С.1, Куранов П.Н.1, Расторгуев А.В.1,

Волкова Е.В.2, Расторгуев И.А.2

1 – ЗАО «ДАР/ВОДГЕО», 2 – ГНЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия ЗАО «ДАР/ВОДЕГО» проводит широкий круг работ, связанных с созданием, разработкой и

обоснованием численных моделей фильтрации, массопереноса, расчета устойчивости склонов для решения практических задач. Среди решаемых задач – защита от подтопления подземных сооружений, расчеты миграции загрязнений от техногенных источников, комплексные расчеты работы водозаборов, анализ устойчивости склонов и пр.

Наиболее часто численное моделирование применяется для обоснования проектов по защите от подтопления городских и сельских территорий. Для проведения расчетов плановой и трехмерной фильтрации широко используется программа MODFLOW (USGS) с пре-пост-процессорами PMWIN Pro и VISUAL MODFLOW. Выбор оптимального варианта дренирования территории реализуется с помощью генетических алгоритмов.

Для оценки влияния дренажа на устойчивость оползневого массива было разработано программное обеспечение и методика, позволяющая давать характеристику устойчивости не только по отдельным профилям, но и всего склона.

В ряде случаев необходимо решение задач насыщенно-ненасыщенной фильтрации. У нас имеется опыт решения таких задач с помощью программ VS2D (USGS) и SWMS_2D (USSL). Определение параметров влагопереноса, необходимых для реализации таких моделей, в ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» производится лабораторно, с помощью капилляриметра.

Важную роль при обосновании проектов перехвата загрязненных вод играют миграционные параметры. Один их таких проектов реализуется в Казахстане с участием ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» для обоснования проектных решений. Здесь, пруды-накопители жидких отходов уранового, бериллиевого и танталового производств расположены на склоне межгорной впадины. В основании прудов-накопителей залегают делювиально-пролювиальные отложения, которые ниже по рельефу сменяются аллювием. Подземные воды ниже по потоку от прудов-накопителей загрязнены нитратами, сульфатами и радионуклидами. Для проектирования перехватывающего дренажа были проведены опытно-миграционные работы с целью определения параметров четвертичных отложений. Опытные работы в делювиально-пролювиальных отложениях заключались в импульсном запуске индикатора в скважину и последующем прослеживании изменений концентраций в двух откачивающих скважинах. Для определения параметров аллювия была проведена закачка индикатора в скважину с последующей откачкой. В первом случае в качестве индикатора использовался хлорид-ион, во втором случае – вода с низким содержанием хлорид-иона. Интерпретация результатов опытно-миграционных работ проводилась с помощью математического моделирования конвективно-дисперсионного потока. В результате решения серии обратных задач были получены искомые значения миграционных параметров четвертичных отложений.

Для определения фильтрационных параметров на основе данных экспресс-наливов разработана и практически используется программа SLUG. В основу программы положены численная модель и аналитические решения.

Одним из наиболее распространенных загрязнителей подземных вод является нефть и нефтепродукты в свободном и растворенном виде.

Работы по изучению влияния деятельности полигонов сброса попутных и сточных вод, образующихся при разработке нефтяных месторождений, на геологическую среду в пределах площади Самарской области, выполнялись ЗАО «ДАР/ВОДЕГО» по заданию Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды. Целью работ являлось проведение оценки современного состояния недр и разработка рекомендаций на перспективный период по снижению потенциального воздействия вследствие закачки в поглощающие горизонты сточных вод с территорий разрабатываемых нефтяных месторождений. В ходе выполненного комплекса исследований был выполнен детальный анализ динамики сброса попутных и сточных вод, проведены полевые исследования на территориях полигонов сброса, на основе собранных фактических данных разработана численная модель территории области, на которой выполнены геофильтрационные и геомиграционные расчеты, что позволило охарактеризовать современное состояние пластовых систем всех основных водоносных комплексов регионального разреза. На основании данных модельных расчетов построены прогнозные карты миграции загрязнения при потенциальных утечках



закачиваемых вод в водоносные горизонты зоны активного водообмена и рассчитаны максимальные значения допустимых давлений в эксплуатируемых пластах, которые не приведут к нарушению слабопроницаемых изолирующих покрышек.

Проблема загрязнения нефтепродуктами почв и верхних водоносных горизонтов является одной из острейших экологических проблем как в России, так и во всем мире. Для проведения расчетов миграции углеводородов в подземной гидросфере была разработана численная двухфазная модель фильтрации подземных вод и углеводородов “Oilfem”. Эта модель затем была использована для расчетов извлечения нефтепродуктов на крупнейшем в России участке углеводородного загрязнения в г.Новокуйбышевске, а также на территориях военных аэродромов и складов ГСМ в г.Энгельс, Ленинградской и Улан-Удэнской областях. На основании проведенных расчетов были обоснованы оптимальные системы локализации и ликвидации углеводородных линз, определена возможность и характер разгрузки загрязненных нефтепродуктами подземных вод в реки и водозаборные скважины и предложены мероприятия по их перехвату.

В настоящее время для расчета работы водозаборов используется широкий круг подходов, в том числе: расчеты на аналитических и сеточных моделях геофильтрации и гидравлических моделях, но наиболее перспективным методом является комплексный подход, объединяющий эти модели. Он позволяет учесть тот факт, что производительность водоподъемного оборудования зависит как от гидравлических характеристик всех элементов водозабора, так и от положения динамических уровней воды в скважинах, а те, в свою очередь, определяются количеством отбираемой из скважины воды. Поэтому, когда в реальных условиях наблюдается колебание уровней, производительность самих установок изменяется.

Комплексный подход можно разделить на три типа по методу используемого геофильтрационного расчета в сопряжении с численным гидравлическим расчетом: а) аналитические геофильтрационные зависимости; б) наиболее универсальная модель, соединяющая численные (сеточные) модели геофильтрации и гидравлики; в) упрощенная геофильтрационная модель, в которой скважины моделируются лишь статическими уровнями воды и удельными дебитами.

В настоящее время накоплен опыт и отработаны методики использования всех вышеперечисленных способов комплексного расчета в зависимости от характера решаемой задачи.

Новым направлением является создание численных моделей, учитывающих фильтрацию как в водоносном горизонте, так и в стволе скважины. Учет инерционности в стволе скважин объясняет неравномерный приток к скважинам и неэффективность длинных фильтров.

Для обоснования границ 2-го и 3-его поясов зон санитарной охраны водозаборов разработана и широко применяется программа ZONE основанная на численно-аналитическом подходе. В сложных случаях для обоснования границ ЗСО применяется численное и вероятностное моделирование.



23 – 25 апреля 2008 г.

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ ЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ

ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД (НА ПРИМЕРЕ УФИМСКОЙ ГОРОДСКОЙ СВАЛКИ)

Бурячок О.В.

ОАО ПИИ «Башгипроводхоз», Уфа, Россия

На основе натурных и экспериментальных исследований рассмотрены особенности формирования химического состава подземных вод на территории Уфимской городской свалки. Рассмотрена система защитных мероприятий для предотвращения загрязнения подземных и поверхностных вод, разработанная с применением методов математического моделирования.

Одной из причин ухудшения экологического состояния подземных вод в пределах промышленно-урбанизированных территорий является несовершенство сложившейся к настоящему времени системы образования, перемещения, способов обработки и утилизации городских бытовых и промышленных отходов. В г. Уфе основным приемником отходов является Уфимская городская свалка. Свалка расположена в северной части города в пределах Бельско-Уфимской водораздельной равнины. Участок свалки с запада и севера ограничен р. Шугуровка и ее левым притоком ручьем Стеклянка, а с востока и юго-востока – ручьем Фирсов – левым притоком р. Шугуровка.

Сток атмосферных осадков с участка свалки осуществляется в р. Шугуровка и руч. Фирсов. Река Шугуровка является основным накопителем сточных вод химических, нефтехимических и других предприятий северной части города, а так же загрязненных поверхностных и подземных вод, поступающих с территории Уфимской городской свалки. Качество воды р. Шугуровка в значительной степени определяет качество воды «южного» водозабора г. Уфы, расположенного в 25 км ниже ее впадения в р. Уфа.

Гидрогеологические условия свалки характеризуются наличием подземных вод в четвертичных, неогеновых, уфимских и кунгурских отложениях /2/. Горизонт грунтовых вод приурочен к делювиальным суглинкам и глинам, а на участках их выклинивания к общесыртовым глинам. Грунтовые воды залегают на глубинах 0.5-9.8 м, преимущественно – на глубине 2.0-4.0 м. Движение потока грунтовых вод, как и сток атмосферных осадков, происходит от водораздельной поверхности к долинам ручья Фирсов и р. Шугуровка. В западной части участка происходит переток грунтовых вод в породы уфимского яруса. Подземные воды в неогеновых отложениях приурочены преимущественно к гравийно-щебенистым грунтам, залегающим в толще или в основании неогеновых глин. Они обладают напором, величина которого достигает 9-28.9 м. На участках, где неогеновые породы выходят на поверхность, воды образуют единый горизонт с водами в делювиальных четвертичных отложениях. Глубина залегания уровня 1.0-3.0 м. В отложениях уфимского яруса подземные воды приурочены к прослоям известняков и мергелей. Они вскрыты на глубине 20.0-88.0 м и являются напорными. Уровни вод устанавливаются на глубинах от 8.0 до 41.0 м. Карстовые воды в кунгурском ярусе приурочены к прикровельной выщелоченной, трещиноватой и закарстованной части гипсов. Воды вскрываются на глубинах 38.8-105.0 м. Высота напора составляет 33.0-68.0 м. Пьезометрические уровни зафиксированы на глубине 1.15-30.5 м.

Анализ соотношения уровней подземных вод в этажнорасположенных горизонтах четвертичного, неогенового и пермского возраста свидетельствует о тенденциях нисходящих перетоков через слабопроницаемые слои, гидрогеологические «окна» преимущественно литолого-фациального происхождения. Величины вертикальных градиентов фильтрации изменяются от 0.1 (южная часть) до 1.5-2 (центральная и северная часть).

Вертикальный переток загрязненных грунтовых вод в уфимский водоносный комплекс колеблется от 0.1 до 3 м3/сут. Он, в первую очередь определяется высокими градиентами фильтрации (до 2) и позволяет проникать супертоксикантам на глубину до 100 м, вплоть до регионального водоупора /1/. В подобной ситуации не исключаются дальнейшие латеральные переносы загрязняющих веществ в трещиноватых и закарстованных уфимских и кунгурских отложениях до р. Шуруговка и даже р. Уфа.

Питание всех водоносных горизонтов на территории свалки происходит путем инфильтрации атмосферных осадков. Значительную роль в пополнении запасов подземных вод, особенно первого от поверхности неоген-четветичного водоносного горизонта, стали играть утечки из прудов-накопителей.



В силу особенностей своего строения неоген-четвертичный водоносный горизонт является наиболее подверженным загрязнению различными токсичными компонентами. Воды горизонта часто приобретают хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатный, гидрокарбонатно-хлоридный, хлоридный кальциевый, натриево-кальциевый, магниево-кальциевый состав. Минерализация подземных вод возрастает от 0.4 до 13.6 г/л. В подземных водах обнаруживаются аномально высокие концентрации многих химических соединений. В них присутствуют тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, диоксины. На территории городской свалки содержание тяжелых металлов в воде колеблется: меди 0.002-27.9 мг/л, свинца 0.05-9.4 мг/л, кадмия 0.0003-1.29 мг/л, цинка 13.0-63.6 мг/л, железа 420.8-2540 мг/л, марганца 7.2-31.6 мг/л, хрома 0.8-15.3 мг/л. Суммарное содержание диоксинов в грунтовых водах на свалке от 1.01 до 18.57 нг/л (51-929ПДК), в том числе 2,3,7,8-ТХДД (полихлорированных дибензо-n-диоксинов) – от 0.25 до 1.45 нг/л. Кроме того суммарное содержание полихлорированных дибензофуранов (ТХДФ) – от 1.05 до 6.72 нг/л, в том числе токсичных 2,3,7,8-ТХДФ от 0.25 до 0.9 нг/л /1/.

В нижележащих водоносных горизонтах отмечены так же высокие концентрации нитратов и нефтепродуктов. В уфимском водоносном горизонте отмечено до 200-300 мг/л нитратов и до 85 мг/л нефтепродуктов. Даже воды кунгурских отложений содержат в очень высоких концентрациях нефтепродукты от 26 до 104 мг/л, фенолы от 0.035 до 9 мг/л, различные металлы: железо 18.8-44.4 мг/л, марганец 0.67-1.4 мг/л, алюминий 0.22-0.93 мг/л.

Для разработки системы защитных мероприятий с целью предотвращения загрязнения подземных и поверхностных вод (в том числе р. Уфа) разработана математическая модель Уфимской городской свалки. Природно-техногенная геофильтрационная система свалки представляет собой совокупность параметрически интерпретированных метеорологических, гидрогеологических и гидрогеологических условий, направленности взаимосвязи поверхностных и грунтовых вод и их испарения, взаимодействие которых приводит к соответствующим уровенному, гидродинамическому и водобалансовому режимам /4/.

Модели, которые входят в расчетно-схематизированную параметрически интерпретированную природно-техногенную геофильтрационную систему верификационно-наблюдаемого экологически-неблагоприятного влияния Уфимской свалки, построены по принципу отражения их состава и структуры. Структура моделей – это представление всех параметрически интерпретированных сведений в виде, позволяющем последовательно отразить их фактическое состояние, а затем обобщенное до уровня непрерывных пространственно-временных закономерностей с учетом взаимовлияющего изменения в течении верификационно-наблюдаемого прогнозируемого формирования экологически неблагоприятного влияния мусорной свалки. Состав моделей – это характеристические показатели и параметрически интерпретированные сведения о метеорологических, гидрографических и гидрогеологических условиях, направленности взаимосвязи поверхностных и грунтовых вод, естественном инфильтрационном питании грунтовых вод, их испарении, уровенном, гидродинамическом и водобалансовом режимах.

Модели расчетно-схематизированной параметрически интерпретированной природно-техногенной геофильтрационной системы верификационно-наблюдаемого экологически неблагоприятного влияния Уфимской свалки позволяют:

- во-первых, представить ее соответствующей натурной моделью; - во-вторых, гидродинамически формализовать системой дифференциальных уравнений,

описывающих установившейся и неустановившейся геофильтрационные режимы в условиях безнапорной, напорной и напорно-безнапорной фильтрации в системе, состоящей из трех водоносных горизонтов, и осуществить адаптацию существующего программного обеспечения их численной реализации для воспроизведения на ЭВМ верификационно-наблюдаемой природно-техногенной геофильтрационной системы и экспертно-прогнозируемого экологически-неблагоприятного влияния Уфимской свалки.

В результате численно-имитационной идентификации природно-техногенной геофильтрационной системы верификационно-наблюдаемого экологически неблагоприятного влияния Уфимской свалки получены разностно-аппроксимированные модели и начальные условия, функционально необходимые для разведочно-имитационного моделирования ее экспертно-прогнозируемого формирования.

Результаты математического моделирования /3/ позволили разработать систему защитных мероприятий для предотвращения загрязнения подземных и поверхностных вод, которая включает в себя два вида дренажа: горизонтальный и вертикальный.

Горизонтальный дренаж (по контуру свалки) необходим для предотвращения растекания загрязненных грунтовых вод за пределы территории свалки. В то же время горизонтальные дрены,



23 – 25 апреля 2008 г.

расположенные кольцом вокруг свалки, не исключают вертикальную фильтрацию, а, следовательно, загрязнение нижележащих водоносных горизонтов. Суммарный переток грунтовых вод 1%-ой обеспеченности в нижележащие водоносные горизонты в пределах территории свалки без защитных мероприятий и при работе горизонтального дренажа соответственно составляет 101 м3/сут и 88 м3/сут /3/.

Рис.1. Карта гидроизогипс горизонта грунтовых вод 1%-ой обеспеченности при работе

горизонтального дренажа по контуру свалки (360 суток) 1–гидроизогипсы; 2-горизонтальный дренаж; 3-пруды-накопители. Вертикальный дренаж

предлагается для исключения транзитного растекания за пределы территории свалки вод уфимского комплекса, загрязненных вследствие вертикальной фильтрации грунтовых вод. Вертикальные дренажные скважины, размещенные за контуром свалки, исключают растекание загрязненных подземных вод за контур свалки путем формирования депрессионной воронки в уфимском водоносном комплексе. Проектируемые скважины должны работать с постоянным напором, или с постоянным дебитом. В начале исследования они распределяются во всех блоках по контуру свалки. Скважины, в которых отсутствует водоприток за счет взаимовлияния формирующихся вокруг них депрессионных воронок, перестают работать и программным способом отключаются. При достижении установившегося геофильтрационного режима места размещения и количество оставшихся скважин принимается в качестве оптимизированных, а расходы оцениваются как стабильно гарантированные. Оценка эффективности защиты подземных и поверхностных вод от загрязняющего влияния свалки производится при работе горизонтального дренажа и при работе вертикального полукольцевого дренажа.

Оценка эффективности горизонтального дренажа производится для горизонтального совершенного дренажа проложенного по контуру свалки и прорезающего четвертичный водоносный горизонт с частичным углублением в водоупорную толщу.

Абсолютные отметки уровней вод 1%-ой обеспеченности на прилегающей к свалке территории колеблются от 120 до 195 м. Направление потока грунтовых вод 1%-ой обеспеченности практически совпадает с рельефом местности о ориентировано в сторону долин р. Шугуровка и руч. Фирсов.

В результате проведения имитационных исследований установлено, что сработка уровня грунтовых вод 1%-ой обеспеченности в динамике изменения режимообразующих факторов при работе горизонтального дренажа в течении одного года составляет 1 м в центре свалки и до 7 м вблизи горизонтальных дрен. Суточный расход воды по всему горизонтальному дренажу в период атмосферных осадков 1%-ой обеспеченности (без ливневки) составляет 1495 м3/сут. Малозаметное влияние дренажа на грунтовые воды в центе свалки объясняется низкими фильтрационными свойствами суглинков, являющимися основными водовмещающими породами горизонта грунтовых вод.

Данная схема дренажа исключает транзитное растекание грунтовых вод за пределы территории свалки, что предотвращает загрязнение поверхностных вод за контуром свалки. Суммарный переток грунтовых вод 1%-ой обеспеченности в нижележащие водоносные горизонты при работе горизонтального дренажа снизится до 88 м3/сут.



Оценка эффективности вертикального полукольцевого дренажа проведена для 15 скважин, расположенных полукольцом у южных и юго-восточных границ свалки, т.е. перпендикулярно направлению потока плановой фильтрации подземных вод уфимского яруса, что будет способствовать перехвату загрязненных вод. Такое расположение скважин обусловлено так же уменьшением мощности водоупора у южных и юго-восточных границ свалки, что увеличит вероятность перетока загрязненных грунтовых в уфимский комплекс.

Суммарная производительность скважин составит 1200 м3/сут, т.е. 80 м3/сут на каждую скважину, что приемлемо при соответствующих фильтрационных параметрах комплекса. В качестве начальных условий для проведения имитационных исследований принимаются установившиеся уровни подземных вод 1%-ой обеспеченности, при этом проектируемые скважины работают с постоянным расходом. При заданных условиях стабильно гарантированное максимальное понижение уровня подземных вод уфимского водоносного комплекса достигнет 4.5 м, одновременно произойдет незначительное понижение уровня подземных вод кунгурского яруса от 0.1 до 0.35 м /3/. При заданной схеме так же исключается транзитный отток загрязненных вод за контур свалки.

Рис.2. Карта сработки уровня подземных вод 1%-ой обеспеченности в уфимском водоносном

комплексе при работе вертикального полукольцевого дренажа 1–изолинии понижения уровня; 2-территория свалки; 3-проектируемая дренажная скважина с

заданным напором.

Рис.3. Карта сработки уровня подземных вод 1%-ой обеспеченности в кунгурском водоносном

комплексе при работе вертикального полукольцевого дренажа 1–изолинии понижения уровня; 2-территория свалки; 3-проектируемая дренажная скважина с

заданным напором.



23 – 25 апреля 2008 г.

Принятая в качестве модели загрязнения окружающей природной среды Уфимская городская свалка является типичной для свалок ТБО и полигонов промышленных отходов других крупных городов, промышленных центров Башкирии и России. Поэтому полученные в результате исследований решения могут быть использованы при проектировании полигонов промышленных и твердых бытовых отходов и в других регионах.


1.Абдрахманов Р. Ф. Гидрогеоэкология Башкортостана//Уфа, «Информреклама», 2005, 344с. 2.Абдрахманов Р. Ф. Мартин В.И. Гидрогеоэкология г. Уфы//Уфа, УНЦ РАН, 1992, 44с. 3.Зайнуллин Х.Н., Абдрахманов Р.Ф., Савичев Н.А. Утилизация промышленных и бытовых

отходов (на примере Уфимской городской свалки)//Уфа, УНЦ РАН, 1997, 235с. 4.Зильберг В.С., Великина Г.М., Брускова В.В. Обоснование методами математического

моделирования проекта рабочей документации, строительства и эксплуатации персонально-компьтеризованной системы экологозащитных мероприятий от влияния уфимской городской свалки на поверхностные и подземные воды//Москва, ЭИЦ «Экос», 1995, 110с.



ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ДАННЫМИ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ПОРОД С ГЛУБИНОЙ

Вишняк А.И.1, Четвёркин И.А.1, Новиков В.П.2

1 – ООО НПФ «ММПИ», 2 – ФГУ (ТФИ) по УрФО, Екатеринбург, Россия

На примере различных объектов рассматриваются закономерности изменения водопроницаемости пород с глубиной и обосновывается необходимость учета этих закономерностей на геофильтрационных моделях. Показаны некоторые методы, применяемые при изучении вертикальной фильтрационной неоднородности.

Для моделирования вертикальной фильтрационной неоднородности горных пород традиционно используется разбивка на модельные слои. В одном случае вертикальная фильтрационная неоднородность может быть связана с различной литологией и генезисом пород, в другом случае с постепенным затуханием фильтрационных свойств с глубиной. В первом случае модельные слои могут выделяться прямо по стратиграфическим подразделениям (как, например, в артезианских бассейнах). Во втором случае литологически однородные породы разбиваются на несколько модельных слоёв с различной водопроводимостью. Данный приём широко используется в практике моделирования, однако для его реализации часто не хватает фактических данных.

Снижение проницаемости горных пород по мере увеличения глубины их залегания может быть связано с различными факторами: 1) уменьшением количества экзогенных трещин; 2) залечиванием трещин вторичными минералами в условиях затруднённого водообмена; 3) уменьшением объёма открытой пористости и трещиноватости под действием геостатического давления.

Величина притока подземных вод в карьер или шахту может достигнуть максимальных значений при определенной глубине отработки, и в дальнейшем при углублении карьера она расти уже практически не будет. Без учета вертикальной фильтрационной неоднород-ности прогноз водопритоков в горные выработки будет недостоверным. Затухание фильтрационных свойств с глубиной необходимо учитывать и при модельном обосновании допустимого понижения на водозаборах.

Для изучения вертикальной фильтрационной неоднородности традиционно применяются расходометрический каротаж и поинтервальные откачки. Эти методы позволяют получить прямые данные по изменению водопроницаемости с глубиной. При этом необходим статистический анализ по большому количеству опробованных скважин.

При прогнозном моделировании работы карьерных водоотливов Ворыквинской группы бокситовых месторождений учитывалась вертикальная фильтрационная неоднородность известняков. Для её изучения использовались данные одиночных откачек. Их обработка производилась в следующей последовательности: 1) Удельный дебит каждой скважины (q) пересчитывался в удельный водоприток (q’) путем деления на длину (L) опробованного интервала скважины (q’=q/L); (для удобства он умножался на 100); 2) Для каждого интервала глубин с шагом 10 м рассчитывался средний удельный водоприток по всей совокупности скважин, вскрывающих водоносный комплекс на

Рис.1. Затухание водопроницаемости рифейских известняков с глубиной (Ворыквинская группа

бокситовых месторождений)



23 – 25 апреля 2008 г.

данной глубине. На рисунке 1 видно, что удельный водоприток по известнякам рифея закономерно уменьшается до глубины примерно 150 м. Глубже залегают практически монолитные слабопроницаемые породы. Аналогичный результат был получен при статистической обработки данных расходометрического каротажа скважин. Аналогичные кривые снижения водопроницаемости пород с глубиной получены также на Сибайском медноколчеданном местолождении, Маминском и Гагарском золоторудных месторождениях.

При гидрогеологическом обосновании вскрытия и отработки Маминского месторождения

поинтервальные откачки и расходоместрический каротаж скважин отсутствовали. Вертикальную фильтрационную неоднородность пришлось изучать по косвенным данным. Затухание трещино-ватости пород с глубиной, а, следовательно, и уменьшение их водопроводимости, достаточно четко фиксировалось по каротажу МСК (метод скользящих контактов). Метод МСК применялся для выявления рудных интервалов в скважинах, однако как оказалось, золоторудные породы характеризуются практически таким же удельным сопротивлением, как и вмещающие породы. Гораздо сильнее диаграмма МСК реагировала на интервалы трещиноватых и раздробленных пород. Это убедительно доказывается путем сопоставления диаграмм МСК с диаграммами кавернометрии, которая была выполнена по некоторым скважинам (рис. 2).

Еще одним косвенным методом изучения вертикальной фильтрационнй неоднородности

является телефотодокументация открытых стволов скважин с фиксированием количества и степени раскрытия открытых трещин и последующей статистической обработкой. Данный метод успешно применялся на Ново-Шемурском месторождении меди. При отсутствии других данных, может использоваться любой признак генетически связанный с трещиноватостью (параметры керна, скорость бурения, поглощение жидкости и т.п.), фиксируемый в буровых журналах.

Закономерное изменение водопрони-цаемости трещиноватых пород с глубиной наблюдается не только в горноскладчатых областях, но и в пределах артезианских бассейнов. Так, при построении

40

80

120

160

200

240

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1

МСККавернометрия

глубина,

м

МСК, мА; Кавернометрия, мм

Рис. 2. Сравнительный график МСК и кавернометрии по одной из скважин Маминского золоторудного

месторождения

0

50

100

150

200

250

300

350

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

мелэоцен

глубина залегания кровли

, м

коэф.фильтрации, м/сут

Рис. 3. Снижение водопроницаемости верхнемелового и нижнеэоценового водоносных горизонтов

Тобольского артезианского бассейна по мере их погружения



12

34

56à)

á)1 2 3 4 56

региональной модели района Шадринского месторождения подземных вод, в западной части Тобольского артезианского бассейна было обнаружено закономерное экспоненциальное снижение водопроводимости водоносных горизонтов палеогена и верхнего мела по мере погружения их кровли (рис. 3) (трещиноватые опоки и песчаники). То же самое можно сказать и о разделяющих глинистых толщах, коэффициент перетекания которых экспоненциально снижается с увеличением мощности вышезалегающих пород под действием компрессионного сжатия.

Данные примеры ещё раз показывают, что закономерное снижение водопроницаемости пород с глубиной имеет весьма широкое распространение. Для получения обоснованных геофильтрационных моделей эти закономерности на каждом объекте необходимо изучать и учитывать.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Гаев А.Я, Алферов И.Н., Алферова Н.С. Институт экологических проблем гидросферы,

Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия При обеспечении хозяйственно-питьевое водоснабжение населения пос. Энергетик и

работающего на Ириклинской ГРЭС персонала разработан вариант за счет использования аллювиального водоносного горизонта долины р. Урал и его притоков. Модели аллювиальных водоносных горизонтов разработаны на основе комплекса геологической и геофизической информации о блочном строении геологической среды и глыбовых неотектонических движениях.

Установлено, что водохранилище играет роль не только накопителя воды, но и источника восполнения запасов вод аллювиального водоносного горизонта. Ресурсы этого горизонта в нижнем бьефе водохранилища после его заполнения резко возросли и по оценкам гидрогеологов их достаточно для населения этой части уральского бассейна, включая пос. Энергетик и Ириклинскую ГРЭС.

Мы разработали модель затопленного аллювиального водоносного горизонта. Песчано-гравийно-галечные отложения аллювиального горизонта представляют собой крупные линзы, переслаивающиеся c суглинками и супесями (рис. 1). Ширина линз составляет до 1.5 км, а их протяженность обычно не превышает 8 км. Водоносные горизонты сложены песчано-гравийно-галечными отложениями мощностью от 2 до 7 м. Глубина залегания уровня грунтовых вод изменяется от 2 до 12 м. Борта речных долин сложены терригенно-карбонатными породами каменноугольного возраста.

Рис. 1. Модель аллювиального

водоносного горизонта, примыкающего в бортах долин к каменноугольному водоносному комплексу а) в разрезе; б) в плане 1 – р. Урал до заполнения водохранилища; 2 - аллювиальный водоносный горизонт (АВГ) пойменной террасы; 3 - АВГ первой надпойменной террасы; 4 - АВГ второй надпойменной террасы; 5 - водоносный горизонт трещинно-карстовых вод в теригенно-карбонатных породах каменно- угольного возраста; 6 – уровень Ириклинского водохранилища

Модель охарактеризована рядом параметров (табл. 1) мощностью от 20-30 м в пойме, до 3-5 м на второй надпойменной террасе. Водные ресурсы аллювиальных водоносных горизонтов распределены крайне неравномерно. 90% их сосредоточено в пойме, уменьшаясь в направлении второй надпойменной террасы, где эти ресурсы не превышают 3-5%. Содержание глинистой фракции



23 – 25 апреля 2008 г.

в пойме в составе водоносных песчано-гравийно-галечных отложений не превышает 1 - 3%. На второй надпойменной террасе мощность аллювиальных отложений резко сокращается до 3 - 5 м, а содержание глинистой фракции значительно возрастает, достигая 50 % и более. Коэффициент фильтрации в песчано-гравийно-галечных отложениях поймы составляет от 50 м/сут и более до 5 м/сут и менее на второй надпойменной террасе.

В районе пос. Энергетик аллювиальные водоносные горизонты затоплены водохранилищем Ириклинской ГЭС. Поэтому эксплуатировать аллювиальный водоносный горизонт возможно только из-под водного слоя водохранилища. Существует несколько вариантов создания таких водозаборов у пос. Энергетик (Оренбургская обл.). К примеру, можно построить платформу, с которой предлагается пробурить куст наклонных эксплуатационных гидрогеологических скважин. Крупный водозабор такого типа эксплуатируется в районе Нью-йоркской бухты (США). Сложность этого варианта заключается в необходимости строительства и эксплуатации гидрогеологических скважин с поверхности водоема. Однако большой опыт такого строительства в мировой практике свидетельствует о реальности и рентабельности данного варианта и в наших условиях. В этом случае нет необходимости строить водоводы большой протяженности, что экономически выгоднее.

Таблица 1- Параметры аллювиального водоносного горизонта

Террасы и борта долины

Мощность отложений, или зоны активного водообмена, м

Содержание глинистой фракции

Водные ресурсыКоэффициент фильтрации,

м/сут

Экологическая ёмкость,

мг.-экв. на 100г

Пойменная 20-30 пониженное, не более 3%

Основные (до 90 %)

высокий, до 50 и более

пониженная, n·10

Первая надпойменная 10 невысокое,

3 – 10 % невысокие (7 – 10 %)

невысокий, 5 - 20

невысокая, n·100

Вторая надпойменная 3-5 повышенное,

до 50 % и болеенизкие

(3 – 5 %) пониженный

< 5 повышенная,

n·1000 Каменно-угольный

теригенно-карбонатный водоносный комплекс

30-50

пониженное, не более 3%, или невысокое,

3 – 10 %

Невысокие даже в зонах сосредоточения трещинно-

карстовых вод

невысокий, 5 – 20 или пониженный

< 5

повышенная, n·1000

*) n – число от 1 до 10. Однако, в отечественной и оренбургской практике такие разработки пока не используются в

должной мере. Предпочтение отдается обычным аллювиальным, инфильтрационным водозаборам, от которых к потребителям прокладывают трубопроводы в десятки километров. Именно такие водохозяйственные объекты преобладают во всех районах Оренбургской области. Так, строительство Ириклинского водохранилища стабилизировало питание и улучшило качество воды в водозаборах, расположенных ниже створа плотины. Это относится к крупным водозаборам Гайского и Орского промышленных узлов. Аналогичное решение предложено нами для пос. Энергетик и Ириклинской ГРЭС.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 08-05-99030-р_офи).



МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО РЕЖИМА ПОДТОПЛЕНИЯ Г. ШАХТЫ

Гридневский А.В., Шеина С.Г. Ростовский государственный строительный университет, Ростов-на-Дону, Россия

На территории города сформировались локальные водоносные горизонты четвертичных

отложений в пределах водоразделов и пойменных отложениях речной сети. Широко распространены водонепроницаемые скифские глины неогена. Их отложения частично разрушены эрозионной сетью балок и рек. Скифские глины оказывают большое влияние на водный баланс четвертичной толщи. Пласты подстилающих понтических и мэотических пород неогена водопроницаемы и практически безводны из-за хорошей гидравлической связи с нижележащими каменноугольными породами. Породы карбона (С2-С3) развиты повсеместно. Воды этих отложений имеют наибольшее значение при ведении подземных горных работ. Их питание происходит в северных частях Шахтинской котловины. Они встречаются до глубин 300 м и могут обладать высоким напором.

Наблюдения уровней подземных вод за 20-летний период позволяют выделить характерные области обводнения. Они распространены в четвертичных лессовидных суглинках, залегающих на водонепроницаемых скифских глинах. Последние препятствуют перетеканию подземных вод в более глубокие водоносные горизонты и косвенно способствуют развитию подтопления. Наибольшие скорости подъема УГВ в городе приходятся на участки с широким распространением именно этих глин.

Подтопление территории г. Шахты имеет два источника: сброс техногенных вод городом в четвертичные эолово-делювиальные суглинки и выход на поверхность земли шахтных вод вследствие затопления горных выработок. Покровные отложения маломощны и распределены по территории неравномерно. Они заполняют понижения в древнем рельефе и имеют прерывистое невыдержанное распространение на водоразделах и их склонах. Из-за незначительной мощности четвертичных отложений в них могут быстро накапливаться подземные воды, что влечет подтопление территорий. В эрозионных врезах нижнего течения рек Грушевки и Атюхты наблюдаются выходы техногенных шахтных вод. Абсолютные отметки воды в затопленном пространстве шахтных выработок намного ниже рассматриваемой территории города и существенного влияния на нее не оказывают. С помощью математической модели геофильтрации, выполненной средствами Modtech 3.12, проанализировано влияние неоген-четвертичной толщи на подтопление приповерхностных отложений. Границы модели проведены по водораздельным пространствам и охватывают площадь около 1000 кв.км. Дискретизация модели проведена по километровой сетке за городом и сгущена внутри него до 250 м. Многослойность модели, распределение в пространстве коэффициентов фильтрации и перетекания позволили отразить взаимоотношение относительно слабопроницаемых четвертичных отложений, подстилающих их эродированных водоупорных скифских глин, покоящихся в свою очередь на высокопроницаемых понтических известняках–ракушечниках. Питание и разгрузка подземных вод задавались на модели в слоях «зона аэрации» и «поверхностные воды» посредством инфильтрационного питания, разгрузки вод в реки и высачивание через родники в оврагах и балках. Оценка достоверности модели проводилась путем сравнения модельных и фактических уровней подземных вод в поверхностном водоносном горизонтах за двадцатилетний период. Они регистрировались при инженерно-геологических изысканиях для целей строительства.

На модели удалось достаточно хорошо воспроизвести режим фильтрации подземных вод, что подтвердило идею и высокой вероятности смещения водного баланса в сторону избыточного питания подземных вод за счет техногенного режима на городской территории.



23 – 25 апреля 2008 г.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННАЯ 3-D МОДЕЛЬ САНГТУДИНСКОЙ ГЭС-1 НА Р. ВАХШ

Дидович М.Я., Игнатьева А.Л., Кондратьев Н.Н., Крылова Е. В.

Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» - «Институт Гидропроект», Москва, Россия

Участок основных сооружений Сангтудинской ГЭС-1 на реке Вахш расположен на границе

ущелья и межгорной котловины. Створный участок имеет резко ассиметричное строение бортов долины. Правый – крутой, скалистый. Левый – относительно пологий, мелкоувалистый. Русло реки приурочено к глубоко врезанному каньону (25-30 м).

Инженерно-геологические условия на участке основных сооружений ГЭС сложные. Участок сложен крутозалегающими, с падением вниз по течению реки, отложениями палеогена, разрез которых представлен чередующимися пачками карбонатных и терригенных пород (глины, мергели, песчаники). В пачках карбонатных пород развит карст, что обуславливает их высокую водопроницаемость до 100 м/сут.

В днище речной долины и на левобережном увалистом склоне распространены четвертичные отложения. Русловой аллювий мощностью до 20-25 м представлен песчано-гравийно-галечным материалом.

В силу существенной разницы в водопроницаемости карбонатных и терригенных пород свободная поверхность подземных вод в бортах долины имеет ступенчатый характер с перепадом уровней в породах различного литологического состава до 40 м. При этом в пластах закарстованных карбонатных пород уровень подземных вод располагается на 12-20м ниже уреза воды в реке. Питание подземных вод осуществляется за счет атмосферных осадков и фильтрации из реки. Область разгрузки подземных вод, заключенных в карбонатных породах не установлена.

В состав основных сооружений Сангтудинской ГЭС-1 входят. 1. Каменно-земляная плотина с ядром (из связного) мелкоземистого грунта и упорных призм

из галечника. Подземный противофильтрационный контур плотины включает «стену в грунте» и цементационную завесу. В примыканиях плотины предусмотрены бортовые цементационные завесы.

2. Напорно-станционный узел приплотинной ГЭС на левом берегу, состоящий из водоприемника открытого типа с глубинным водозабором, подземных напорных трубопроводов (4 нитки) и открытого здания ГЭС.

3. Водопропускные сооружения, включающие два туннельных строительно-эксплуатационных водосброса (СЭВ) с глубинными водозаборами на общий расход 4000м3/с. Размещены на правом берегу.

4. Открытое распределительное устройство ОРУ, обустраиваемое вблизи здания ГЭС. Указанные выше инженерно геологические и гидрогеологические особенности участка

основных сооружений Сангтудинской ГЭС-1 не позволяют адекватно оценить параметры фильтрационного потока из водохранилища посредством моделирования фильтрации в плоской постановке и аналитическими методами.

Достоверная оценка фильтрации из водохранилища возможна лишь посредством математического моделирования геофильтрации в трёхмерной постановке.

Численная геофильтрационная модель участка Сангтудинской ГЭС-1 выполнялась в оболочке широко известного программного комплекса Visual Modflow pro., v.4.0. /1/

Разработка модели заключалась в схематизации реальных геологических и гидрогеологических условий, а также параметров (характеристик) влияния или взаимодействия различных сооружений объекта моделирования.

Выбор границ моделирования определялся правилами моделирования и требованиями необходимой области изучения участка строительства.

Принятая область моделирования представляет собой в плане квадрат со сторонами 1200 м. Со стороны верхнего и нижнего бьефов она ограничена вертикальными параллельными плоскостями, отстоящими на расстоянии 600 м от плоскости оси плотины. Со сторон правого и левого бортов модель ограничена вертикальными параллельными плоскостями, отстоящими соответственно на 450 м и 750 м от нулевого пикета плотины. В профиле область моделирования ограничена: сверху естественной поверхностью земли и поверхностью сооружений, снизу условным водоупором на отметке 400 м.

В плане область моделирования разбита на три типа ячеек . Первый тип – центральная часть модели (участок плотины), разбивка выполнена на квадраты со стороной 3м. Второй тип – участки



долины реки со стороны верхнего и нижнего бьефов и участки правого и левого бортов, разбивка выполнена на прямоугольники со сторонами 3,5 х 5м. Третий тип – угловые участки модели, разбивка выполнена на квадраты со стороной 5 м. В профиле первоначально модель была разбита соответственно снизу вверх от условного водоупора по отметку 503,00 м через 7,5 м, затем до отметки 576,50 м через 2,5 м и выше до верха модели через 21 м. Всего область моделирования состоит из 5 760 000 ячеек.

Фильтрационные характеристики пород основания и грунтов плотины принимались в соответствии с проектными данными. Всего модель в соответствии с конструктивными и инженерно геологическими элементами содержит 22 геофильтрационных типа. Бетонные сооружения ГЭС и СЭВ в модели не рассматривались.

Расчёты выполнены для 2-х вариантов наполнения водохранилища: для случая нормальной эксплуатации ГЭС при НПУ=571,5 м и для промежуточного, строительного случая, УГВ=554,0 м. Напоры в нижнем бьефе составляли соответственно 510 и 508 м.

Результаты, полученные в обоих расчётных случаях, показали высокую обводнённость низовой упорной призмы плотины. Такой результат обусловлен низким значением коэффициента фильтрации пачки глинистых пород, барражирующей обходную фильтрацию в створе упорной призмы. Для эксплуатационного случая максимальная отметка депрессионной поверхности в русловой части призмы составила 540,7 м при моделировании пространственного потока, против 519 м для случая плоской задачи. Для строительного случая максимальная отметка депрессионной поверхности равна 530 м.

В дальнейшем исходные параметры геофильтрационной модели предполагается скорректировать на основе фактических данных пьезометрических и гидрологических наблюдений, а так фактически выполненного противофильтрационного контура в плотине и береговых примыканиях.


1. Visual MODFLOW Pro v.4.0. Waterloo Hydrogeologic Inc, 2004.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИСХОДНЫМИ ДАННЫМИ

НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ВОДОЗАБОРА Г.ЮРМАЛА

Зазимко А.Я., Сорокина Т.А. ООО „Eкоpartneris”, Рига, Латвия

Система водоснабжения г.Юрмала представляет собой систему взаимодействующих локальных централизованных водозаборов: Дзинтари, Яундубулты, Каугури и Кемери.

В 2006 году ООО „Eкоpartneris” проводил работы по оценке запасов подземных вод на водозаборах Дзинтари, Яундубулты и Кемери. Основной проблемой оценки запасов являлась оценка изменения качества воды. Особенно актуальна эта проблема для водозабора Дзинтари. Задача решалась с применением аналитических методов, для чего использовался богатый материал режимных наблюдений, которые ведутся с отдельными перерывами начиная с 1946 года (рис.1). В результате этих работ были собраны, обработаны и проанализированы данные о дебите водозаборов, изменениях уровней различных водоносных горизонтов слоистой толщи, об измениях концентраций отдельных показателей качество воды.

Данные режимных наблюдений позволили уточнить параметры водоносных горизонтов, количественно оценить взаимосвязь водоносных горизонтов и дать прогноз изменения уровней и качества воды на расчётный срок подсчёта запасов подземных вод.

Собранный многолетний материал в дальнейшем предполагается использовать для математического моделирования с целью уточнения параметров горизонтов, расчёта водного баланса, в том числе величины вертикального перетока для прогноза изменения качества подземных вод.

Гидрогеологический разрез г. Юрмала представляет собой многослойную толщу водоносных горизонтов с относительно выдержанными разделяющими слабопроницаемыми слоями.

Верхняя часть гидрогеологического разреза представлена четвертичными отложениями, к которым приурочены грунтовые воды (Q4) и межморенный водоносный горизонт (Q3-2). Ниже залегает терригенный аматский водоносный горизонт (D3am) и гауйско-арукюлаский водоносный комплекс



23 – 25 апреля 2008 г.

(D3gj-D2ar). Аматский водоносный горизонт отделён от гайско-арукюлаского водоносного комплекса толщей глин и глинистых песчаников мощностью до 17,2 м, к0/m0=2,9*10-6.

График изменения уровней водоносных горизонтов и суммарного дебита в районе водозабора Дзинтари

скв .621 D3gj1512 D3gj1

1902

1908 D2ar+br1903 D3gj1

1770 D3gj2 1770 D3am 1770 D3gj1 1767 D3gj1 1769 D3gj1

1765 D3gj124146 D3gj1

1907 D3gj1

1903 D3gj1

1909 D2ar+br1908 D2ar+br

1897 D3gj1

1953 D3gj1

1906 D3gj1

1901D3gj1

1900 D3gj1

2356(39) Q2356(39) Q

скв .2357(40) D3am

2357(40)D3am

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1000019

46

1948

1950

1952

1954

1956

1958

1960

1962

1964

1966

1968

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

Год

Дебит

,m3/сут

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Абс

. отм

етка

уро

вня,

m

Децентрализованный водозабор Дзинтари Централизованный водозабор Дзинтари скв.621(321/41) D3gj1скв.2356(39) Q скв.2357(40) D3am

В

Рис. 1.

Основным эксплуатационным водоносным горизонтом является терригенный гауйско-арукюлаский водоносный комплекс (D3gj-D2ar). Мощность комплекса в районе Дзинтари 185-220 м. Представлен отложениями песчаников с прослоями глин и алевролиов. Водоносный комплекс включает в себя гауйский водоносный горизонт (D3gj) и буртниекско-арукюлаский водоносный горизонт (D2br-ar), разделённых относительно слабопроницаемымой толщей алевролитов буртниекской свиты мощностью ~ 30 м, к0/m0=5,9*10-4. Как свидетельствуют данные режимных наблюдений, все водоносные горизонты связаны между собой. При наличии градиента напора вышележащие водоносные горизонты являются питающими для подстилающих.

Главной проблемой водоснабжения города является повышенное содержание отдельных показателей. Так, район Яундубулты-Дзинтари характеризуется повышенным содержанием сульфатов и хлоридов, что обусловлено наличием разрывных нарушений в осадочном чехле. В районе Дзинтари в гауйском водоносном горизонте содержание сульфатов достигает 234 мг/л, хлоридов – 93 мг/л, а в арукюласко-буртниекском водоносном горизонте содержание сульфатов и хлоридов соответственно составляет 384 мг/л и 332 мг/л. Однако, если на участке Яундубулты разница уровней между гауйским и арукюласко-буртниекским (являющимся источником поступления сульфатов и хлоридов) практически равна нулю, то на участке Дзинтари разница уровней достигает 2,7 м, что создаёт предпосылки для перетекания. На положение уровней в арукюлакско-буртниекском водоносном горизонте на участке Яундубулты большое влияние оказывает водотбор на водозаборе Каугури, где ведётся эксплуатация преимущественно арукюласко-буртниекского водоносного горизонта, содержащего там кондиционные воды.

Процесс перетекания усугублятся тем, что водоснабжение на участке Дзинтари осуществляется преимущественно из гауйского водоносного горизонта, что создаёт предпосылки для увеличения доли участия вод буртниекско-арукюлаского водоносного горизонта в формировании состава воды гауйского водоносного горизонта. О взаимосвязи качественного состава воды и дебита водозабора свидетельствуют режимные данные по эксплуатационным скважинам. Аналитические расчёты показали, что с учётом заявленой потребности в воде 9 тыс. м3/сут, доля участия вод буртниекско-арукюлаского водоносного горизонта в формировании состава вод гауйского горизонта будет составлять 16-17%. В этом случае прогнозная концентрация сульфатов составит 302 мг/л, а хлоридов – 186 мг/л.

Наличие ряда долголетних режимных наблюдений, охватывающих период более 60 лет, включающий мониторинг уровней водоносных горизонтов, их химического состава и учёт водоотбора, а так же результаты разведочных работ подземных вод может служить исходной базой данных для создания геофильтрационной модели для решения в будущем практических задач водоснабжения.



МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗГРУЗКИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РЕКУ В РАЙОНЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩА

Куваев А.А., Гончаренко Д.Б., Семенов М.Е Группа компаний «ШАНЭКО», Москва, Россия

Рассматривается геомиграционная модель зоны разгрузки в реку подземных вод с

минерализацией до 55 г/л, сформировавшихся вблизи хвостохранилища. Модель реализована с помощью программы SEAWAT-2000. Показано, что плотностные эффекты способствуют консервации источника загрязнения в водоносном пласте и делают массовый поток загрязняющих токсичных веществ стабильным в течение длительного периода времени.

Источник загрязнения подземных вод расположен в пределах европейской части России на пойме р. Серебрянки. В верхней части разреза залегают четвертичные аллювиальные и флювиогляциальные отложения. Нижняя часть разреза представлена песчаными тульско-бобриковскими отложениями, которые подстилаются глинистым малевским водоупором. Хвостохранилище использовалось более 50 лет для сброса и хранения высокоминерализованных промышленных рассолов, в результате чего под ним сформировалась линза грунтовых вод хлоридного аммонийно-натриевого состава с минерализацией до 55 г/л.

В настоящее время сброс рассолов в хвостохранилище не осуществляется, но происходит вынос накопленных солей с грунтовым потоком в р. Серебрянка, в результате чего в ней наблюдается превышение ПДК по ряду токсичных веществ, в частности, по аммонию. Для количественной характеристики разгрузки загрязненных грунтовых вод в реку была разработана профильная геомиграционная модель с использованием программы SEAWAT-2000. На 1 этапе моделирования была проведена калибровка геофильтрационной и геомиграционной моделей с использованием данных режимных наблюдений за уровнями грунтовых вод, а также данных руслового водного и массового баланса реки. На 2 этапе были выполнены прогнозные расчеты динамики линзы рассолов на многолетний период.

Анализ модели позволил сделать вывод, что плотностные эффекты играют существенную роль при оценке поступления загрязнения в р. Серебрянку. Рассолы высокой плотности аккумулируются под рекой в нижней части тульско-бобриковского водоносного горизонта, растекаясь по кровле малевского водоупора (рис. 1). При этом линза рассолов распространяется на значительное расстояние также в пределах противоположного берега реки. На рис. 2 показаны графики изменения удельного расхода массового потока солей, выносимых в реку, полученные по данным моделирования, как с учетом (вариант 1), так и без учета плотностных эффектов (вариант 2). Как видно, массовый поток в варианте 1 в течение первых 10 лет существенно ниже, чем в варианте 2. В то же самое время массовый поток в варианте 2 сравнительно быстро уменьшается во времени и через 13-15 лет становится меньше чем в варианте 1. Таким образом, плотностные эффекты приводят к более длительному сохранению источника загрязнения в водоносном горизонте. На основе полученных результатов моделирования был дан прогноз содержания загрязняющих веществ в реке на перспективу.



23 – 25 апреля 2008 г.

Рис.1. Модельное распределение минерализации в разрезе (г/л): а) современное состояние; б) прогноз на 20 лет (с учетом плотностной конвекции)

Рис.2. Прогнозное изменение удельного расхода массового потока солей, выносимых с грунтовыми водами в реку


1. Langevin, C.D., Shoemaker, W.B., and Guo, Weixing, 2003, MODFLOW-2000, the U.S. Geological Survey Modular Ground-Water Model–Documentation of the SEAWAT-2000 Version with the Variable-Density Flow Process (VDF) and the Integrated MT3DMS Transport Process (IMT): U.S. Geological Survey Open-File Report 03-426, 43 p.

105

110

115

120

125

130

105

110

115

120

125

130Хвостохранилище

а)

105

110

115

120

125

130

105

110

115

120

125

130Хвостохранилище

0м 100м 200мб)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 5 10 15 20 25

Удельный массовый поток, кг /сут

Время, годы

С учетом плотностных эффектов (вариант 1)

Без учета плотностных эффектов (вариант 2)



ПРОГНОЗ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ОСНОВАНИИ СООРУЖЕНИЙ ПРИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ И СТАЦИОНАРНЫХ ВОДОПОНИЖЕНИЯХ

Курмангалиева А.Р. ОАО ПИ «Астрахангражданпроект, Астрахань, Россия

При возведении новых высотных сооружений в городах часто образуются воронки или мульды

оседания, значительно распространяющихся за пределы площадок, что объясняется наличием в основании фундаментов слабых глинистых грунтов. Особенно страдают фундаменты старых зданий, многие из которых охраняются государством. Высотные строения возводятся в г.Астрахани преимущественно на свайных фундаментах, а старые здания (двух-трехэтажные) стоят на ленточных. При строительном и стационарном водопонижении, либо отрыве котлована под свайное поле обязательно требуется прогноз деформации состояния грунтов для выбора оптимального конструктивного решения и щадящей технологи производства работ, способных обеспечить безопасность техногенной нагрузки на фундаменты существующих зданий. Основным критерием допустимости техногенного воздействия является условие: ,adtu

iadti ss <∑ где adtis - осадка от

каждого i- го техногенного воздействия; adtus - предельно-допустимая осадка примыкающего здания

в период производства строительных работ /1/. Определяется расчетами или назначается в первом приближении согласно требованиям норм ТСН 50-302-96 и СНиП 2.02.01-83* на уровне 10 см.

Разрушению фундаментов старых построек способствуют следующие процессы: растворение цементирующего раствора кладки и частичный вынос его грунтовой водой; нарушение противокапиллярной изоляции стен под обрезом фундамента при поднятии культурного слоя; расструктуризация кладки при промерзании или длительном увлажнении грунтов в основании фундамента.

Типичный инженерно-геологический разрез центральной части города представлен частым переслаиванием песчано-глинистых грунтов аллювиальных современных и морских отложений хвалынского и хазарского ярусов четвертичной системы. Естественные отложения перекрыты слоем техногенных насыпных супесчано-суглинистых грунтов этого же возраста. Подземные воды изначально залегали в аллювиальных или хвалынских песках и их прослоях в суглинках, имели безнапорный или слабо напорный характер залегания, но при усиленной нагрузке территории инженерными водонесущими коммуникациями произошло смыкание техногенной верховодки с водоносным горизонтом, причем в зону постоянного насыщения попали даже глинистые техногенные грунты. Постоянное увлажнение способствовало переходу глин и тяжелых суглинков в пластичное состояние, что резко снизило несущую способность фундаментов. Расчетный размер зоны риска для старинного одноэтажного здания (корпус №2) на территории Мариинской ОКБ №1 увеличился до 3,6-3,8 м.

При возведении рядом высотного диагностического корпуса предполагается отрыв котлована глубиной 2,8 м до подошвы водонасыщенных аллювиальных супесей, что требует выполнение строительного водопонижения в объеме 583 м3/сут в течение не менее 145 дней. Осадка грунтов в основания фундамента примыкающего к котловану старого здания рассчитывалась двумя способами: как результат высыхания набухшего водонасыщенного грунта и суммарная деформация при работе дренажной системы. Полученные результаты оказались хорошо сопоставимыми: 45 и 42 см. С учетом расчетного воздымания на 5-6 см разуплотненных глинистых грунтов при разработке котлована, минимальная расчетная осадка уменьшается до 36 см, но намного превышает допустимое значение 10 см. Это свидетельствует о неутешительном прогнозе устойчивости фундамента существующего старого здания, которое проектировщиками предлагалось снести.

Другая застраиваемая полностью площадка крупного торгового центра 7 га требует организации защитных мероприятий от подтопления грунтовыми водами в виде системы горизонтального дренажа. Основными защищаемыми конструкциями являются ростверк свайного фундамента и перекрытие основания подвального этажа. Дренированию подлежит верхний слой водовмещающих тонких прослоев песков в аллювиальных суглинках на глубину расчетной нормы осушения – от 2,0 до 2,5 м. При двухслойном строении водовмещающей толщи за расчетный коэффициент фильтрации дренируемого слоя принято средневзвешенное значение - 0,35 м/сут; всего водоносного горизонта – 0,88 м/cут. Расчетный расход дренажной системы невелик – до 19,5 м3/сут. Особенностью территории является неравномерное распределение по площади мощности



23 – 25 апреля 2008 г.

уплотняющих слоев: различие в модулях деформации отдельных слоев достигает 60%, что влияет на пространственную изменчивость величины оседания.

Конечная величина оседания массива после завершения фильтрационной консолидации каждого отдельного слоя будет зависеть от сформировавшейся мощности зоны уплотнения этого слоя, захватывающего или весь слой, или его часть:

∑=

∆=∆

n

i EPcpmil

1

β, где mi – мощность зоны уплотнения, м; β - безразмерный коэффициент,

принимаемый 0,8 /2/. Степень влияния возможных смещений оценена путем сравнения прогнозных величин

деформаций с нормативными и предельно допустимыми значениями, регламентируемыми СНиП II-8-78 и 2.02.01-83*, а также с использованием расчетного показателя суммарных деформаций. Прогнозные деформации определялись по формулам определения наклонов и кривизны поверхности, вертикальных деформаций без учета горизонтальных смещений. Анализ распределения прогнозируемых величин оседаний и деформаций по площади показал неравномерное распределение их по площади застройки с формированием трех локальных участков оседаний (мульд).

Полученные значения производных от оседаний величин для расчетных участков: наклонов, кривизны и суммарного показателя деформации, показали, что максимальные величины наклонов и кривизны поверхности составили 2,4х10-5 - 6,3х10-5 и 0,42х10-6 1/м - 2,9х10-6 1/м соответственно. Расчетный показатель суммарных деформаций не превысил 2,4 мм для участка с максимально возможными значениями деформаций.

За пределами осушаемого района деформирование поверхности будет протекать с еще более низкими значениями деформаций в силу выполаживания депрессионной воронки, ведущего к снижению уровня силового воздействия на массив. Максимально возможные расчетные значения деформаций за пределами участка застройки составили: по оседаниям – 2мм, наклонам 0,1 х10-5, кривизне – 1х10-6 1/м.

Сравнение полученных результатов расчета с предельно-допустимыми значениями деформаций показывает, что влияние осушения на состояние зданий будет незначительным: относительная разность осадок (наклоны) может достигнуть 6,3 х10-5 при допустимых 2х10-3; расчетный показатель суммарных деформаций – 2,4 мм, что значительно меньше нормативного (10 см для зданий первого разряда); абсолютная величина оседаний – не более 2,1 см. Согласно СниП II-8-78 прогнозируемые величины оседаний позволяют отнести территорию застройки к IV группе, где меры защиты зданий не требуются.


1. В.М.Улицкий, А.Г.Шашкин. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд-

во АСВ, 1999. 2. Методические рекомендации по прогнозу деформации при понижении /Косяков С.И., Журин

С.Н., - Белгород: Изд-во ФГУП «ВИОГЕМ», 1990 г



ПРОГРАММА АНАЛИТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОДОПОНИЖЕНИЯ PRITOK

М. В. Лехов

Геологический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия Программа разработана на основе обобщения и доработки известных аналитических решений

для оценочных, экспертных расчетов нестационарного притока к контурам и группам скважин при строительстве коллекторов, котлованов, шахт. Учитывает разнообразные схемы. Имеет простой понятный интерфейс. Удобна для факторно-диапазонной оценки. Может использоваться для проектной, исследовательской и учебной работы.

К 60-70-м годам были разработаны аналитические модели плановой фильтрации, охватывающие большое количество актуальных практических схем преимущественно однородного (и не только) строения пласта в плане. Однако в последующее время их реализация не получила широкого применения по двум причинам. Во-первых, расчеты по довольно сложным формулам, содержащим специальные функции, интегралы, ряды, нуждались в вычислительных машинах, которых не было. Во-вторых, стремление к учету неоднородности, слоистости и сложной геометрии границ водоносных горизонтов приводило, особенно в научной среде, к использованию метода ЭГДА на бумаге и сеточных интеграторах. В силу более широких возможностей аналоговое моделирование, а затем быстрое развитие численного моделирования с уже доступными персональными ЭВМ, по сути, содействовали забвению разработанного аппарата аналитических решений уравнения теплопроводности применительно к задачам гидрогеодинамики /Ф.М. Бочевер, Н.Н. Веригин, В.М. Шестаков…/.

Хороший уровень изысканий и научных исследований в этот период давал реальную возможность параметрического обоснования сложных по геометрии и неоднородности моделей, что и повлекло внедрение численных методов и вычислительной техники. Геофильтрационное моделирование (численное) не только обрело статус обязательного инструмента при проектировании ответственных объектов, но и стало фигурировать в составе штатных работ, например, таких как расчеты строительного водопонижения и его воздействия на окружающую территорию. При этом по мере снижения качества изысканий, исключения из их состава специального бурения и опытно-фильтрационных работ применение численного моделирования во многих случаях стало необоснованным. А решение обратной задачи – невозможным, из-за отсутствия данных по уровням, параметрам и балансу. В настоящее время моделирование в составе проектных работ во многих случаях необходимо, но, будучи довольно трудоемким и дорогим, по наличию исходных данных и обосновывающих изысканий не всегда оправдано.

Расчеты скважинного водопонижения необходимы в практике строительного проектирования. Но базируются они часто на устаревших типовых альбомах и справочниках, в которых подыскиваются подходящие формулы. Для ответственных объектов привлекаются специалисты по геофильтрационному моделированию. Вопросы обоснования фильтрационной схемы остаются открытыми, или делается формальная ссылка на таблицы параметров, которые прилагаются к отчету по изысканиям. Такие параметры, как гравитационная водоотдача и сопротивление ложа водоема всегда отсутствуют. Решить обратную задачу при ограниченной площади бурения не представляется возможным.

Применение аналитических алгоритмов, собранных в единую программу, более оправдано, чем составление трудоемких сеточных моделей. Для расчета водопонижения вблизи дренажа изменчивость фильтрационных параметров во всей области влияния не имеет значения, но в численной модели ее приходится задавать, используя при этом необоснованные значения. Проще использовать приближенные аналитические решения, при этом, конечно, сохраняя трезвый взгляд на пределы их применимости.

Программа PRITOK, созданная для оперативных оценочных расчетов вертикального дренажа, основана на использовании аналитических моделей - решений уравнения нестационарной геофильтрации для простых случаев. Пользование программой не требует специальных знаний в области динамики подземных вод и расчета скважин. Результаты, как показывает сравнение с численным моделированием по ряду объектов, при корректной схематизации отличаются незначительно.

Для расчетов задаются параметры пласта (коэффициент фильтрации и мощность или проводимость, водоотдача, коэффициент перетока, начальный напор в пласте) и скважин (шаг скважин или их координаты, диаметр, несовершенство). Расчеты ведутся при заданном динамическом



23 – 25 апреля 2008 г.

уровне или расходе. Постоянство расхода может быть обусловлено, но его величина неизвестна, а определено предельное понижение в скважине. Производится учет несовершенства, а также высачивания на стенке скважин. Результаты выводятся в виде графиков временного прослеживания напоров, заданного понижения (влияния) и расходов (скважин, для линий - удельных притоков с разных сторон), напоров по направлениям и карт гидроизогипс.

При разработке программы потребовались преобразования известных решений к унифицированному виду. Варианты схем подразделяются на три типа – линейный (один или два ряда), контурный прямоугольный или круговой (расстановка скважин оптимизируется, исходя из шага), одна или неупорядоченная группа скважин.

Алгоритм связывает напор в скважинах с напором на линии или в центре контура (группы) через локальное фильтрационное сопротивление, формулы расчета которых адаптированы. Поток рассчитывается как линейный для неограниченного ряда или радиальный для контура и группы скважин.

Расчеты линейных схем используют решения с граничным условием 3 рода вдоль ряда дренажа и берега водоема. Применение радиальной схемы использует прием «большого колодца» на удалении и сложение действия скважин вблизи.

Обе схемы включают в себя: неограниченное распространение потока, наличие водной границы (с нестационарным граничным условием 3 рода) и непроницаемой границы. В каждой может учитываться перетекание. Расчет может проводиться для заданной проводимости или заданного коэффициента фильтрации (схема Дюпюи). Для учета несовершенства скважин при частом расположении использованы известные зависимости и разработаны специальные приемы расчета.

Для программирования решений потребовалась ревизия опубликованных изданий, содержащих фатальные опечатки, заставившие тестировать формулы. Вычисление специальных функций, во множестве фигурирующих в уравнениях, потребовало ввода вспомогательных функций, компиляции и разработки дополнительных алгоритмов, особенно для тех случаев, когда сочетание параметров приводило к «разбалтыванию» решения.

Программа может использоваться также для дифференцированного анализа разносторонних притоков берегового ряда скважин, проектирования и интерпретации опытных откачек, а также многих других исследовательских задач. Программа может использоваться в учебном процессе, как по специальности «Гидрогеология», так и смежных.

Следует заметить, что, получая в руки удобный инструмент расчета и оптимизации, пользователь должен не забывать о достоверности задаваемых гидрогеологических параметров, так как эта сторона является источником несравнимо более грубых ошибок, чем использование приближенных решений, полученных с помощью аналитического моделирования.



ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ

Лымарева О.А., Брускова В. В., Перепичай А.Ф. ЗАО «НИиПИ экологии города», Москва, Россия

Строительное освоение территорий может оказывать прямое или косвенное влияние на баланс

естественных и искусственных водных объектов. На территории Москвы особо охраняемыми водными объектами являются все реки, водохранилища и озера, и при застройке на расположенных рядом с ними территориях является обязательной оценка влияния на них новых объектов в период строительства и эксплуатации. Существует также другая категория задач, связанная с реабилитацией водоемов и водотоков (временное осушение и чистка чаш прудов, гидроизоляция их дна) - оценка их влияния на окружающие здания и сооружения.

Обе категории задач решаются с привлечением полевых гидрогеологических исследований и математического моделирования взаимодействия поверхностных и подземных вод. Эти работы включают оценку существующих гидрогеологических условий, определение характера взаимодействия поверхностных и грунтовых вод, выполнение прогноза изменения гидрогеологических условий в период строительства и эксплуатации.

Ярким примером является прогнозное гидрогеологическое моделирование, выполненное "НИиПИ экологии города", в связи застройкой окрестностей оз. Черное, расположенного в Люберецком районе Московской области на правобережной пойме р. Пехорки, включающей реабилитацию и застройку территории иловых площадок Люберецкой станции аэрации и реконструкцию оз.Черное с изменением его площади, глубин и уровенного режима.

В геологическом отношении рассматриваемая территория относится к зоне древнего размыва, где частично или полностью размыты региональные верхнеюрские водоупорные отложения. При этом мощная элювиальная толща коры выветривания верхнекаменноугольных известняков преимущественного глинистого состава. Четвертичные отложения, залегающие на юрских и верхнекаменноугольных отложениях, представлены гляциальным, аллювиальным и озерно-болотным комплексами. Акватория озера расположена в заболоченной низине, приуроченной к озерно-болотной котловине, сложенной органо-минеральной толщей, к которой приурочено развитие локального водоносного горизонта с УГВ (на период летней межени 2007 г.) на абсолютных отметках 118.1-120.2 м, соответственно на глубине 0.5-3.5 м.

Рис. 1. Абсолютные отметки УГВ озерно-болотного водоносного

горизонта на летнюю межень и его мощность

Смешанный водоносный горизонт имеет повсеместное распространение, характеризуется напорно-безнапорным режимом, уровни устанавливаются на абсолютных отметках 116.6-128.14 м, соответственно глубине 0.7-8.6 м.

Для моделирования гидрогеологических условий взаимосвязи подземных и поверхностных вод разработана математическая модель на авторском программном комплексе WINMODEL и Visual Modflow 4.1 с использованием результатов собственных гидрогеологических исследований «НИиПИ экологии города» и архивных данных предшествующих изысканий "Мосгоргеотрестом", «МосводоканалНИИпроектом», «Центргеологии». На рассматриваемой территории "НИиПИ экологии города» было пробурено 24 гидрогеологические скважины, выполнены откачки и наливы, режимные наблюдения. На рис. 1 показан УГВ на летнюю межень.

По результатам моделирования, выполненного с использованием данных мониторинга, в естественных условия до начала застройки района получено (рис. 2), что:

− в период летней межени на северо-западе и севере озера



23 – 25 апреля 2008 г.

осуществляется разгрузка грунтовых вод в озеро. На востоке и юге происходит разгрузка из озера в горизонт.

− в период действия осенних осадков происходит расширение зоны разгрузки грунтового горизонта в озеро, уменьшение оттока из озера в горизонт и формирование зон высачивания грунтовых вод на поверхность;

− в период зимней межени относительно периода летней межени зона разгрузки грунтового горизонта в озеро расширяется с уменьшением зоны оттока из озера;

− в период действия весенних осадков наблюдаются максимальные площади высачивания грунтовых вод на поверхность.

− на всем озере за исключением юго-восточного участка происходит разгрузка грунтовых вод в озеро. На юго-востоке озера идет разгрузка поверхностных вод в горизонт. Следует отметить, что в приведенный период протяженность фронта разгрузки горизонта в озеро максимальная, а протяженность фронта разгрузки озера в горизонт – минимальная.

Весна Лето

ЗимаОсень

НПУ озера118.60 м




Рис 2. Взаимосвязь подземных и поверхностных водозера Черное в естественных условиях зона питания озера за счет разгрузки водоносного горизонта зона фильтрационных потерь из озера в водоносный горизонт зона высачивания грунтовых вод в весенний и осенний периоды

В целом в годовом разрезе величина фильтрационных потерь из озера превышает величину фильтрационного питания и, учитывая стабильное положение НПУ озера в многолетнем разрезе, очевидно, компенсируется за счет поверхностного стока и прямого поступления на зеркало озера атмосферных осадков.

Оценочный прогноз изменения гидродинамического режима подземных вод выполнен для нескольких вариантов реабилитации озера из которых здесь представлены два конкурентных решения.

Вариант 1 рассматривал перераспределение водосборных площадей, наличие техногенного инфильтрационного питания на территории проектируемой застройки, сокращение акватории озера, дноуглубление с выдержанной глубиной озера 2 м и с урезом воды в озере на отметке ниже УГВ в естественных условиях — 117.5 м (рис. 3).

Рис. 3. Прогнозируемые отметки уровня озерно-

болотного водоносного горизонта в условиях новой застройки с 1% коммуникационными утечками при

работедренажей Блоки, в которых схематизируются: дренажи сокращенная акватория озера зона дренирования

Расчеты показали, что поддержание НПУ на более низких отметках приведет к дренированию

прибрежной полосы, шириной 40-200 м со снижением УГВ на 0.2-0.7 м. Снижение НПУ озера на 0,8-1,1 м значительно изменяет сложившийся режим взаимосвязи поверхностных и подземных вод, во все сезоны будет наблюдаться преимущественное питание озера за счет разгрузки грунтовых вод.

Следует отметить, что при дноуглублении и удалении кольматационного слоя в ходе расчистки, гидравлическая взаимосвязь поверхностных и грунтовых вод горизонта улучшится. Соответственно возрастет как дренированность прилегающих участков, так и фильтрационные потери из озера. Моделирование показало, что при увеличении параметров связи расходные характеристики увеличатся не более, чем на 20-30 %. Т. е.

основное влияние на величины питания и фильтрационных потерь играет соотношение уреза

воды в озере и уровенных поверхностей грунтовых вод, зависящих от



изменившегося режима природно-техногенного инфильтрационного питания, ликвидации дренажных канав, работе проектируемых дренажей и поддержания НПУ озера.

Вариант 2 рассматривал перераспределение водосборных площадей, наличие техногенного инфильтрационного питания на территории проектируемой застройки, отсутствие работы дренажей, засыпка акватории озера и прибрежной зоны до отметки 121-120.5 с уклоном на юго-восток (Рис. 4). При таких условиях воднобалансовый режим грунтовых вод значительно изменится. Величина подъема УГВ относительно естественной поверхности составит 1.8-2.5 м. УГВ на территории подсыпки поднялись до отметок 120-121 м. Увеличилась разгрузка грунтовых вод в р. Пехорка и значительно расширились зоны высачивания грунтовых вод в ее прибрежной зоне на весенний период. Кроме того, подъем УГВ спровоцировал формирования зон поверхностного заболачивания к северо-западу от озерной котловины.

Масштаб 1:15 000

Рис. 4. Глубины залегания УГВ и зоны

поверхностного заболачивания на весеннийпериод после строительного освоения

На рис. 4 показаны глубины залегания первого от поверхности водоносного горизонта в

весенний период и участки заболачивания рассматриваемой территории, т.е УГВ у поверхности земли. Суммарная величина высачивания на поверхность в весенний период достигает 3100 м3/сут, т.е. на 650 м3/сут больше расчетного прогнозного варианта с существующей морфометрией озера.

В целом, в условиях вертикальной планировки поверхности с засыпкой внутренних поверхностных водоемов нарушается балансовый режим грунтовых и поверхностных вод и на месте озерной впадины формируется подъем грунтовых вод до 1.5 м.

Кроме того, прогнозируется тенденция к расширению площадей поверхностного заболачивания в долине реки Пехорка, а также образование новых зон сезонного заболачивания внутри рассматриваемой территории.

Выводы: 1. Геофильтрационное моделирование с воспроизведением взаимодействия поверхностных и

подземных вод в естественных условиях, в периоды строительства и эксплуатации позволяет дать достоверную оценку влиянию проектируемого строительства на водные объекты.

2. Материалы выполняемых комплексов полевых гидрогеологических исследований позволяют выявить особенности взаимодействия поверхностных и подземных вод, тем самым повысить достоверность прогнозного моделирования.



23 – 25 апреля 2008 г.

ПОСТОЯННО ДЕЙСТВУЮЩИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ – КАК ОСНОВА МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Макушин Ю.В., Четвергов Д.Н.

ОАО «Томскгеомониторинг», Томск, Россия

Мониторинг подземных вод служит важным источником информации для количественной оценки состояния подземных водных ресурсов. Такие оценки лучше всего могут быть выполнены на базе численных постоянно действующих геофильтрационных и геомиграционных моделей. Такие модели позволяют наиболее полно учесть особенности геолого-гидрогеологического строения объекта моделирования в плане и разрезе, граничных условий, фильтрационно-емкостных свойств водовмещающих и относительно водоупорных раздельных слоев, характер и изменение во времени водоотбора подземных вод.

Специфической особенностью и непременным условием осуществления мониторинга является непрерывный во времени характер исследований, стратегия развития которого основывается на единой технологии получения, систематизации и обработки фактографической информации с использованием компьютерных информационно–справочных баз и банков данных и геоинформационных систем (ГИС).

Кроме данных режимных наблюдений за уровнями и качественным составом подземных вод по государственной опорной наблюдательной сети (ГОНС), объектной и ведомственной наблюдательным сетям, важным источником информации являются фондовые, производственные материалы, дополненных данными обследования водозаборов, эксплуатирующих оцененные и неоцененные запасы подземных вод с оценкой их качества согласно требований СанПиНа.

Определенный опыт создания таких моделей накоплен в Томской области при выполнении работ по оценке прогнозных ресурсов подземных вод и перспектив расширения и организации хозяйственно-питьевого водоснабжения Томского района в пределах Томь-Колыванской складчатой зоны, оценке эксплуатационных запасов подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Северска, переоценке запасов Томского месторождения подземных вод.

Система геофильтрационных и геомиграционных моделей Томского и Северских месторождений подземных вод успешно эксплуатируется для целей ведения и оптимизации мониторинга подземных вод с 2006 г., опыт применения которых оказался положительным

Томский водозабор подземных вод, расположенный на территории Обь-Томского междуречья, представляет собой уникальное по своим размерам водозаборное сооружение для добычи подземных вод. Эксплуатируемые водоносные горизонты приурочены к палеогеновым отложениям юрковской и новомихайловской свит.

Основные закономерности динамики подземных вод данной территории в значительной мере определяются орогидрографическими чертами территории, которые обусловливают местное инфильтрационное питание и разгрузку подземных вод в существующую гидрографическую сеть через подрусловые аллювиальные отложения (граничные условия 3-ого рода). В плане модель ограничена непроницаемыми границами, проведенными по водоразделам рек Обь-Шегарка и Томь-Яя до выклинивания палеогенового водоносного комплекса на юге. К внутренним границам, кроме рек, относятся скважины Томского и Северских водозаборов, мелкие групповые водозаборы или одиночные эксплуатационные скважины. Размеры модели составили 103 км с запада на восток и 110 км с севера на юг с шагом равномерной сетки 1000 м.

Изначально модель предназначалась для прогнозирования работы Томского и Северских водозаборов на расчетный срок эксплуатации (10000 сут).

Начиная с 2006 г. созданная модель Томского месторождения используется как один из основных инструментов ведения мониторинга подземных вод, оптимизации работы водозаборного сооружения.

Входные данные регулярно актуализируются, в модель вносятся данные по текущему водоотбору. В результате моделирования отстраивается уровенная поверхность подземных вод, контролируются глубина, размер и направление развития воронки депрессии. Таким образом, количественно определяется реакция подземных вод на изменения режима эксплуатации водозаборных скважин.

В процессе оперативного моделирования выявлялись невязки модельных и фактических уровней по отдельным контрольным скважинам. При обследовании данных скважин было выяснено, что в большинстве из них требуется провести работы по чистке и восстановлению работы фильтров. После выполнения этих работ часть скважин была использована для наблюдения за уровнем и



качественным составом подземных вод. Скважины, в которых не удалось провести восстановительные работы, были исключены из системы наблюдений. Таким образом, происходит оптимизация наблюдательной сети Томского водозабора.

В связи с плановым отключением групп водозаборных скважинах на отдельных участках водозабора, требуется увеличение дебита работающих скважин. Моделирование позволяет оценить максимально допустимые нагрузки на эти эксплуатационные скважины, чтобы понижение в них не превысило предельно-допустимое. В июле 2005 года сильнейший ураган повредил на территории Обь-Томского междуречья более 395 км2 леса. Гниющая древесина является потенциальным источником загрязнения подземных вод. Несмотря на то, что за прошедший период усиленно проводились работы по ликвидации последствий данной чрезвычайной ситуации, существует необходимость оценить возможность загрязнения водоносных горизонтов токсичными продуктами гниения древесины и рассчитать время и место возможного поступления загрязненных подземных вод к фильтрам водозаборных скважин.

Для решения задачи по оценке возможного попадания в водозаборные скважины загрязнений из поверхностных источников была применена программа геомиграционного моделирования MT3D.

Поскольку фактические количественные показатели поступления загрязнения (концентрации, длительность и объёмы поступления веществ на поверхность земли) не были определены, на модели концентрация компонентов-загрязнителей в первом от поверхности горизонте была реализована в условных единицах (процентах) условно загрязнённых вод, находящихся непосредственно под источником загрязнения. Такой методический подход позволил оценить расчётную долю поступления к скважинам водозабора загрязнённых вод. По результатам моделирования установлено, что если не принять меры по ликвидации источника загрязнения, через 10000 суток во всех эксплуатационных скважинах, попавших в зону ветровала, появятся загрязненные воды. Максимальная концентрация загрязняющих веществ в эксплуатируемом водоносном комплексе составит ~20% от загрязнения в первом от поверхности водоносном горизонте. Так в оперативном режиме на модели проводится оценка последствий чрезвычайных ситуаций.

В целом давно назрела необходимость вывода мониторинговых исследований на новый качественный уровень, пересмотр и усовершенствование всего технологического цикла проведения работ по ГМСН. Необходимо использование современных приборов и оборудования для сбора информации в полевых условиях, применение специализированных программно-аппаратных средств для обработки и представления информации, разработку численных моделей геофильтрации следует включать в программы мониторинга подземных вод.

ПРИМЕНЕНИЕ (ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ) РАЗЛИЧНЫХ ПРОГРАММ

(РАЗРАБОТОК) МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГРАЖДАНСКОГО И ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Мархилевич О.К.

Москва, филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» - «Институт Гидропроект», Москва, Россия

Развитие компьютерных технологий и разработка программных гидрогеологических комплексов в нашей стране за последние 10-15 лет обусловили тот факт, что метод математического моделирования геофильтрации на сегодняшний день является, пожалуй, основным методом при обосновании всех проектов, так или иначе связанных с подземными водами. Ни один серьезный проект не обходится сейчас без этого вида гидрогеологических исследований. Действительно, создание математической модели объекта и прилегающей территории позволяет с одной стороны учесть все природно-техногенные факторы, влияющие на проектируемый объект, а с другой стороны оценить влияние строительства на прилегающую территорию. Сегодня, наверное, уже для всех очевидно, что аналитические методы можно использовать только в дополнение к моделированию.

Среди различных программных разработок для моделирования геофильтрации, получившими распространение на территории СНГ, можно выделить наиболее распространенные и прошедшие достаточно длительную опробацию. К таковым, относятся, в частности, серия программных продуктов канадской фирмы «VisualModFlow» и разработка российской компании ЗАО «Геолинк Консалтинг» программный комплекс «Гис-Геолинк» и «Mod-Tex».



23 – 25 апреля 2008 г.

Имеющийся опыт применения указанных программных продуктов позволяет обозначить функциональный особенности каждого из них и рекомендовать наиболее оптимальный режим их применения для различного класса задач.

Сопоставление программных комплексов проводится по следующим позициям. 1. Ввод исходной информации. 2. Формирование модельной сетки. 3. Схематизация. Типы расчетных слоев. 4. Методы решения. 5. Калибрация модели. 6. Выходная модельная информация. 7. Выходная графическая информация. 8. Уровень оттестированности. 9. Условия функционирования на мировом рынке.

Предлагается наиболее оптимальная область применения для каждого из двух программных комплексов.

ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ГРАЖДАНСКОМ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА ПОЙМАХ БОЛЬШИХ И МАЛЫХ РЕК (НА ПРИМЕРЕ ПОЙМЫ МОСКВА-РЕКИ)

Мархилевич О.К., Степаненко И.А., Крохичева И.В.

Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» - «Институт Гидропроект», Москва, Россия В последнее время в Москве всё острее ощущается дефицит строительных площадок. Это

ведёт к расширению застройки участков, ранее считавшихся неудобными. Одним из наметившихся направлений является освоение поймы Москвы-реки и её небольших притоков.

После того, как сток Москвы-реки был зарегулирован водохранилищами, вероятность валовых паводков резко сократилась. Это позволило рассматривать пойменные участки, как площади для застройки. Особенностями таких территорий являются необходимость оценивать опасность затопления и подтопления, а также считаться с развитием слабых грунтов основания проектируемых построек.

Начиная с 2004 года ОАО «Институт Гидропроект» и ООО «Ингеопроект» совместно проводят инженерно-геологические изыскания под строительство на Павшинской, Мякининской и Захарковской поймах р. Москвы и на поймах её притоков - р. Истре и р. Сомынке.

Выделяется несколько вопросов, решаемых с помощью метода геофильтрационного моделирования:

1. Подтопление территории в существующих условиях. 2. Водопритоки в строительные выработки. 3. Развитие подтопления от паводка 1% обеспеченности в проектных условиях. 4. Влияние строительства на гидрогеологические условия прилегающей территории.

Задача решалась численным методом математического моделирования в плоской постановке. Модель адаптирована в программный комплекс «Perfil», разработанный в Московском Государственном Университете М. Леховым (1992 г.).

Расчетные сечения назначались с учетом районирования территории дамбы по геологическому строению и гидрогеологическим условиям. Были выбраны 4 типовых участка.

На первом этапе для каждого геофильтрационного продольного профиля была создана базовая модель, отражающая бытовые условия.

На втором этапе работы на созданной базовой геофильтрационной модели был выполнен прогноз режима фильтрации под воздействием защитных сооружений и сопутствующих дренажных мероприятий, предусмотренных проектом.

Выполненные исследования позволили спрогнозировать возможные изменения гидрогеологических условий на территории левобережной поймы в период прохождения паводков редкой повторяемости (вероятностью превышения 1%). Величина подпора распространяется на расстояние 200-250 м от внешней границы проектируемой дамбы. Глубина залегания уровня грунтовых вод на повышенных участках изменяется от 1,0 до 2,5 м. На пониженных участках поймы в



пределах исследуемой области выделены площади потенциального высачивания грунтовых вод, способствующего заболачиванию территории.

Горизонтальный дренаж в виде траншеи, уложенной вдоль низового откоса дамбы, препятствует выходу грунтовых вод на дневную поверхность. Его работа благоприятно сказывается на окружающей территории.

В методическом плане следует отметить, что дальнейшее совершенствование методов прогнозирования подтопления связано с улучшением нормативной базы проектирования инженерной защиты от подтопления.

Целесообразно разработать ограничения избыточного снижения уровня грунтовых вод на защищаемой от подтопления территории т.е. недопущения «переосушения», которое в определенных условиях может быть опасным.

ВОДНОБАЛАНСОВЫЕ СТАЦИОНАРЫ В ЗАДАЧАХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И НАПРАВЛЕНИЕ ИХ РАЗВИТИЯ

Матафонов Е.А.

ФГУП «Геоцентр-Москва», Москва, Россия

В 1925 г М.А.Великанов выдвинул идею об организации в различных физико-географических условиях воднобалансовых станций. Основными видами работ станции должны быть наблюдения за стоком, осадками, влажностью воздуха , испарением и влажностью почвы в разных местах водосборов.

С 1928 по 40-годы были организованы 11 станций. К 1981 г на территории СССР действовали в различных регионах страны 16 воднобалансовых станций расположенных на естественных водосборх. Для экспериментальных исследований большой значение имели наблюдения и опыты , поставленные в опорных пунктах, находящихся в ведении различных научных и научно-производственных учреждений.

Именно эти пункты стали базовыми для работ по математическому моделированию. Задачи опытных полигонов ориентировались на изучение и обоснование разнообразных параметров для климатических моделей, моделей поверхностного и подземного стоков, влагопереноса зоны аэрации.

На территории Московской области наиболее продолжительные по времени наблюдения вели Подмосковная воднобалансовая станция, Истринский опорный пункт ВНИИЛМ. Результаты наблюдений по этим станциям частично проанализирован и опубликован. На территории Истринского опорного пункта с 1985г ведет наблюдения воднобалансовая станция «Малая Истра».

Задачи воднобалансовых станций разнообразны. В основном это изучение в пределах речных бассейнов закономерностей изменений метеорологических показателей, исследование таких элементов водного баланса как суммарное испарение с поверхности речных бассейнов, пополнение и расходование запасов подземных вод, миграция почвенной влаги, преобразований речным бассейном осадков в сток, оценка потерь стока на водосборах и в руслах рек и др.

Материалы наблюдений на воднобалансовых станциях легли в основу региональной оценки естественных ресурсов подземных вод. Так по результатам наблюдений баланс влаги для Московского региона выглядит следующим образом: средняя норма осадков 550 мм, средняя норма испарения – 350мм, средняя норма поверхностного стока – 200мм. Величина питания подземных вод по материалам работ на станциях оценивается от 44 мм (1.4 л/с км2 до 88мм (2.8 л/с км2).

Начиная с начала 90-х годов интерес к воднобалансовым станциям и наблюдениям упал. В настоящее время работы на станциях или свернуты до минимума или закрыты. Данные того небольшого объема оставшихся наблюдений стали рыночным товаром. Но в сложившихся экономических условиях цены на эти материалы значительно превышают возможности тех людей и организаций, которым они действительно нужны.

Специалистам для экологических обоснований проектов анализа формирования эксплуатационных запасов подземных вод, прогнозных расчетов приходится использовать опубликованные материалы. А это ряды наблюдения до середины 90-х годов, которые уже не отражают стремительно изменяющихся климатических условий, техногенных нагрузок.

Покажем некоторые обобщения наблюдений на одной из станция, которая продолжает работать на территории Московской области - ВБС «Малая Истра».

Станция находится к северо-западу от г. Москвы на склоне Клинско-Дмитровской гряды, представляющей собой часть Смоленско-Московской возвышенности.



23 – 25 апреля 2008 г.

Район работ – комплекс природных условий водосбора р. Малая Истра, включающих климатические, ландшафтные и геолого-гидрогеологические условия. Он замкнут водоразделом изучаемого бассейна и базисом максимального эрозионного вреза (устье р.М.Истра), формирующими поверхностный сток. Площадь водосбора р. Малая Истра 278 км2. Изучаемая площадь относится к слабо нарушенным с естественными условиями формирования подземных вод.

Основная задача ВБС изучение закономерностей питания и разгрузки подземных вод в природных условиях типичных для зоны смешанных лесов с достаточным увлажнением и влияния на него хозяйственной деятельности.

Основной приходной статьей в расчетах водного баланса бассейна являются атмосферные осадки. На станции они наблюдаются с 1988г на стандартной метеорологической площадке осадкомером Третьякова.

Среднее годовое количество осадков по наблюдениям на метеорологических площадках за весь период наблюдений на станции составляет 634мм. Осадки 50% обеспеченности этого же ряда наблюдений равны 590мм, 90% обеспеченности - 440мм.

Если рассмотреть сумму осадков за год и построить линейный тренд за весь период наблюдений то он будет носить отрицательный характер. На рис.1 видно, что количество осадков уменьшается примерно на 2.7 мм/год

Годовое количество осадков

Рис.1 Если эта тенденция сохранится, то через десять лет величина осадков за год будет того

же порядка, что и количество осадков 50% обеспеченности, которое предполагается гарантированной величиной приходной статьи водного баланса.

За последние годы большинство метеорологических станции отмечают потепление климата. На ВБС «М.Истра» также прослеживается повышение среднегодовых температур (рис.2) Причем максимальный вклад в потепление дают зимние месяцы – декабрь и январь, Февраль по прежнему остается холодным и даже его температура даже понижается. Температура воздуха в летние месяцы изменяются в многолетнем режиме не сильно.



Средняя годовая температура воздуха

Рис.2 Средние месячные значения температур воздуха выбранные за последние годы

показывают, что вторая половина лета и начало осени мало изменяются год от года. Основной разброс в средних месячных температурах воздуха наблюдается зимой начиная с декабря вплоть до первых летних месяцев (рис.3).

Рис.3. Средние месячные температуры за последние годы наблюдений

Если изменить масштаб графика и рассмотреть зимние месяцы уже по среднесуточным температурам то бросается в глаз, что продолжительность положительных температур в зимние месяцы возрастает (рис.4 ) и их нельзя воспринимать как оттепели. А такие температурные аномалии зимой становятся ежегодными и формирует отличный гидрологический режим от режима прошлого века.

Средние суточные температуры

Рис.4



23 – 25 апреля 2008 г.

Именно в связи с продолжительными положительными температурами в зимнее время происходит подъем уровней грунтовых вод, что косвенно подтверждается увеличением меженного расхода рек в зимний период.

В последние два года отмечены особенности начала весеннего снеготаяния. Переходный период от отрицательных температур к положительным сопровождается возгонкой снежного покрова. Надежных прямых методов определения испарения с поверхности снега нет, но влажность воздуха в течение периода активного испарения снежного покрова не опускалась ниже 90% (рис.5).

Рис.5. Изменения влажности воздуха. ( 2007г) Запасы влаги снега перед весенним снеготаянием по замерам снегомерных маршрутов на

водосборах равны 87мм. Величина испарения снежного покрова за этот период определялась по ф-ле Иванова [1] и по расчетам за март 2007г составила 24мм, что больше 25% от предвесенних запасов влаги снега.

Отклонения основных климатических параметров носят характер внутри сезонных, внутри суточных. Промежутки таких отклонений необходимо воспринимать как переходные. И необходимо формировать их количественные характеристики: продолжительность периодов аномальных изменений, амплитуд колебаний, градиенты и т.д.

Именно эти характеристики должны стать объектами дальнейших исследований специализированных стационаров. Перечисленные изменения метеорологических параметров на станции «Малая Истра» за последние годы демонстрируют не устойчивость климатических показателей, которые должны иметь количественную характеристику. Средние многолетние климатические характеристики не могут оставаться единственным обоснованием прогнозных расчетов . Наряду с общепринятыми климатическими, гидрологическими нормами или оценкой только теплого и холодного сезонов года необходимо исследовать краткосрочные переходные периоды - от зимы к лету, от лета к зиме и внутрисезонные аномалии. Эти наблюдения должны иметь собственную методику ведения наблюдений и приборы, организацию работ.

Без учета накапливающихся аномалий в переходные периоды нельзя понять механизмы будущих кардинальных изменений, дать качественный долгосрочный прогноз.


1. А.И.Чеботарев. Общая гидрология, Л.Гидрометеоиздат 1975г 2. Н.А. Лебедева Естественные ресурсы подземных вод Московского артезианского

бассейна. Наука, М.,1972 3. Отчет «Создание имитационной постоянно действующей модели геологической среды

зоны влияния Московского градопромышленного комплекса и Центральной части МАБ» А.Н.Клюквин и др., 1988г) (Фонды МНПЦ «Геоцентр-Москва»)

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

01.01.07 01.02.07 01.03.07 01.04.07 01.05.07 01.06.07 01.07.07 01.08.07 01.09.07

%



К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ГРАНИЦ ЗОН САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ХОЗЯЙСТВЕННО – ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Музыкин В.П., Степурко Е.И.

РУП «Центральный научно – исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов», Минск, Беларусь

Границы зон санитарной охраны (ЗСО) водозаборов определяют таким образом, чтобы

загрязняющие вещества не могли поступить в водозабор в течение всего расчетного срока его эксплуатации. Гидродинамическими расчетами для обоснования границ ЗСО определяются, прежде всего, размеры и конфигурация области захвата, в пределах которой подземные воды движутся к водозабору и захватываются им [1]. При этом, область захвата рассчитывается применительно к эксплуатируемому на водозаборе водоносному горизонту, прибегая к схематизации гидродинамических условий до элементарных одно- (двух-) слойных водоносных пластов. Такое упрощение природной обстановки повсеместно приводит к завышению расчетных расстояний, т.е. необоснованному включению в границы ЗСО земельных участков.

Как правило, в районах подземных водозаборов движение подземных вод осуществляется в пределах многопластовой гидродинамической системы и наиболее приближенное к реальной природной обстановке решение может дать только метод математического моделирования. Верифицированная для существующих гидродинамических условий расчетная модель позволяет оценить конфигурацию областей захвата водозабором в каждом отдельном водоносном пласте системы.

В основе применяемой авторами методики численных расчетов положен известный метод расчета конвективного продвижения фронта загрязнения [2]. В каждом из водоносных пластов, залегающих выше эксплуатируемого, определяется начальное (контрольное) положение фронта, из которого загрязняющие вещества за расчетное время (время добегания фронта) достигнут водозабора. Касательные, проведенные к границам областей захвата в контрольных точках фронтов, образуют псевдосферическую поверхность, нижним основанием которой является область захвата загрязняющих веществ в эксплуатируемом водоносном пласте, а верхним – область захвата веществ на поверхности земли. Чем меньше скорости потоков в водоносных пластах, тем ближе форма псевдосферической поверхности к идеальной.

Таким образом, в целом ЗСО подземного водозабора в многопластовом пространстве имеет трехмерный характер и выраженную тенденцию снижения площади захвата нисходящими потоками подземных вод загрязняющих веществ с поверхности земли. Координаты контрольных точек времени добегания фронта загрязнения на поверхности земли определяют истинное положение (конфигурацию) границ ЗСО подземного водозабора.

В отдельных случаях, когда время добегания фронта загрязнения с поверхности земли больше установленного расчетного срока эксплуатации водозабора, необходимость организации ЗСО отпадает. В гидродинамическом отношении такие случаи соответствуют наличию условий естественной защищенности эксплуатируемого горизонта.


1. Рекомендации по гидрогеологическим расчетам для определения границ 2 и 3 поясов зон санитарной охраны подземных источников хозяйственно – питьевого назначения. – М.: НИИВОДГЕО, 1983 г. – 102 с.

2. Автоматизированные сеточные модели бассейнов подземных вод. Сост: И.И. Крашин, Е.А. Полшков, Е.К. Орфаниди и др. – М.: «Недра», 1992 г. – 176 с.



23 – 25 апреля 2008 г.

ОБОСНОВАНИЕ ГРАНИЦ САНИТАРНО-ЗАЩИТНЫХ ЗОН ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ФАКТОРУ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Муленкова Е.В., Николаев А.П.

ЗАО «НИиПИ экологии города», Москва, Россия

На территориях крупных городов с каждым годом возрастает потребность в площадях под новое строительство жилых и промышленных объектов. При этом часть площадей заняты зачастую завышенными по размерам санитарно-защитными зонами (СЗЗ) существующих предприятий, устанавливаемыми в соответствии с действующими санитарными нормами /1/, которые потенциально могут являться источником искомых дополнительных площадей. Поэтому актуальным является обоснование изменения границ СЗЗ городских и промышленных предприятий, которое должно проводиться на основании экологической оценки их воздействия на окружающую среду.

Кроме того, многие предприятия (свалки, кладбища, поля фильтрации, шламохранилища, "грязные производства" и др.) являются интенсивными источниками загрязнения подземной среды, при этом, в существующем законодательстве /1/ при обосновании границ СЗЗ недооцененным является учет фактора воздействия предприятия на подземные воды.

Согласно /1/ в соответствии с санитарной классификацией предприятий, производств и объектов размеры санитарно-защитных зон устанавливаются от 1000 м для предприятия первого класса до 50 м для предприятия пятого класса. Такой подход не является корректным, так как не определяет однозначное соответствие санитарной классификации предприятий уровню их экологической опасности: характеру загрязнения и защитных мер. Например, является совершенно необоснованным установление границ СЗЗ на одинаковом удалении от источника загрязнения независимо от гидрогеологических условий – фильтрационных свойств водоносных и водоупорных слоев, направления и скорости фильтрации.

В условиях плотной городской или промышленной застройки, эколого-экономически эффективным является обоснование границы СЗЗ объектов на основании прогнозирования предельного распространения загрязнения, подтвержденного опытно-миграционными исследованиями и режимными наблюдениями. Оценку распространения загрязнения необходимо производить с учетом особенностей компонентов системы «загрязнение – природные подземные воды – породы водоносного горизонта».

В настоящее время для решения гидрогеохимических задач (исследования динамики миграционных процессов) наиболее широко применяемым инструментом является математическое моделирование, поскольку в натурных и лабораторных экспериментах процесс массопереноса загрязнения не может быть воспроизведен в реальном масштабе пространства/времени. Повышение точности прогнозирования распространения загрязнения с учетом гидрогеохимических аспектов возможно при постановке полевых опытных исследований и создании сети мониторинга на обследуемых и сопровождаемых объектах.

Корректировка границ СЗЗ существующих предприятий показана на примерах Николо-Архангельского, Калитниковского и Долгопрудненского кладбищ в Московской области, для которых определяющим границу СЗЗ фактором воздействия на подземные воды является бактериологическое загрязнение. При этом граница СЗЗ устанавливается от границы кладбища на расстоянии переноса болезнетворных бактерий с потоком подземных вод за 400 суток по аналогии с подходом, используемым для установления границы второго пояса зоны санитарной охраны /2, 3/. Такой подход позволяет существенно сократить нормативные границы СЗЗ кладбищ, вплоть до его внешнего ограждения.

Расчеты массопереноса загрязнения выполнены с использованием системы визуального моделирования потоков подземных вод Visual Modflow 4.1. На рис. 1 показаны результаты корректировки границ СЗЗ Николо-Архангельского кладбища: кладбище площадью более 100 га отнесено к предприятию II класса опасности с минимальной санитарно-защитной зоной 500 м как кладбища смешанного и традиционного захоронения, крематорий на территории кладбища при количестве печей более одной отнесен к I классу опасности с санитарно-защитной зоной 1000 м.



Рис. 1. Корректировка границ СЗЗ Николо-Архангельского кладбища. На примере проектируемого химического завода по производству поливинилхлорида в

Нижегородской области (рис. 2) показано обоснование границ СЗЗ предприятия, загрязняющего подземные воды как путем непосредственного поступления загрязнения от источника в фильтрационный поток, так и с инфильтрацией вод атмосферных осадков.

Предприятие выбрасывает в атмосферу значительное количество загрязняющих веществ, которые выпадают на земную поверхность не только в пределах территории предприятия, но и на обширной территории вокруг него.

В «НИиПИ экологии города» методика обоснования границ СЗЗ по фактору воздействия на подземную гидросферу включает расчет переноса загрязнения с поверхности через зону аэрации вместе с инфильтрующимися водами атмосферных осадков, и дальнейшую миграцию загрязнения с потоком подземных вод. При этом оценка загрязнения почв основывается на результатах расчетов рассеивания загрязняющих веществ в воздухе (расчеты выполняются в отделе экологии атмосферы «НИиПИ экологии города») и зависит от содержания загрязняющих веществ в воздухе на высоте 2 м.

На рис. 2 приведены границы СЗЗ, построенные по различным факторам воздействия на окружающую среду проектируемого завода по производству поливинилхлорида. Выявлено, что при существующих и прогнозных гидрогеологических условиях (с учетом техногенного подтопления промплощадки и прилегающей территории) площадного загрязнения подземных вод за счет выпадения загрязнения из воздуха не происходит в связи с мощным глинистым разрезом зоны аэрации. Основным источником загрязнения подземных вод являются утечки загрязненных вод непосредственно на территории завода.



23 – 25 апреля 2008 г.

Рис. 2. Сравнение границ СЗЗ проектируемого предприятия по различным факторам. Выводы: 1. В действующий СанПиН, определяющий размер СЗЗ предприятий /1/, необходимо ввести

положение об обязательном обосновании границ СЗЗ предприятий на основании гидрогеологических исследований и прогнозных расчетов миграции загрязняющих веществ в зоне аэрации и зоне полного насыщения.

2. Для предприятий, интенсивно загрязняющих атмосферу, расчеты границ СЗЗ по фактору воздействия на подземные воды производить с учетом выпадения загрязняющих веществ из воздуха на поверхность почвы и переноса через зону аэрации на уровень грунтовых вод.


1. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 "Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов" (Зарегистрирован в Министерстве юстиции Российской Федерации 25.01.2008 N 10995).

2. СанПиН 2.1.4.1110-02 Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов питьевого назначения (Зарегистрирован в Министерстве юстиции Российской Федерации 24.04.2002 N 3399).

3. Шестаков В.М., Невечеря И.К Геомиграционное моделирование переноса микробов и вирусов в подземных водах. Тезисы научной конференции Ломоносовские чтения 2004 года, Секция Геология.



ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНЫХ КОДОВ

Никитина Ю.Г.1, Мылтыкбаева А.Т.1, Садырбаева Г.А.1, Дуйсебаев Б.О.1, Раисов Б.Р.2,

Раисов Б.Б.2, Поезжаев И.П.3, Мырзабек К.А.3 1 - ТОО «Институт высоких технологий», 2 – АО «КенДала KZ», 3 – СП «Катко»,

НАК «Казатомпром», Алматы, Казахстан

В недрах Республики Казахстан сосредоточено около 19% достоверно разведанных запасов урана в мире - это составляет порядка 1,5 млн. тонн. Многие десятки месторождений урана, выявленные на территории Казахстана, различны по условиям формирования и практическому значению. Общность геологических позиций, генетических признаков и территориальная обособленность, позволяет рассматривать их в составе шести урановорудных провинций: Шу-Сарысуйская, Сырдарьинская Северо-Казахстанская (Кокшетаусская), Мангышлакская (Прикаспийская), Кендыктас-Чуили-Бетпакдалинская (Прибалхашская), Илийская. В Шу-Сарысуйской урановорудной провинции урановое оруденение связано с региональным фронтом зон пластового окисления. Общие запасы и ресурсы составляют 54% от общих запасов и ресурсов Казахстана.

В настоящее время на месторождениях ведётся добыча урана способом скважинного подземного выщелачивания. Используемый метод подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) отличается высокой экологической безопасностью и рентабельностью по сравнению с традиционным методом разработки. Подземное скважинное выщелачивание является способом разработки рудных месторождений без поднятия руды на поверхность путем избирательного перевода ионов природного урана в продуктивный раствор непосредственно в недрах.

Одним из крупных, детально разведанных месторождений Шу – Сарысуйского района является Месторождение Мынкудук, открытое в 1973 году. Оно охватывает участок протяженностью около 60 км. Всего на месторождении выявлено около 30 рудных залежей /1/.

Рудные залежи месторождения локализуются на фронтах пластового окисления, развивающихся в нижнетуронском, турон - сантонском, а на восточном фланге – частично кампан-маастрихтском горизонтах верхнего мела. По минералогическому составу руды месторождения являются кофинит-настурановыми. Природные гидрогеологические условия месторождения Мынкудук позволяют отрабатывать его подземно-скважинным выщелачиванием.

Месторождение Мынкудук характеризуется как уникальный по запасам объект с исключительно благоприятными геотехнологическими показателями, к которым относятся:

- небольшая глубина залегания рудных залежей (1/5 запасов на глубине до 250 м, 1/2 - на глубине от 250 до 350 м);

- низкая карбонатность и высокие фильтрационные свойства руд; - благоприятное залегание основной части рудных тел по отношению к региональному

нижнему водоупору; - высокая продуктивность рудных залежей; - значительные площадные размеры и выдержанность рудных залежей /2/. Задачей настоящей работы являлось технологическое сопровождение опытного участка с

проведением аналитических исследований и интерпретацией полученных фактических данных с использованием компьютерных программ.

Для оптимизации отработки месторождений проводится моделирование подземно-скважинного выщелачивания двумя методами:

- создание математической модели с последующей адаптацией к условиям месторождения; - применение готовых программных обеспечений для моделирования и прогнозирования

процессов добычи полезных компонентов скважинными методами. Нами был использован второй метод моделирования на опытном участке месторождения

Мынкудук. Опытный участок состоит из технологических (откачных и закачных) скважин расположеных по гексагональной схеме.

Геотехнологическое моделирование проводилось при помощи программы «Groundwater modeling system» (GMS) версии 3.1., являющейся первым успешным коммерческим пакетом, нашедшим широкое применение во всем мире, начиная с 1999 года. Пакет GMS 3.1. основывается на реализации дифференциальных уравнений в частных производных для давления, массопереноса и растворения полезного компонента. Поле распределения скоростей в пласте описывается широко известным в теории фильтрации уравнением Дарси:



23 – 25 апреля 2008 г.

i

iii x

hKqv

∂∂

−==εε

(1)

где: zph +=γ

- гидравлический напор, м ,ε - пористость твердой фазы, безразмерный параметр,

iK - главные компоненты тензора гидравлической проводимости, см , p – пластовое давление, γ -

удельный вес жидкости, z - нивелирная высота.

На программном пакете GMS 3.1. нами был смоделирован опытно-промышленный участок месторождения Мынкудук. Для моделирования скважинных систем выбрано гексагональное расположение технологических скважин.

Любые компьютерные модели требуют большого количества фактических данных процесса добычи для того, чтобы имелась возможность настройки (адаптацтии) модели к данному объекту (блоку). Так как месторождение Мынкудук находится в отработке 8 месяцев, фактических данных очень мало, но зная поведение блока в интервале Ж/Т 0,0-0,7-0,8, можно достаточно уверенно рассчитывать содержание металла в каждой откачной скважине в любой последующий момент времени. К концу интервала Ж/Т ячейки блока достигают максимума содержаний, т.е. переходят на нисходящую ветвь кривой «Ж/Т-извлечение», и дальнейший прогноз, как компьютерный, так и расчетный, не составляет труда.

На настоящем этапе (Ж/Т опытного участка 0,35-0,25 в зависимости от ячейки) реальный прогноз на основе компьютерных моделей невозможен. Поэтому к настоящему времени выполнен прогноз появления и накопления свободной кислоты в продуктивном растворе блока (движение рН по времени) и построена гидродинамическая модель, показывающая растекание продуктивного раствора за пределы блока.

Гидродинамическая модель представлена в векторном виде (рисунок 1).

Рис. 1 - Векторная гидродинамическая модель опытного участка Модель построена на основе средних дебитов, с учетом естественного положения уровня

пластовых вод к началу закисления блока. Из рисунка видно, что определяется зона возможного законтурного растекания (западная и северо-западная периферия), в остальных районах прогнозируется либо подток пластовых вод, либо нулевой баланс (на юге). Характерно, что почти не отмечается застойных зон на ребрах гексагонов, что является следствием хорошего баланса между откачкой – закачкой за период моделирования. Также достаточно равномерное распределение векторов

Подток пластовых вод

Близкий к нулевому баланс

Законтурное растекание



Модель массопереноса была построена для динамики свободной кислоты в недрах, т.е. на основе гидродинамической модели строится модель распределения кислоты с учетом кислотоемкости каждого моделируемого объекта. В данном случае моделируется блок в целом, хотя, кислотоемкость различных ячеек отличается друг от друга.

На рисунках 2-4 представлены модели массопереноса содержаний свободной кислоты через определенный промежуток времени закисления.

Рис. 2 - Модель массопереноса – содержание свободной кислоты через 60 дней после начала закисления. Скважина ОПВ-11 еще не работает

Рис. 3 - Модель массопереноса – содержание свободной кислоты через 120 дней после начала закисления

Рис. 4 - Модель массопереноса – содержание свободной кислоты через 180 дней после начала закисления

Из рисунков видно, что кинетика взаимодействия кислоты с породой различается в каждой из

ячеек, кроме того, сложность модели увеличивает возможность каналирования, такой, что имела место в ячейке ОПВ-08, когда через 100-120 дней после начала закисления рН падал до уровня 1,65, затем имело место повышение рН до 2,2, и снова началось падение. По достижении Ж/Т 0,7-0,8 блок работает уже достаточно устойчиво, и – при условии устойчивости дебитов – возможен расчет кинетики для каждой ячейки отдельно.

Таким образом при наличии таких параметров, как дебит, пористость, коэффициент фильтрации которые определяются в процессе отработки можно моделировать и соответственно контролировать процесс подземно-скважинного выщелачивания, что снижает затраты и повышает эффективность отработки месторождения.



23 – 25 апреля 2008 г.

Также по имеющимся фактическим данным по опытному участку были построены изолинии, с использованием компьютерной программы Surfer, по распределению свободной кислоты на период закисления и начала выщелачивания. На рисунке 5 видно, что в первые месяцы эксплуатации блока концентрация кислоты в откачных скважинах минимальна, а рН в закачных находится в пределах 1-2, а на рисунке 7 показано, что по истечению определенного времени (6 месяцев) кислота равномерно распределилась по всему блоку и рН равен 1-2,2. Лишь в скважинах ОПВ-03 и ОПВ-7 рН не достиг желаемого результата из-за недостаточного закисления ячеек.

17400 17450 17500 17550 176003800

3850

3900

3950

4000

4050

4100

opv - 1

opv - 2

opv - 3

opv - 4

opv - 5

opv - 6opv - 7

opv -8

opv - 9

opv - 10

opv - 11

opv - 12

opv - 13

opv - 14

opv - 15

opv - 16

opv - 17

opv - 18

opv - 19

opv - 20

opv - 21

opv - 22

opv - 23

opv - 24

opv - 25

opv - 26

opv - 27

opv - 01

opv - 02

opv - 03

opv - 04

opv - 05 - 1

opv - 06

opv - 07 -1

opv - 08

17400 17450 17500 17550 176003800

3850

3900

3950

4000

4050

4100

0.6

1.1

1.6

2.1

2.6

3.1

3.6

4.1

4.6

5.1

5.6

6.1

6.6

7.1

7.6

Рис. 5 – Изолинии динамического развития рН

на начало закисления

17400 17450 17500 17550 176003800

3850

3900

3950

4000

4050

4100

opv - 1

opv - 2

opv - 3

opv - 4

opv - 5

opv - 6opv - 7

opv -8

opv - 9

opv - 10

opv - 11

opv - 12

opv - 13

opv - 14

opv - 15

opv - 16

opv - 17

opv - 18

opv - 19

opv - 20

opv - 21

opv - 22

opv - 23

opv - 24

opv - 25

opv - 26

opv - 27

opv - 01

opv - 02

opv - 03

opv - 04

opv - 05 - 1

opv - 06

opv - 07 -1

opv - 08

17400 17450 17500 17550 176003800

3850

3900

3950

4000

4050

4100

0.6

1.1

1.6

2.1

2.6

3.1

3.6

4.1

4.6

5.1

5.6

6.1

6.6

7.1

7.6

Рис. 6 – Изолинии динамического развития рН

за три месяца закисления

17400 17450 17500 17550 176003800

3850

3900

3950

4000

4050

4100

opv - 1

opv - 2

opv - 3

opv - 4

opv - 5

opv - 6opv - 7

opv -8

opv - 9

opv - 10

opv - 11

opv - 12

opv - 13

opv - 14

opv - 15

opv - 16

opv - 17

opv - 18

opv - 19

opv - 20

opv - 21

opv - 22

opv - 23

opv - 24

opv - 25

opv - 26

opv - 27

opv - 01

opv - 02

opv - 03

opv - 04

opv - 05 - 1

opv - 06

opv - 07 -1

opv - 08

17400 17450 17500 17550 176003800

3850

3900

3950

4000

4050

4100

0.7

1.1

1.6

2.1

2.6

3.1

3.6

4.1

4.6

5.1

5.6

6.1

6.6

7.1

7.6

Рис. 7 – Изолинии динамического развития рН за один месяц активного выщелачивания Таким образом, моделирование процесса может обеспечить реальный прогноз содержания

металла в продуктивном растворе на любой момент времени только после адаптации модели, т.е. после расчета кинетических характеристик по каждой ячейке, что возможно сделать после установления устойчивого режима работы блока после достижения соотношения Ж/Т 0,6-0,8.

По построенной модели массопереноса, а также по построенным изолиниям распределения кислоты в период закисления и начало выщелачивания, можно судить о количестве свободной кислоты по всему блоку и соответственно контролировать процесс подземно-скважинного выщелачивания, что снижает затраты и повышает эффективность отработки месторождения.

Литература: 1. К.Г. Бровин, В.А. Грабовников и др. Прогноз, поиски, разведка и промышленная оценка

месторождения урана для отработки подземным выщелачиванием. «Гылым», Алматы, 1997 г. 2. Промышленная отработка месторождения урана Центральный Мынкудук. Утверждаемая

часть, Том 1, Книга 5. Добычной полигон (пояснительная записка). «Геотехносервис», Алматы, 2005 г.



ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПОВЫШЕННОГО УРОВНЯ

ОТВЕТСТВЕННОСТИ В Г.МОСКВЕ

Николаев А.П. ЗАО «НИиПИ экологии города», Москва, Россия

Опыт проектирования и строительства зданий и сооружений повышенного уровня

ответственности, прежде всего высотных и заглубленных, показывает, что в состав научного сопровождения, предназначенного для "оценки надежности системы сооружение-основание, своевременного выявления дефектов, предотвращения аварийных ситуаций, оценки правильности прогнозов и принятых методов расчета и проектных решений" (МГСН 2.07-01), необходимо включать гидрогеологическое сопровождение. Это связано с тем, что имеется ряд вопросов, которые не могут быть решены на предпроектной стадии в составе инженерно-геологических изысканий: прогноз изменения гидрогеологических условий, обоснование мероприятий по защите территорий от опасных геологических процессов (в т.ч. от подтопления), оценка влияния на окружающие здания и сооружения, объекты природного комплекса (водоемы, водотоки, лесопарковые зоны). Эти вопросы должны решаться как в период строительства, так и в период эксплуатации зданий и сооружений. Гидрогеологическое сопровождение необходимо рассматривать как обязательный вид работ при проектировании зданий и сооружений повышенного уровня ответственности.

В состав работ по гидрогеологическому сопровождению на предпроектной стадии необходимо включать полевые гидрогеологические исследования, в том числе бурение и оборудование гидрогеологических скважин, опытно-фильтрационные работы и мониторинг подземных вод; а также предварительное прогнозное математическое моделирование гидрогеологических условий территории. При этом должны использоваться результаты полевых гидрогеологических исследований на участке строительства и фондовые материалы инженерно-геологического изучения объектов на окружающей территории - территории влияния проектируемого строительства с учетом предварительных проектных решений по новому объекту. По результатам мониторинга, предварительного прогнозного гидрогеологического и геомеханического моделирования, выполняемого на предпроектной стадии, необходимо выполнять оценку возможности активизации опасных инженерно-геологических процессов на участке проектируемого строительства, воздействия на окружающие существующие здания и сооружения, объекты городского природного комплекса.

На стадии разработки проекта строительства рекомендуется разработать проект геотехнического мониторинга, включающего мониторинг подземных вод и проявлений опасных геологических процессов, детальное математическое моделирование гидрогеологических условий с учетом проектных решений по самому зданию, объектам инфраструктуры, подземным коммуникациям.

На стадии строительства рекомендуется продолжение мониторинга подземных вод непосредственно в контурах строящегося здания и в зоне влияния строительного водопонижения.

На стадии эксплуатации рекомендуется продолжить мониторинг подземных вод, который направлен на контроль состояния подземной среды, раннее выявление возможного развития опасных инженерно-геологических процессов (в т.ч. неравномерных осадок грунтов в основании здания). Программа мониторинга должна включать наблюдения за подземными водами (уровни, температура, химический состав), дренажным водоотливом (расход, температура, химический состав, мутность), проявлениями опасных геологических процессов.

После завершения геотехнического мониторинга рекомендуется наблюдательные скважины передать в систему государственного мониторинга состояния недр.

Опыт участия в обосновании проектных решений показывает, что предлагаемые требования к выполнению гидрогеологических работ должны быть включены в технические регламенты по проектированию и строительству зданий и сооружений повышенного уровня ответственности.



23 – 25 апреля 2008 г.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТОВ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕРРИТОРИЙ

Никулина-Основская М.А., Брускова В.В. ЗАО «НИиПИ экологии города», Москва, Россия

Гидрогеологическое обоснование рекультивации территорий, занятых полями фильтрации,

свалками, промышленными зонами и т.п., связано с решением геофильтрационных и геомиграционных задач. Геофильтрационные задачи связаны с выемкой глубоких котлованов в водонасыщенных грунтах, когда возникает необходимость оценивать величины водопритоков в котлован, обосновывать способ осушения и прогнозировать влияние на окружающие территории.

Геомиграционные задачи связаны с оценкой: - динамики очищения загрязненного грунтового массива (самоочищения); - миграции загрязняющих компонентов от оставленных погребенных фрагментов свалок; - вторичного загрязнения рекультивированных территорий за счет транзита загрязненных

подземных вод с окружающей территории, занятой неркультивированными массивами свалок. "НИиПИ экологии города" выполнен целый ряд объектов, касающихся гидрогеологического

обоснования рекультивации территорий г. Москвы. Примером решения геофильтрационной задачи является обоснование проекта рекультивации мкр. 34 Д Печатники. Территория мкр. Печатники 34Д расположена в пределах заболоченной поймы р. Москвы. Ранее на большей части территории проводились торфяные разработки. Северо-восточная часть территории была занята золоотстойником. В средней части участка имелся пруд («Сукино болото»), который по проекту рекультивации свалки должен был быть ликвидирован.

Верхняя часть разреза представлена современными четвертичными озерно-болотными и аллювиальными отложениями, среднечетвертичными гляциальными и флювиогляциальными отложениями и верхнеюрскими отложениями, которые сверху перекрываются насыпью (свалочным грунтом) мощностью от 3 м до 12 м. Гидрогеологические условия территории рекультивации свалки характеризуются развитием техногенного и надъюрского водоносных горизонтов и каменноугольного водоносного комплекса. Водоносный горизонт техногенных отложений приурочен к толще насыпных грунтов и имеет глубину залегания уровня 0,1 – 3,7 м. Водоносный горизонт гидравлически связан с поверхностным водоемом. Надъюрский водоносный горизонт напорно-безнапорный и приурочен к современным аллювиальным и среднечетвертичным флювиогляциальным отложениям. Уровни устанавливается на глубине 3,0 – 8,0 м. Уровенная поверхность имеет уклон в сторону р. Москвы. Величина превышения уровней надъюрского водоносного горизонта над проектируемым дном котлована достигает 6,0 -7,5 м.

Свалочные грунты являются основным источником загрязнения грунтовых вод и, частично, вод надъюрского водоносного горизонта, который условно защищен от загрязнения с поверхности современными озерно-болотными суглинистыми отложениями. Величина минерализации грунтовых вод составляет 2,6 – 3,0 г/л, а надъюрского водоносного горизонта – 0,4 – 0,6 г/л. Мощность юрских глин более 10 м позволяет считать каменноугольный водоносный комплекс защищенным от загрязнения с поверхности.

При рекультивации свалки, включающей выемку свалочного субстрата и замену его чистым песком, применены мероприятия по водопонижению техногенного и надъюрского водоносных горизонтов. Дренажные и наблюдательные скважины заложены по контуру котлована. Работы по рекультивации свалки включали ликвидацию поверхностного водоема, выемку свалочного грунта с подстилающими загрязненными породами в течение 160-170 суток. В результате рекультивации свалки образуется котлован глубиной 5,0 – 13,0 м, который может затапливаться поверхностными водами и водами техногенного и надъюрского водоносных горизонтов.

Для получения прогноза изменений гидрогеологических условий при подготовке территории к строительству, в условиях водопонижения и выемки свалочного грунта, были созданы две математические модели: региональная модель, расширенная до р. Москвы (размер 2200x2200 м) и детальная модель в пределах мкр.34ДЕ Печатники (размер 350х450 м). Основной задачей прогноза была оценка изменения уровней водоносных горизонтов в пределах рассматриваемого участка и на сопредельных территориях при воспроизведении проектных решений рекультивации свалки. Результаты решения каждого из этапов на большой модели, задавались как граничные условия по контору малой модели для моделирования условий водопонижения. В соответствии с данными мониторинга на объекте проводилась верификация модели и выполнялся расчет изменений уровней в зоне влияния рекультивации.



При прогнозе на модели последовательно воспроизводились этапы рекультивации свалки, подбиралось количество и места задания водопонизительных скважин. Модель постоянно корректировалась с учетом изменения проектных решений по рекультивации свалки и этапам подготовки к строительству жилых корпусов. В результате расчетов получено, что для поддержания уровня воды на 2 м ниже отметок дна котлована достаточно 13 скважин с постоянным расходом 250-300 м3/сут. Максимальный радиус влияния от водопонижения под строительство составил 400 - 450 м. Осадок существующих зданий на окружающей территории при полученных величинах понижения уровней не ожидалось, что подтвердилось в дальнейшем по фактическим данным геодезических наблюдений.

Примером решения задачи самоочищения являются исследования, выполненные в связи с проектированием рекультивации Люблинских полей фильтрации в г. Москве (в ходе работы над магистерской диссертацией Никулиной-Основской М.А.) В течение столетнего периода функционирования Люблинских полей фильтрации шло постепенное загрязнение подземных вод и водовмещающих пород. В качестве некого природного защитного экрана выступали юрские глины, однако на сегодняшний день загрязнение фиксируется по всему разрезу, вплоть до каменноугольного водоносного комплекса. Основными загрязнителями являются тяжелые металлы, некоторые высокотоксичные соединения и аммоний, который фиксируется в грунтовом водоносном горизонте в концентрациях до 300 – 400 мг/л, при его ПДК 2 мг/л.

На месте полей фильтрации проведена рекультивация, путем изъятия накопленных осадков сточных вод и отсыпки песком, и построен жилой район. Таким образом, встает вопрос о так называемом самоочищении горизонтов от накопленного аммония, в связи с ликвидацией источника загрязнения.

Решалась задача самоочищения в следующие этапы: 1) разработка геофильтрационной модели территории на момент функционирования иловых

карт, в связи с тем, что основной массив данных приходится как раз на этот период, и последующая калибровка модели;

2) разработка геофильтрационной модели территории, отражающей динамику введения новых земель под поля орошения, в дальнейшем под иловые карты, под застройку жилым массивом и под промышленные предприятия, и изменения уровня в каменноугольном водоносном комплексе, связанные с большим водоотбором;

3) разработка геомиграционной модели, характеризующей этап загрязнения территории аммонием, учитывающей поэтапное введение новых земель под поля орошения, под иловые карты, и изменение уровня в каменноугольном водоносном комплексе;

4) разработка геомиграционной модели, характеризующей этап самоочищения, начинающийся с момента полной ликвидации иловых карт и застройки территории жилым массивом.

Результаты, полученные в ходе моделирования ситуации с функционированием всех иловых карт, легли в основу геофильтрационной модели, которая учитывает все значимые изменения на изучаемой территории с момента образования полей орошения до полной застройки: площади полей орошения, иловых карт, жилой застройки, промышленной застройки, лесопарковой зоны, и соответственно различное инфильтрационное питание в выделенных областях, и уровень каменноугольного водоносного горизонта. Это реализовывалось путем задания стресс-периодов. Всего выделяется 9 стресс-периодов, девятый стресс-период характеризуется полной застройкой территории и является началом процесса самоочищения. Шестой стресс-период является ситуацией, которая моделировалась на первом этапе. В течение первые трех стресс-периодов идет увеличение площадей полей орошения, начинается падение уровня в каменноугольном водоносном комплексе. Четвертый стресс-период характеризуется появлением иловых карт, началом уменьшения площадей полей орошения, появлением жилой застройки и ряда промышленных предприятий. До пятого стресс-периода идет падение уровня в каменноугольном водоносном комплексе, увеличение площадей под жилой и промышленной застройкой. До шестого стресс-периода идет увеличение площадей иловых карт, происходит стабилизация уровня в каменноугольном водоносном комплексе (общей сложности уровень с первого стресс-периода упал на 20 м), так же стресс-период характеризуется отсутствием полей орошения. С седьмого по девятый стресс-период происходит уменьшение площади иловых карт, и увеличение площади жилой застройки. На девятый стресс-период нет иловых карт и вся территория застроена жилым массивом.

Данное моделирование позволило проследить изменение гидродинамической ситуации за столетний период существования Люблинских полей фильтрации.

Полученные результаты геофильтрационной модели легли в основу моделирования загрязнения аммонием. При геомиграционном моделировании задавались те же стресс-периоды,



23 – 25 апреля 2008 г.

которые теперь характеризуются не только определенным значением инфильтрционного питания в областях полей орошения и иловых карт, но и определенными концентрациями аммония в этих областях, которые являются источником загрязнения. Восьмой стресс-период характеризуется максимальным загрязнением, девятый - началом самоочищения. При моделировании за столетний период произошло загрязнение всех слоев в концентрациях, зафиксированных на изучаемой территории.

Рассчитано, что в период загрязнения в каменноугольный водоносный горизонт поступило почти 4 тысячи тонн аммония.

Этап самоочищения начинается с 9-ого стресс-периода, характеризующегося ликвидацией источника загрязнения и полной застройкой территории. Начальными условиями являются концентрации аммония в отложениях, полученные на восьмом стресс-периоде. Моделирование самоочищения рассматривается в двух крайних вариантах: 1) аммоний мигрирует как десорбируемое вещество, скорость миграции фронта вытеснения аммония учитывается введением эффективной пористости (коэффициента распределения), (что возможно при учете присущей аммонию линейной изотерме сорбции); 2) аммоний мигрирует как нейтральный компонент в связи с возможным окислением накопленного органического вещества и выходом их в подземные воды, как лиганда для образования комплекса с аммонием.

Принимается, что отложения очищаются от аммония при максимальной зафиксированной концентрации, соответствующей ПДК. При варианте с коэффициентом распределения за период самоочищения в каменноугольный водоносный горизонт поступило около 80 тысяч тонн аммония, это в двадцать раз больше чем за столетний период функционирования ЛПФ. Самый короткий период самоочищения соответствует надъюрским отложениям. Водоупорные отложения очищаются медленней всех, так келловей-оксфордские глины очищаются последними. Таким образом, время очищения отложений составило 11200 лет.

Во втором варианте период самоочищения составил 600 лет. В этом случае идет синхронное очищение водоносных горизонтов и водоупоров. Наиболее близко описывающий природные условия является первый вариант, т.к. водоупоры обладают более плохими фильтрационными, и более хорошими сорбционными свойствами. Вариант с миграцией аммония как нейтрального компонента в цикле самоочищения позволил оценить минимальные сроки самоочищения.

После рекультивации территорий, занятых полями фильтрации и свалками, заключающейся в ликвидации источников загрязнения, начинается самоочищение водовмещающих пород и подземных вод, путем миграции загрязнителей. Данный процесс идет медленно, и может занять тысячи лет. Этот процесс самоочищения можно ускорить, для этого необходимо определиться с наиболее опасными загрязнителями и создать для них наиболее благоприятные условия миграции.

Для исключения вторичного заражения рекультивированных территорий транзитными загрязненными подземными водами с окружающей территории, занятой нерекультивированными массивами свалок, целесообразно создание программы рекультивации массивов загрязненных территорий в целом. На основе данных о фактическом распространении загрязненных грунтов, геологических и гидрогеологических условиях должны быть выделены зоны, отражающие очередность проведения работ. Там, где невозможно соблюдение такого подхода, для исключения вторичного заражения рекультивированных территорий транзитными загрязненными подземными водами с окружающей территории, занятой нерекультивированными массивами свалок, необходимо изолировать рекультивированные территории гидродинамическими (дренаж или подпор) или геохимическими барьерами, в отдельных случаях – противофильтрационным экраном (стеной в грунте). Возможно также чередование непроницаемой стены с участками активного проницаемого барьера (ворот), установленных поперек потока загрязненных подземных вод /1/. Такие варианты ограждения рекультивированных территорий требуют специального гидрогеодинамического и гидрогеохимического обоснования.


1. K.C. Scott, P.G., and D. J. Folkes, P.E. EnviroGroup Limited, 7208 South Tucson Way, Suite 125, Englewood, CO 80112. GROUNDWATER MODELING OF A PERMEABLE REACTIVE BARRIER TO ENHANCE SYSTEM PERFORMANCE



ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ПРОЕКТОВ ВЫСОТНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В МОСКВЕ

Никулин-Основский М.А.

ЗАО «НИиПИ экологии города», Москва, Россия

Высотное строительство в г.Москве, как правило, связано с использованием подземного пространства на большую глубину, что особенно характерно для условий плотной застройки, где требуемое количество мест для хранения автомобилей можно обеспечить только за счет подземных автостоянок. С учетом подтопленности территории города подземное строительство влечет множество проблем, связанных с изменением гидрогеологических условий в результате изъятия части существующего массива грунта и замещения его инженерным объектом. В результате чего в зоне влияния проектируемого строительства формируется литотехническая система со свойствами отличными от первоначальных свойств массива. Для оценки устойчивого существования такой системы на различных этапах проектирования необходимо оценивать устойчивость системы «грунтовый массив-основание сооружения» с учетом изменения гидрогеологических условий территории в период возведения и эксплуатации объекта. Изменения гидрогеологических условий могут оказывать недопустимое воздействие на основание сооружения вплоть до возникновения аварийных ситуаций - например, в период нулевого цикла – выпор грунтов основания в котлован; в период возведения подземной части – ее всплытие или деформации; в период эксплуатации – недопустимые крены сооружения и подтопление его подземной части.

Основные особенности взаимодействия глубокой подземной части высотных зданий с грунтовым массивом заключаются в изменении гидрогеологических условий на значительной прилегающей территории. Изменения уровней подземных вод под влиянием высотного сооружения с развитой подземной частью могут распространяться до нескольких сотен метров в плане и десятков метров в разрезе. Поэтому при построении гидрогеологической модели расчетная область значительно превосходит площадь объекта.

При гидрогеологическом обосновании условий строительства высотного объекта прогнозное гидрогеологическое моделирование необходимо производить поэтапно. На предпроектной стадии в качестве исходных данных для построения модели применяются данные наблюдений за режимом подземных вод государственной наблюдательной сети и архивные данные инженерно-геологических изысканий. На стадии проекта к уже перечисленным источникам добавляются данные инженерно-геологических изысканий и наблюдений за уровнями подземных вод непосредственно на участке строительства.

В качестве примера гидрогеологического обоснования высотного и подземного строительства приводится 34-этажный многофункциональный высотный комплекс в ЦАО г.Москвы высотой 180 м и глубиной подземной части до 27.5 м.

Верхняя часть геологического разреза территории сложена породами палеозоя и кайнозоя. Отложения палеозоя представлены переслаиванием трещиноватых кавернозных известняков и мергелей с подчиненными прослоями глин и доломитов средне-позднекаменноугольного возраста. Юрские глины на рассматриваемом участке размыты. Отложения кайнозоя представлены флювиогляциальными, аллювиальными и техногенными отложениями четвертичного возраста. В ходе инженерно-геологических изысканий на участке в верхней части каменноугольных отложений практически повсеместно встречены карстовые полости как заполненные, так и не заполненные. Учитывая закарстованность и отсутствие выдержанного водоупора, на данном участке вероятна активизация карстово-суффозионных процессов при строительстве, для исключения которой проектом предусмотрены специальные мероприятия – цементация карстовых пустот и создание "стены в грунте".

Гидрогеологические условия территории весьма сложны, что обусловлено значительной литологической изменчивостью водовмещающих пород, закарстованностью верхнекаменноугольных известняков и отсутствием на участке водоупорной толщи юрских глин. Из анализа имеющихся материалов по объекту и по прилегающим территориям можно выделить четыре водоносных горизонта, которые могут быть затронуты в ходе строительства: четвертичный грунтовый водоносный горизонт, два горизонта в верхнекаменноугольных отложениях – перхуровский и ратмировский, и среднекаменноугольный мячковский водоносный горизонт.

Контур подземной части имеет сложную структуру, что обусловлено сохранением существующего памятника архитектуры. Предусматривается создание противофильтрационной завесы



23 – 25 апреля 2008 г.

перекрывающей полностью на участке строительства четвертичный и перхуровский водоносные горизонты.

На объекте на различных этапах проектирования была создана наблюдательная сеть из 14 гидрогеологических скважин геометрия, которой во многом обусловлена стесненными городскими условиями. Во всех скважинах проведены опытно-фильтрационные работы для определения фильтрационных параметров.

С использованием программного пакета Visual Modflow 4.1. создана математическая модель части гидрологического бассейна, т.е в качестве внешних границ модели приняты естественные границы: р. Пресня (в коллекторе) и водораздел р. Пресня и Ваганьковского ручья. На этой модели произведена оценка размеров зоны влияния от проектируемого объекта в первом приближение. Далее создана модель-врезка плановые размеры которой превосходят размеры зоны влияния. На границах этой модели задано ГУ 1го рода значения напоров, для которого сняты с исходной модели.

Режим потока: трехмерный, стационарный - при решении обратной задачи, нестационарный - при прогнозе изменения гидрогеологических условий. Граничные условия: для исходной модели - естественные границы, для детальной модели-врезки - ГУ I рода. Геофильтрационные параметры взяты по архивным данным на окружающую территорию и для участка строительства по результатам проведенных опытно-фильтрационных работ и лабораторных определений.

В ходе выполнения гидрогеологического моделирования воспроизведены пять основных этапов:

1. Существующая гидрогеологическая обстановка территории 2. Возведение противофильтрационной завесы; 3. Выемка котлована; 4. Возведение подземной части; 5. Период эксплуатации объекта. Существующая гидрогеологическая обстановка воспроизводилась по данным режимных

наблюдений на объекте и архивным инженерно-геологическим материалам по окружающей территории.

В результате расчетов получено, что направление потока подземных вод для четвертичного горизонта отличается от залегающих ниже горизонтов. Такая ситуация обусловлена различными базисами этих горизонтов. Фильтрационный градиент четвертичного горизонта на участке строительства невелик, что привело к незначительному барражному эффекту при расчете влияния от возведения противофильтрационной завесы. Градиент перхуровского горизонта более чем в два раза превосходит градиент четвертичного горизонта. Дополнительно на это накладывается сложная форма в плане противофильтрационной завесы. В результате в перхуровском горизонте барражный эффект проявляется более значительно. Особенно это заметно под основание сохраняемого памятника архитектуры, где происходит снижение пьезометрических уровней на 0.9 – 1.4 м. Участок строительства является опасным по возможности проявления карстово-суффозионных процессов. Таким образом, за счет увеличения вертикального градиента фильтрации между четвертичным и перхуровским горизонтом возможна активизация этих процессов. Как показали расчеты, на геофильтрационное поле ратмировского горизонта проектируемое строительство влияния не окажет.

Расчеты показали, что в ходе работ по выемке грунта и сопутствующему водопонижению, а также в период эксплуатации дополнительное снижение уровней не ожидается, что обеспечивается противофильтрационной завесой. Наиболее проблемным остается участок под сохраняемым памятником архитектуры, на котором в результате возможного нарушения технологии строительства противофильтрационной завесы может произойти активизация карстово-суффозионных процессов. По результатам расчетов рекомендовано создание пластового дренажа под основанием комплекса для снятия избыточного давления подземных вод и укрепление основания сохраняемого памятника архитектуры.

В ходе работ по гидрогеологическому обоснованию проектов высотного и связанного с ним подземного строительства отмечены следующие характерные проблемы:

- низкое качество гидрогеологической информации, получаемой при инженерно-геологических изысканиях;

- трудности оптимального размещения наблюдательных скважин на территории объекта и на окружающей территории, в связи со стесненными условиями;

- недостаточность скважин сети государственного мониторинга подземных вод, необходимых для долгосрочного прогноза изменения гидрогеологических условий.



ПОСТОЯННО ДЕЙСТВУЮЩИЕ МОДЕЛИ – СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Полшкова И.Н.

Институт водных проблем РАН, Москва, Россия

Проблема контроля состояния подземных вод является одной из важнейших проблем общего мониторинга геологической среды. Возможность исследования прогнозируемых техногенных изменений состояния подземной гидросферы основана на концепции использования постоянно действующих моделей гидрогеологических объектов, которые являются неотъемлемой подсистемой общей системы мониторинга геологической среды.

Важной особенностью математических моделей является возможность точного количественного прогнозирования в пространстве и времени не только естественных природных процессов, но и анализ с их помощью любых инженерных решений в соответствии с потребностями на разных территориальных уровнях. Результаты решения управленческих задач на разработанной модели позволяют оптимизировать саму систему режимных наблюдений, исходя из наблюдаемого (либо прогнозируемого) воздействия техногенных факторов на природные экосистемы

При этом под гидрогеологической математической моделью понимается функциональная система, которая путем численного решения систем дифференциальных уравнений, описывающих процессы геофильтрации или геомиграции, позволяет получить искомые характеристики гидрогеологического объекта на основе исходной гидрогеологической информации, используемой в качестве параметров краевых задач.

Базой математического моделирования является аппарат математического обеспечения, алгоритмы которого основаны на законах динамики подземных вод и методах решения систем конечно-разностных уравнений.

Объектом математического моделирования является гидрогеологический регион, особенности гидрогеологического строения и водообмена которого позволяет учитывать его математическая модель.

Целью создания математической модели является гарантия качественных прогнозов, требующих полноты, достоверности и долгосрочности, причем, чем выше требования к достоверности и долгосрочности прогноза, тем большим должен быть охват моделируемой территории, поскольку часто решающую роль играют региональные тенденции изменения природной среды и региональные внешние факторы, на нее воздействующие.

Основой информационной базы математической модели может служить мониторинг геологической среды, если существуют возможности автоматической связи между мониторингом и математической моделью по информации. В этом идеальном случае постоянно обновляющаяся информация в мониторинге является доступной и для информационной базы математической модели, что обеспечивает контроль состояния не только геологической среды, но и постоянное обновление прогнозов в результате дополнительного техногенного воздействия.

Результатом моделирования является создание постоянно действующей модели гидрогеологического объекта, адекватно отображающей существующие условия процесса фильтрации в реальной водообменной системе взаимодействия подземных и поверхностных вод.

Как правило, модели создаются для региональной оценки эксплуатационных запасов и прогноза режима подземных вод. Однако все большую потребность приобретает прогноз экологического состояния природной среды при усилении на нее техногенного воздействия.

Необходимым условием создания и функционирования математических моделей является наличие картографической базы данных. Таким образом, одной из функций используемого при моделировании программного обеспечения должна быть возможность представления исходной и результирующей информации в виде, способном адаптироваться к форматам стандартных ГИС-пакетов. До настоящего времени вся информация, необходимая для решения уравнений гидродинамики методом сеточного моделирования, готовилась в условных координатах, и привязка моделируемых областей к точным географическим координатам представляла некоторые трудности.

Концепция информационной системы специального программного обеспечения «Аквасофт» предусматривает использование входных и выходных файлов только в текстовом формате. Это позволяет осуществлять простой и независимый интерфейс между базой сеточных данных модели и файлами мониторинговых систем, с одной стороны, и с базами данных в форматах графических информационных систем (Arc View, Maplnfo, Географ и др.), с другой.



23 – 25 апреля 2008 г.

Для обработки входной и выходной фактографической информации разработан интерфейс между базой данных графической информационной системы и базой данных постоянно действующей модели. Соответственно, все расчетные узловые точки модели имеют точные географические координаты, что позволяет оперативно выводить результаты моделирования, преобразовывая их к форматам ГИС. Данные по скважинам, привязанным к географическим координатам, в автоматическом режиме преобразовываются к узловым точкам сеточной модели.

Очевидно наличие двух видов работ - создание ПДМ и ее эксплуатация. Необходимо отметить, что создание ПДМ должно находиться в ведении профессиональных гидрогеологических структур, имеющих доступ ко всей необходимой, в т.ч. и архивной информации. В составе группы разработчиков ПДМ необходимо предусмотреть подразделение контроля адекватности модели гидрогеологическим процессам, развивающимся на данной территории. Эксплуатация ПДМ может быть реализована несколькими пользователями (заказчиками), в зависимости от их целей, например, структурами эксплуатации водозаборов или структурами, ответственными за прогнозирование геоэкологических изменений гидросферы, таких как процессов подтопления или ухудшения качества подземных вод.

Принятие управленческих решений на территориальном и межрегиональном уровне предполагает наличие оперативной оценки состояния подземных вод в целом по территории и возможные варианты сценариев развития природных ситуаций от степени техногенного воздействия, что возможно только при наличии региональной постоянно действующей модели. Создание и ведение ПДМ позволяет концентрировать информацию для изучения, оценки состояния и прогнозирования гидрогеологических процессов в геологических средах в результате природных и техногенных воздействий, что является в современный период одним из главных направлений региональных гидрогеологических исследований для районов с интенсивной хозяйственной деятельностью.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПОД

ВОЗДЕЙСТВИЕМ ХВОСТОХРАНИЛИЩ ЛЕБЕДИНСКОГО ГОКА

Потапова Е.Ю., Рошаль А.А. ЗАО «Геолинк-Консалтинг», Москва, Россия

Основной задачей настоящего исследования являлась оценка потенциального загрязнения

подземных вод на действующих водозаборах городов Губкин и Старый Оскол эксплуатирующих подземные воды альб-сеноманского водоносного горизонта, в связи с поступлениями некондиционных вод из хвостохранилищ ГОКов

- По результатам химических анализам поверхностных вод, потенциальными источниками загрязнения являются: пруды очистных сооружений г. Губкина.

- Анализ гидродинамических условий территории Старооскольского промрайона показал, что обстановка является достаточно сложной, что обусловлено значительной фильтрационной неоднородностью водоносной толщи, а также множеством типов граничных условий.

- Прогноз возможного изменения качества подземных вод, использующихся для хозяйственно-питьевого водоснабжения водозаборами гг. Губкин, Старый Оскол (под влиянием сложившейся к настоящему времени и изменяющейся в дальнейшем водохозяйственной обстановки) осуществлен при использовании методов математического моделирования.

- Для моделирования массопереноса использован алгоритм MT3DMS разработанный компанией «Геолинк Консалтинг».

Основную роль в перемещении фронта загрязнения в пористо-трещиноватых породах играет конвективный перенос под действием гидравлического градиента.

Естественно, что при миграции загрязненных подземных вод в водоносных горизонтах также имеют место различные физико-химические процессы при взаимодействии подземных вод с водовмещающими породами, которые при расчетах зон загрязнения не учитывались, так как в терригенных отложениях дисперсия имеет подчиненное значение, а сорбция в суглинках, хвостах и песках приводит к замедлению переноса загрязнения. Перенос трассера без учета плотностных эффектов, гидродинамической дисперсии и физико-химических взаимодействий в системе «вода-порода» описывается уравнением

( ) 0=∇+∂∂ CtnC q

где n - активная пористость, q - вектор скорости фильтрации, C - концентрация трассера.



При построении гидрохимической модели использовалась региональная гидродинамическая модель с детальной разбивкой на блоки (100 на 100 м). Схематизация гидродинамической модели в плане и разрезе учитывает все особенности геолого-гидрогеологического строения.

- Скорость фильтрации (ее составляющие по осям координат X, Y и Z), , задавалась по результатам модельного решения задач геофильтрации.

- Для расчета в модели предусмотрена – эффективная пористость водовмещающих отложений. Значения эффективной пористости принималось равным 25 процентам.

- Также для решения задачи массопереноса были построены карты абсолютных отметок кровель всех водоносных горизонтов. Была создана геолого-структурная модель территории, используемая в дальнейшем для решений.

- Объекты, источники потенциального загрязнения подземных вод -хвостохранилища Лебединского и Стойленского ГОКов, пруд-отстойник очистных сооружений г. Губкина, р. Осколец), являются постоянными. По всей площади этих объектов задавались граничные условия 2-го рода (поступление расхода Q=const с концентрацией С0=const).

- Зоной загрязнения считалась область, ограниченная изохронами распространения потоков подземных вод по расчетным линиям тока с концентрацией 0.5.

На первом этапе решалась эпигнозная миграционная задача (на основе использования вертикальных и горизонтальных расходов, полученных при решении обратной стационарной геофильтрационной задачи). В процессе решения воспроизводилось формирование в тела загрязнения слоистой водоносной толщи с момента заполнения хвостохранилищ в 1972 году.. Решение на модели заключалось в определении продвижения ореолов загрязнения с начала заполнения хвостохранилищ в 1973 году вплоть до 2003 года.

К 2003 году площадь потенциального загрязнения по данным моделирования составила: По кайнозойскому водоносному горизонту - 36.6 км2, От загрязняющих объектов загрязнение продвинулось на расстояние в среднем 1 км. По турон-маастрихтскому водоносному горизонту -51.7 км. От границ загрязняющих объектов загрязнение продвинулось на расстояние в среднем 2 - 3 км. По альб-сеноманскому водоносному горизонту 76.1 км. От границ загрязняющих объектов загрязнение продвинулось на расстояние в среднем 3 - 4 км, самое большое распространение загрязнения произошло в северо-восточном направлении от хвостохранилища Лебединского ГОКа. На втором этапе решалась прогнозная миграционная задача (на основе использования вертикальных и горизонтальных расходов, полученных при решении прогнозной стационарной геофильтрационной задачи). На этапе решения прогнозной задачи в начальный момент времени концентрации во всей расчетной области по всем водоносным горизонтам присваивались значения, полученные в результате решения эпигнозной миграционной задачи.

К 2033 году площадь потенциального загрязнения по данным моделирования может составить: По кайнозойскому водоносному горизонту - 43.1 км2, от границ загрязняющих объектов загрязнение продвинулось на расстояние в среднем 200-300 м. По турон-маастрихтскому водоносному горизонту -98.3 км2. За 30 лет загрязнение по турон-маахстрихтскому горизонту существенно увеличилось, особенно вследствие увеличения площади хвостохранилища Лебединского ГОКа. По альб-сеноманскому водоносному горизонту 158.9 км2, от границ загрязняющих объектов загрязнение продвинулось на расстояние в среднем еще на 1 - 2 км, наибольшее распространение загрязнения произошло от хвостохранилища Стойленского ГОКа. Решение прогнозной миграционной задачи показало, изменение водохозяйственной обстановки (наращивание площадей хвостохранилищ, создание водозаборов подземных вод, развитие дренажной системы карьеров) приводит к изменению общей картины загрязнения водоносных горизонтов.

При дальнейшем развитии горных работ в карьере реальная угроза загрязнения подземных вод существует на северном борту карьера. В связи с отсутствием распространения слабопроницаемых отложений (глин, суглинков) на северном борту карьера этот участок является слабозащищенным, поэтому со стороны р. Осколец на отдельных участках северного борта карьера к 2033 г. наблюдается возрастание загрязнения.

Вывод: моделирование массопереноса показало, что техногенная нагрузка на верхние водоносные горизонты в районе влияния карьеров ГОКов значительна по площади, и провоцирует обширные площади загрязнения по альб-сеноманскому водоносному горизонту (основной эксплуатируемый водоносный горизонт), но не несет прямую угрозу загрязнения питьевых вод.



23 – 25 апреля 2008 г.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ ХЛОРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ ПОД ХРАНИЛИЩЕМ БЫТОВЫХ

ОТХОДОВ

Прилепин В.М. Тетра Тек ИМ Инк., Сакраменто, США

Из-за утечки хлорированных углеводородов с территории бывшего хранилища бытовых

отходов образовался 600-метровый шлейф загрязнения в подземных водах, создающий угрозу водозаборным скважинам в двух километрах ниже по течению. Для оценки возможной миграции загрязнения выполнено численное моделирование с использованием программы MODFLOW/RT3D. На первой стадии калибровалась стационарная модель с целью воспроизведения пространственного распределения водопроводимости водовмещающих отложений, контролирующего сложный характер фильтрационного потока под хранилищем, а также имитации наблюдаемого шлейфа загрязнения. Затем применялась динамическая модель для описания и прогноза меняющихся во времени условий фильтрации и концентраций хлорированных углеводородов в подземных водах с момента их утечки из хранилища до 2030 года. В результате проведенного моделирования было показано, что шлейф загрязнения будет увеличиваться в размере вплоть до 2008 года, а затем постепенно сокращатся, не выходя более чем на 100 метров за границу хранилища. Хотя мало вероятно, что водозаборные скважины ниже по течению подвергнуться загрязнению в будущем, мониторинг подземных вод необходимо продолжить в течение нескольких лет вблизи нынешнего фронта шлейфа загрязнения.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ GROUNDWATER MODELING SYSTEM (GMS) ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО СКВАЖИННОГО

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНА

Садырбаева Г.А.1, Жатканбаев Е.Е.1, Искаков З.А. 1, Дуйсебаев Б.О.1, Поезжаев И.П.2, Мырзабек К.А.2

1 ТОО «Институт Высоких технологий» НАК «Казатомпром», 2 СП «Катко» НАК «Казатомпром», Казахстан

Современный этап развития горнодобывающей промышленности характеризуется

усложнением условий добычи полезных ископаемых: уменьшается содержание полезных компонентов, увеличивается глубина залегания руд, усложняется горно-технологические условия. В частности, для урановой промышленности все более важной частью сырьевой базы становятся так называемые гидрогенные месторождения, которые успешно отрабатывается способом подземного выщелачивания, системой скважин. Основу метода подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) составляет перевод полезного компонента в подвижную форму при протекании химических и массообменных процессов с последующим подъемом на поверхность.

Для оптимизации отработки месторождения проводится моделирование ПСВ двумя методами:

- создание математической модели с последующей адаптацией к условиям месторождения; - применение готовых программных обеспечений для моделирования и прогнозирования

процессов добычи полезных компонентов скважинными методами /1/. Процесс ПСВ урана на месторождении Семизбай (Акмолинская область, Республика

Казахстан) «Институтом высоких технологий» проводится геотехнологическое моделирование при помощи программы «Groundwater modeling system». Groundwater Modeling System версии 3.1. являющейся первым успешным коммерческим пакетом, нашедшим широкое применение во всем мире, начиная с 1999 года. Пакет GMS 3.1. основывается на реализации дифференциальных уравнений в частных производных для давления, массопереноса и растворения полезного компонента. Поле распределения скоростей в пласте описывается широко известным в теории фильтрации уравнением Дарси:

i

iii x

hKqv

∂∂

−==εε

(1)



где: zph +=γ

- гидравлический напор, м ,ε - пористость твердой фазы, безразмерный

параметр, iK - главные компоненты тензора гидравлической проводимости, см , p – пластовое

давление, γ - удельный вес жидкости, z - нивелирная высота. Уравнения для давления и массопереноса реализуется методом переменных направлений,

имеющей точность О(∆t2,∆x2,∆y2) вполне достаточной для практических целей. Нами на программном пакете GMS 3.1. был смоделирован опытно-промышленный

участок месторождения Семизбай. Геологическое и гидрогеологическое описание месторождения Семизбай изложено в работе /2/.

Для моделирования скважинных систем выбраны два вида гексагонального расположения скважин (с радиусом ячейки 25 и 30 метров) и рядная система расположения скважин 12,5х15м (12,5 м между откачными и 15 м между закачными скважинами). Количество скважин определялось примерным равенством площадей активного выщелачивания, начиная с классической ромашки ячеек радиусом 30 м (7 ячеек с одной центральной). Остальные схемы «подстраивались» под нее, с тем, чтобы получить примерное равенство площадей активного выщелачивания. Дебиты откачных скважин и приемистость закачных скважин взяты из ранее проведенных опытных работ /3/.

В таблице 1 приведены основные сравнительные характеристики рядной и гексагональных схем вскрытия при различных расстояниях между скважинами. На рисунке 1 представлена схема расположений блоков.

Таблица 1 Начальные условия моделирования:

схема вскрытия Варианты

Гексагон 30 м, «ромашка»

Гексагон 25 м Ряд 25х12,5 м

Количество откачных скважин 7 10 18 Количество закачных скважин 24 33 33 Средний дебит откачной, м3\час 2,5 2,5 1,6* Приемистость закачной: средняя, (от-до), м3\час

0,74 (0,42-0,84-1,25)

0,74 (0,42-0,84-1,25)

1,08 (0,84-1,5)

Площадь модельного блока, м2 16 900 17 900 18 800

Рис. 1 - Границы моделируемых блоков, черная линия - граница блока с R=25 м, синяя - блока с R=30 м, зеленая - рядного блока.



23 – 25 апреля 2008 г.

Начальные условия для проведения моделирования приведены в таблице 2.

Таблица 2 Начальные условия моделирования: геологическая среда Значения

Коэффициент фильтрации (м\сут) 3,1 Коэффициент активной пористости, доли ед. 0,15 Удельный вес руды, кг\м3 1650 Продольная гидродинамическая дисперсия, м 8 Средняя мощность активного выщелачивания, м 13,5

На рис. 2 представлено поле распределения скоростей фильтрации в пласте через 60 дней от

начала отработки месторождения.

а)

б)

в)

Рис. 2. Распределение действительных скоростей фильтрации при проектных дебитах: а - на

блоке ячеек 30м, б – на блоке ячеек 25м, в – рядная система расположения. Темно-голубое – скорость фильтрации более 1 м\сут, светло-голубое – более 2 м/сут, зеленое – более 3 м\сут.

На рисунке 3-4 представлено распределение полезного компонента в пласте на разные

периоды времени после начала отработки опытно-промышленного блока при гексагональном расположении скважин с радиусом ячейки 30м.

На рисунке 5-6 представлено распределение полезного компонента в пласте для тех же периодов времени для гексагонального расположения скважин с радиусом ячейки 25м.

На рисунке 7-8 представлено распределение полезного компонента в пласте для тех же периодов времени для рядного расположения скважин.



Рисунок 3. Распределение металла через 60 дней после начала промышленной добычи для

ячеек 30м.

Рис. 4. Распределение металла через 420 дней после начала промышленной добычи для ячеек

30м.

Рис. 5. Распределение металла через 60 дней после начала промышленной добычи для ячеек

25м.

>0,35

0,3-

0,25-

0,2-

0,15-

0,1-

>0

0 0

0 02-

>0



23 – 25 апреля 2008 г.


ячеек 25м.


рядного расположения скважин.


рядного расположения скважин. Результаты гидродинамического моделирования опытно – промышленного участка приведены

в таблице 3. Откуда видно, что оптимальной схемой расположения скважин является гексагональное расположение с радиусом ячейки 25м.

0

0 0

0 02

0

>0 015

0 05 0 1

0 02

>0 025



Таблица 3.

Модельный блок Среднее содержание урана за время отработки

Ж\Т при извлечении 85%

Время достижения необходимого извлечения,

лет Ячейки 30 м 0,079 Около 4* Более 6 Ячейки 25 м 0,09 3,5 3,7

Ряды 25х12,5 м 0,076 3,7 4,1 Таким образом при наличии таких параметров, как дебит, пористость, коэффициент

фильтрации которые определяются в процессе отработки можно моделировать и соответственно контролировать процесс ПСВ, что снижает затраты и повышает эффективность отработки месторождения.


1. Поезжаев И.П., Абдульманова Д.М. «Исследование гидродинамики процесса выщелачивания на некоторых объектах ПСВ», Сборник докладов III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы урановой промышленности», г. Алматы 2004г.

2. Пирматов Э.А., Дюсамбаев С.А., Дуйсебаев Б.О., Жатканбаев Е.Е., Вятченникова Л.С., Садырбаева Г.А. «Перспективы ПСВ урана на месторождении Семизбай», Горный информационно – аналитический бюллетень, № 11, 2006, Москва.

3. О результатах геотехнологических исследований опытно – промышленной добычи урана способом ПСВ из руд месторождения Семизбай за период с 1984 по 1989 годы. Заключительный отчет, 1989.

4. Грабовников В.А. «Геотехнологическое исследование при разведке металлов», М. «Недра», 1995г.

ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ БАЗ ДАННЫХ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ

Саевец Т.Н.1, Вечканова Т.И.1, Полшкова И.Н. 1 – ПРЦ ГМСН ФГУГП «Волгагеология», Н.Новгород, 2 – ИВП РАН, Москва, Россия

В рамках объекта « Создание современной гидрогеологической карты Волго-Сурского и

Ветлужского артезианских бассейнов масштаба 1:1 000 000 с выявлением условий локализации питьевых подземных вод, различных по защищённости водоносных горизонтов и качеству вод» была создана прикладная информационная система сопряжения реляционных баз данных (фактографической и картографической информации), и цифровых гидрогеологических карт

Для обеспечения актуальной информационной полноты исходного материала для ввода в модель /программный продукт/ проработаны различные блоки информации в несколько этапов:

1. сбор, систематизация и анализ фондовых и опубликованных геологических, гидрогеологических, геоморфологических, инженерно-геологических, и других материалов по объекту исследования и смежным территориям, результаты геолого-съемочных работ,

2. формирование компьютерных фактографических и картографических баз данных, создание электронного каталога к цифровым гидрогеологическим картам,

3. выполнение построений цифровых гидрогеологических карт гидрогеологических параметров на основании баз данных параметров.

Созданная база данных, содержащая необходимый набор сведений гидрогеологического содержания, включает шаблоны запросов, обеспечивающие доступ к массиву информации, что позволяет проводить анализ и корректировку данных для целей конкретной выполняемой задачи

Информационная структура базы гидрогеологических параметров реализована формате MS Acсess и совместима с большинством ГИС приложений. Сопряжение с ГИС - пакетами осуществляется с помощью SQL-запросов или путем конвертирования информации в приемлемые форматы

Ввод информации в систему, обеспечивающую численное моделирование /работы выполнялись для программного продукта «Аквасофт»/ предваряются обработкой в ГИС - приложении информации из базы данных.



23 – 25 апреля 2008 г.

Анализ и обработка информации осуществляется в ГИС - приложениях посредствам функций выборок, калькуляций, построений поверхностей и предоставляет возможность количественной и качественной оценки в плане и разрезе существующей обстановки по различным параметрам

Поверхности или точечные объекты со значением гидрогеологического параметра сопрягаются с узловой точкой модели и конвертируются в файл перегрузки в модель, содержащий координаты узловой точки и численное значение показателя.

Вывод информации из модели имеющий формат, конвертируемый в ГИС, позволяет контролировать результаты моделирования на каждом из этапов в плане и корректировать фактурные массивы

База данных гидрогеологической информации, сопряженная с ГИС-пакетом, является инструментом реализации моделирования на этапах ввода информации в модель, вывода результатов решений процессов геофильтрации, формирования выходных документов для итоговых материалов

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОГНОЗА ПОДПОРА ПРИ ПОДЪЕМЕ УРОВНЯ ЧЕБОКСАРСКОГО

ВОДОХРАНИЛИЩА ДО ОТМЕТКИ 68 М

Саевец Т.Н.1, Вечканова Т.И.1, Полшкова И.Н. 1 – ПРЦ ГМСН ФГУГП «Волгагеология», Н.Новгород, 2 – ИВП РАН, Москва, Россия

Прогноз подъема уровня грунтовых вод проведен в связи с разработкой проекта по

заполнению Чебоксарского водохранилища до проектной отметки 68 м. Прогнозный подпор рассчитан методом численного моделирования геофильтрации по четырем типовым участкам: по Окско-Волжскому междуречью - Дзержинский участок, по левобережью р. Волги – по Керженецкий, Борский и Линдовский.

Все типовые участки представлены трехслойной фильтрационной схемой. Первый слой – водоносный неоген-четвертичный аллювиальный безнапорный горизонт мощностью от 5 м на водоразделах до 80 м в погребенных палеодолинах. Второй слой – слабопроницаемый верхнетатарский терригенный горизонт, в тальвегах палеодолин участками размытый, третий слой – водоносная казанская карбонатная серия, содержит напорные солоноватые воды.

Моделирование трехмерной фильтрации проводилось с использованием российского программного обеспечения «Аквасофт». Для левобережья р. Волги фильтрационная задача решалась в стационарной постановке, для Дзержинского участка воспроизводился подъем уровня подземных вод в условиях работы действующих водозаборов. Полученные результаты при отсутствии фактурных данных по гидрологическому режиму рек показали достаточно высокую степень сходимости модельных решений и режимных данных по гидрогеологическим скважинам – невязка данных не превышает внутригодовую амплитуду колебания уровня грунтовых вод, адекватность решений оценивалась по 295 режимным скважинам.

Результаты решения по каждому из типовых участков представлены в виде: - карты гидроизогипс грунтовых вод (в двух вариантах – урез основных дрен р. Волги и р.

Оки на отметках 64 м и 68 м); - карты подпора грунтовых вод (с шагом 0,1 м); - трехмерной проекции поверхности грунтовых вод по маркирующей абсолютной отметке 70

м; - графиков расчетной амплитуды подъема уровня подземных вод по 11 профилям от уреза

рек Волги и Оки (длина профилей от 10 до 38,7 км); - диаграмм сравнительного анализа балансовых статей безнапорного водоносного

горизонта по площади типовых участков. Выводы: 1. Интенсивность подпора напрямую зависит от характера рельефа, глубина распространения

подпора – от воодообильности (km, м2/сут) водовмещающей толщи: 1.1 Подпор грунтовых вод на величину не менее 0,5 м распространится от русла р. Волги

(Оки) на расстояние: - Дзержинский участок – 9 км; - Линдовский участок – 13,6 км; - Борский участок – 8,7 км;



- Керженецкий участок – 18 км 1.2 Максимальная амплитуда подъема не менее 2,5 м ожидается в пойменной части на

расстояние от русла р. Волги (Оки): - Дзержинский участок – 2 км; - Линдовский участок – 6,8 км; - Борский участок – 1,2 км; - Керженецкий участок – 3 км 2. Явление подпора не оказывает кардинального влияния на соотношение балансовых статей

безнапорного водоносного горизонта – по всем расчетным участкам изменение балансовых составляющих не превышает 2-5%.

Наблюдается перераспределение латерального потока: с одной стороны уменьшается разгрузка в Волгу и в нижележащий горизонт, с другой, - увеличивается разгрузка в притоки и пойму р. Волги (Оки), а также отток через границы.

3. Для действующих водозаборов, наличие подпора создает благоприятные условия для восполнения эксплуатационных запасов подземных вод, однако уменьшение мощности зоны аэрации подземных вод и увеличивает вертикальную скорость проникновения загрязняющих веществ с поверхности земли, что является актуальной проблемой для Дзержинского участка, где сосредоточены предприятия химической отрасли.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЖИЖЕННОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПРИ ДОБЫЧЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ГЛУБОКИХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР

Султанов Л. Н.

Институт «ТатНИПИнефть», Бугульма, Татарстан, Россия

В наше время разрабатывается огромное количество методов с целью понизить себестоимость производства геотермальной энергии. Помимо расходов на создание развитие геотермального резервуара огромная часть издержек приходится на сам производственный процесс. Циркуляция геотермальной жидкости в резервуаре требует огромных затрат энергии для поддержания давления в нагнетательной и добывающей скважинах. На данный момент делаются попытки по понижению количества расходуемого для этих целей энергии. Одна из идей заключается в применении более «эффективного» вида геотермальной жидкости. Целью этой работы явилось моделирование добычи геотермальной энергии и получение результатов продуктивности геотермального резервуара используя при этом параметры сжиженного диоксида углерода.

Сжиженная жидкость в чистом виде представляет собой вещество, находящееся в условиях повышенного давления и температур (выше критических значений). Так называемая «сжиженная жидкость» в реальности не является ни газом, ни жидкостью, и скорее является чем-то средним между этими двумя. Диоксиду углерода в сжиженном состоянии присущи низкие значения вязкости и высокие значения плотности. Транспортные параметры диоксид углерода делают его привлекательным для добычи геотермальной энергии.

В процессе работы над тематикой был произведен целый ряд симуляции добычи геотермальной энергии с целью определения воздействия изменчивости параметров жидкости и геомеханического воздействия на сам процесс добычи в «водной» и «диоксидно-углеродной» геотермальных системах. В результате моделирования выявлен факт изменчивости таких транспортных и термодинамических параметров как плотность, вязкость, теплопроводимость и теплоемкость, что создает воздействие на добычу. Модельные симуляции также показали, что применение диоксида углерода в роли геотермальной жидкости приводит к более высоким значениям продуктивности геотермального резервуара. Этот результат находит отражение в температурных профилях добытого диоксида углерода.

Таким образом, можно сделать заключение, что система добычи геотермальной энергии диоксид углерода требует меньшее количество времени для добычи эквивалентного объема геотермального тепла чем система с нагнетаемой водой, что равноценно утверждению: диоксидно-углеродная система требует меньших затрат энергии для циркуляции жидкости.



23 – 25 апреля 2008 г.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ РАЙОНАХ

Фельдман А.Л. 1, Рыбникова Л.С. 2, Рыбников П.А. 2

1 – НПиПП «ПАНЭКС», 2 – ГУП СО «ТЦ Уралгеомониторинг», Екатеринбург, Россия Загрязнение поверхностных вод в горнопромышленных районах во многих случаях связано не

с прямым сбросом недоочищенных или загрязненных вод предприятиями в поверхностные водотоки, а с латентным загрязнением – миграцией загрязненных подземных вод от техногенных новообразований (отвалов, шламонакопителей, хвостохранилищ и т.д.). Вновь вовлекаемые в отработку месторождения полезных ископаемых часто расположены в тех же гидрогеологических структурах, что и ранее отработанные карьеры и шахты, в непосредственной близости от техногенных водоемов¸ содержащих десятки миллионов кубических метров токсичных вод. В пределах одной гидрогеологической структуры могут находиться несколько техногенных объектов (шахт, карьеров¸ отстойников¸ водозаборов)¸ принадлежащих разным недропользователям¸ которые имеют разные интересы, зачастую противоречащие друг другу.

Таким образом, управление водными ресурсами на современном этапе невозможно без решения следующих проблем:

− учет комплексного влияния на подземные и поверхностные воды взаимодействующих техногенных объектов;

− оценка масштабов латентного загрязнения подземных и поверхностных вод. Эти проблемы не могут быть решены без реализации системы мониторинга разного уровня.

Мониторинг подземных вод должен быть модельно-ориентирован, направлен на решение прогнозных задач, своевременную адаптацию и уточнение моделей, разработку экономически и экологически эффективных природо и водоохранных мероприятий /1,4/ Существующая же система государственного мониторинга подземных вод зачастую не позволяет решать поставленные задачи (таблица 1). Это связано с отсутствием «структурной связи» и полноценного методического обоснования взаимодействия между локальным и территориальным уровнем ведения мониторинга при комплексном воздействии на поверхностные и подземные воды. Такой уровень обобщения требует создания полигонов мониторинга подземных и поверхностных вод. Ядром системы мониторинга должна быть постоянно-действующая модель природно-техногенного объекта /2,3/.

На территории Уральского Федерального Округа целесообразна организация ряда полигонов мониторинга подземных и поверхностных вод¸ в частности¸ Южноуральского. Разработанная на основе постоянно-действующей математической модели водохозяйственного района программа мониторинга подземных и поверхностных вод этого полигона позволяет оценить вклад каждого из недропользователей в ущерб поверхностным и подземным водам, использование адаптационного принципа при проведении мониторинга позволило своевременно уточнить прогноз развития ситуации при изменении проектных решений.

ГЕОФИЛЬТРАЦИОННАЯ СХЕМАТИЗАЦИЯ НАДСОЛЕВОЙ ТОЛЩИ НОВО-СОЛИКАМСКОГО УЧАСТКА ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ СОЛЕЙ

Фетисов В.В.

ОАО «Галургия», Пермь, Россия В статье на основе имеющихся данных приведена схематизация надсолевых отложений Ново-

Соликамского участка Верхнекамского месторождения солей (ВКМС) применительно к задачам моделирования геофильтрации.

В стратиграфическом разрезе надсолевого комплекса пород Ново-Соликамского участка ВКМС снизу вверх выделяются следующие подразделения (рис.):

- нижнесоликамская подсвита (P1sl1), представленная соляно-мергельной толщей (СМТ). Нижняя часть СМТ, с которой связаны пласты каменной соли, называется переходной пачкой (ПП).

- верхесоликамская подсвита (P1sl2), представленная терригенно-карбонатной толщей (ТКТ). В разрезе ТКТ выделяется две литозоны: нижняя – плитняковая (мергельно-доломито-известняковая) и верхняя – известняково-терригенная, которая представлена в основном на юго-западе территории.

- шешминская свита (P1ss), представлена пестроцветной тощей (ПЦТ). Отложения шешминской свиты распространены на юге и юго-западе рассматриваемой территории.



- четверичная система (Q), с которой связаны рыхлые образования различного происхождения.

Рис.1. Субширотный геологический разрез Ново-Соликамского участка Верхнекамского месторождения солей

Надсолевой толще горных пород ВКМС соответствует верхний гидрогеологический этаж.

Верхней границей надсолевой толщи является земная поверхность, нижней – отложения березниковской свиты (P1br), являющейся региональным водоупором. Подземные воды этажа в пределах Ново-Соликамского участка ВКМС (территория СКРУ-3) связаны с нижнепермскими и четвертичными отложениями.

В надсолевой толще на рассматриваемой территории на основе действующей схемы гидрогеологической стратификации /1/ выделены следующие гидрогеологические подразделения (Иконников, 1990):

- водоносный локально-слабоводоносный четвертичный аллювиальный горизонт; - слабоводоносный локально-водоносный шешминский терригенный комплекс; - неводоносный проницаемый (сдренированный) шешминский терригенный комплекс; - водоносная соликамская терригенно-карбонатная свита. Основные ресурсы подземных вод связаны здесь с водоносной соликамской терригенно-

карбонатной свитой и слабоводоносным локально-водоносным шешминским терригенным комплексом. На основе данных геологического строения (скважины детальной разведки, структурные

скважины, режимные скважины СКРУ-3, инженерно-геологические скважины), исследовательских работ по данной территории /2, 3/, а также гидрогеологических показателей разбиение разреза применительно к задачам моделирования геофильтрации и массопереноса можно представить следующим образом.

1. Водоносный пласт аллювиальных песчано-гравийных отложений. Развит в долине рек Усолка и Селянка и их притоков мощностью до 10-15 м. Породы характеризуются средним Кф 0,1 м/сут.

2. Водоупорный пласт аллювиальных и элювиальных глинистых отложений, развитый практически повсеместно на кровле шешминских и соликамских отложений. Кф по архивным данным составляет 0,16-0,39 м/сут.

3. Водоносный пласт верхнесоликамских известняков. Мощность изменяется от 110-115 м до 10 м (северная часть исследуемой территории – долина р.Усолки). На водораздельных участках Кф



23 – 25 апреля 2008 г.

составляет 4-50 м/сут, в области разгрузки – 4-100 м/сут /3/. Разгрузка осуществляется в подрусловые отложения р.Усолки.

4. Водоупорный пласт, объединяющий нижнюю часть верхнесоликамских и верхнюю часть нижнесоликамских пород мощностью около 20 м.

5. Водоносный пласт нижнесоликамских мергелей мощностью около 10 м. По данным /2/, средняя водопроводимсоть пласта составляет 30-50 м2/сут, в прирусловых участках рек 100-120 м2/сут. Кф толщи достигают 10 м/сут /3/, что соответствует данным, представленным выше.

6. Водоупорный пласт нижнесоликамских глинистых мергелей и карбонатных глин мощностью около 30 м.

Примечание: стратиграфические подразделения, упомянутые в тексте, приведены в соответствии со Стратиграфическим кодексом России 2006 г. /4/.


1. Островский Л.А. и др. Принципы гидрогеологической стратификации бассейнов подземных вод: Методическое письмо. М.: ВСЕГИНГЕО, 1988. 31 с. 2. Лехов А.В. Отчет о гидрогеологическом моделировании «Оценка влияния солеотвала СКРУ-2 на подземные воды». Пермь: ЕНИ ПГУ, 2007. 3. Мольский Е.В., Петров Н.С. и др. Гидрогеологические исследования в связи с охраной подземных вод на шахтных полях рудоуправлений ПО «Сильвинит». Л.: ЛГИ, 1988. 4. Стратиграфический кодекс России. Издание третье. СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 2006. 96 с.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ (NIMFA-PHREEQC)

Хархордин1 И.Л., Горев2 И.В.

1 – СПбО ИГЭ РАН, Санкт-Петербург, 2 – РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров, Россия

На протяжении последних нескольких лет РФЯЦ-ВНИИЭФ совместно с СПбО ИГЭ РАН и НИИММ КГУ разрабатывается пакет прикладных программ для моделирования широкого круга гидрогеологических процессов /1/. Включение в модель химических процессов выполнено через включение в пакет NIMFA программы PHREEQC, разработанной в геологической службе США /2/. PHREEQC предназначена для решения широкого круга геохимических задач и позволяет моделировать следующие процессы:

• распределение элементов по формам нахождения в растворе; • реакции ионного обмена и поверхностного комплексообразования; • равновесие с многокомпонентной газовой фазой; • прослеживать изменения в составе твердой фазы, автоматически определяя равновесную

минеральную ассоциацию; • конвективно-дисперсионный одномерный массоперенос с учетом химических реакций; • решение обратных задач – анализ возможных процессов па данным изменения

химического состава вдоль линии тока. При ее сопряжении с пакетом NIMFA, миграционный модуль PHREEQC не задействуется, а

задача многокомпонентного массопереноса решается отдельно в трехмерной постановке. Тестирование комплекса NIMFA-PHREEQC осуществлялось на двух задачах: 1) внедрение

нитратных урансодержащих стоков в водоносный горизонт, в составе водовмещающих пород которого присутствует пирит; 2) миграция растворов с повышенными концентрациями стронция в породах, содержащих гипс.

Как в первом, так и во втором случае происходит формирование подвижных геохимических барьеров, на которых становится возможным вторичное концентрирование компонентов (урана и стронция, соответственно) в растворе и образование новых фаз на фронте вытеснения.

Получена удовлетворительная сходимость результатов расчетов, выполненных с использованием встроенного миграционного модуля PHREEQC и комплекса NIMFA-PHREEQC.


1. Базин А.А., Бакулин В.Е., Горев В.В., Горев И.В., Дерюгин Ю.Н., Губкова Г.Н., Еремин А.Д., Зеленский Д.К., Козелков А.С., Павлуша И.Н., Панов А.И., Резяпов А.А., Рябов Е.И., Селин В.И.,



Сизова Л.И., Шемарулин В.Е. (РФЯЦ⎯ВНИИЭФ), Коносавский П.К, Румынин В.Г., Румянцев В.А., Хархордин И.Л.(СПбО ИГЭ РАН), Алимов М.М., Костерин А.В., Савельев А.А., Храмченков М.Г., Чекалин А.Н. (НИММ Казанского университета). «Программный комплекс НИМФА. Численное моделирование течений в пористых средах.» IX Международный семинар СУПЕРВЫЧИСЛЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, 3-7 октября 2006 года г. Саров.

2. Parkhurst D.L. User's guide to PHREEQC: a computer program for speciation, reaction-path, advective transport, and inverse geochemical calculation. U.S.G.S. Water Resources Invs. Rept. 95-4227, 1995, 143 pp.

ПРОГНОЗНЫЙ РАСЧЕТ МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ С ЗАГРЯЗНЕННЫХ УЧАСТКОВ ТЕРРИТОРИИ ГП «МЗП»

Шарафутдинов Р.Б., Талицкая А.В.

ФГУ «Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности» Ростехнадзора, Москва, Россия

В период с 1934 по 1972 гг. на Государственном предприятии «Московский завод

полиметаллов» (ГП «МЗП»), расположенном в Южном административном округе г. Москвы производилась редкоземельная продукция, торий и уран из руд редких и радиоактивных элементов. В результате производственной деятельности часть сооружений предприятия и промплощадки были загрязнены радиоактивными веществами.

С 1995 г. по настоящее время на предприятии выполнен значительный объем исследований по выявлению радиоактивных загрязнений в зданиях, сооружениях, на поверхности и в вертикальном профиле грунтов промплощадки предприятия. Предприятием выполнены работы по дезактивации 23 корпусов, а так же проведены работы по ликвидации радиоактивно загрязненных участков территории предприятия с выемкой грунтов до глубины 1 м. Несмотря на проведенные работы остались загрязненные грунты на глубине 1 – 15 м /1/.

Целью работы являлось проведение долгосрочного прогноза миграции радионуклидов 238U, 226Ra, 232Th, 137Cs, 40K с загрязненных участков территории ГП «МЗП в р. Москва с подземными водами (верховодка).

Процесс миграции радионуклидов с загрязненных участков территории был представлен следующим образом: инфильтрующиеся атмосферных осадки выщелачивают радионуклиды из загрязненных пород и переносят в верховодку. Далее перемещение радионуклидов происходит в основном, за счет конвективного переноса с движущейся водой.

В целях проведения прогнозного расчета на территории ГП «МЗП» были выделены три радиационно-загрязненных участка (рис. 1) по данным гаммакаротажа.

Участок 1

Участок 3

Участок 2

Рис. 1. Загрязненные участки территории ГП "МЗП" на глубине 1 - 15 м

Для моделирования миграции радионуклидов из загрязненных участков территории ГП «МЗП»

в геосферу использовался метод камерного моделирования с применение программы AMBER 4.4 /2/. Полученные результаты расчетов позволяют сделать следующие выводы:



23 – 25 апреля 2008 г.

- Не прогнозируется превышение уровней вмешательства, установленных в приложении П-2 Норм радиационной безопасности (НРБ-99) ни по одному из исследованных радионуклидов в воде верховодки в месте ее разгрузки в р. Москва.

- Из-за ничтожно малых величин пиковых значений удельной активности радионуклидов в месте разгрузки верховодки в р. Москва и достаточно быстрого течения реки прогнозируемое поступление радионуклидов в реку пренебрежимо мало.


1. Крюков В.В., Дмитриев С.А., Сотсков В.Т., Баринов А.С., Беликов Д.Ф. Ликвидация очагов радиоактивного загрязнения и вывод из эксплуатции радиационно-опасных объектов Государственного предприятия «Московский завод полиметаллов» Министерства РФ по атомной энергии.//13-я ежегодная конференция Ядерного Общества России. Тезисы докладов. Москва, 2002

2. QuantiSci. AMBER 4.0 Reference Guide. QuantiSci Report QSL-5046A-1, Version 1.0, QuantiSci Limited, Culham. 2000

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ МИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ В МОРЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ

Швец В.М.1, Прозоров Л.Б.2, Мартьянов В.В.2, Платонова А.В.1, Корнева С.А.2

1 – РГГРУ им. С. Орджоникидзе, 2 – ГУП МосНПО "Радон", Москва, Россия

Площадка ГУП МосНПО «Радон», на которой с 1961 года размещаются отходы промышленных, научных и медицинских организаций низкого и среднего уровня активности Центрального региона РФ, находится на северо-востоке Московской области на водоразделе северного склона Клинско-Дмитровской гряды. Вмещающие породы на площадке представлены покровными суглинками pr QIII, мощностью до 4 метров, которые подстилаются толщей моренных отложений московского и донского оледенений, мощностью до 60 метров (g QI+IIds+ms). В покровных и моренных суглинках отмечается присутствие грунтовых и подземных вод, приуроченных к зонам разуплотнения пород и к линзам песчаных разностей. Ниже толщи моренных отложений залегают водоносные горизонты верхнемелового возраста. В настоящее время интенсивность нисходящего потока, питающего водоносные горизонты, составляет для этого района в среднем 3·10-4 м/сут /1/.

Моделирование проводилось для определения миграционных параметров вмещающих пород по данным контрольного бурения, а также для оценки возможности попадания радионуклидного загрязнения в верхнемеловые водоносные горизонты

Исходя из условий задачи и геометрических размеров хранилища, поток загрязнения под хранилищем схематизирован как плосковертикальный в разрезе, направленный по осям X и Z при ∆у = 1 м. Ширина модели по оси X – 40 м, глубина по оси Z – 60 м. За относительную плоскость сравнения принята нижняя граница модели.

Граничные условия: на поверхности земли задается постоянное среднегодовое инфильтрационное питание W = 5·10-4 м/сут /1/, на нижней границе - постоянный уровень Н1 = 20 м /3/, также задаются постоянные уровни в дренах равные Н2 = 59,5 м /4/ в верхней части модели. Режим фильтрации рассматривается стационарным.

В качестве критериев подбора при калибровке фильтрационной модели использовались значения коэффициентов фильтрации, в качестве параметров согласования – величина глубинного перетока и наблюдаемые уровни подземных вод. На основе откалиброванной фильтрационной модели решалась обратная задача по определению миграционных параметров.

Миграционная модель рассматривалась в тех же геометрических размерах, как и фильтрационная. Параметры миграции задавались в виде диапазона наиболее вероятных значений (таблица 1).

Таблица 1. Параметры миграционной модели Коэффициент

распределения kd, м3/г

Эффективная пористость,

nэ

Геометрический параметр

неоднородности δ1, м

Коэффициент фильтрации под дном хранилища к, м/сут

Период полураспада

загрязнения t1/2, лет

8·10-7 - 4·10-5 1 - 70 0 – 1,0 0,002 – 0,1 0 - 30 Для выявления чувствительности миграционной модели на изменение указанных параметров

было решено 29 вариантов задачи распространения загрязнения под дном хранилища на период 20



000 сут (55 лет). Результаты моделирования сравнивались с фактическими значениями концентраций 137Cs под хранилищами №№ 3 и 12.

Глубина проникновения 137Cs сильно различается из-за неоднородного строения пород. Под хранилищем № 3 (45 лет эксплуатации) по данным контрольного бурения относительная концентрация с = 0,00007 встречена на глубине 1,5 м. Под хранилищем № 12 (23 года эксплуатации) на глубине 1,5 м относительная концентрация с равна 0,0005, достигая уровня 0,00007 на глубине 2,5 м. Тем не менее, наилучшие совпадения по концентрациям загрязнений под обоими хранилищами были достигнуты при одинаковых значениях Kd = 7·10-6 м3/г (nэ = 12).

Для долгосрочного прогноза миграции 137Cs на период в 300 лет, равный 10 периодам полураспада, рассматривались два варианта, соответствующие сформировавшимся условиям под хранилищами № 3 и № 12. Дополнительно на тех же моделях при сохранении параметров, полученных в результате калибровки, были рассмотрены два варианта для прогноза миграции трития, как несорбируемого компонента отходов, на период до 120 лет.

Анализ графиков изменения концентраций 137Cs свидетельствует о наступлении стабилизации роста концентраций во времени на разных глубинах. Для хранилища № 3 эта стабилизация происходит через 50 лет на глубине 0,5 м под дном хранилища и через 150 лет на глубине 3,5 – 4,0 м. При этом концентрация 137Cs на этой глубине (вариант с δ1 = 0,1 м) стабилизируется на уровне с = 0,001, то есть практически соответствует уровню вмешательства (УВ) /2/. Для хранилища № 12 концентрация 137Cs равная 0,001 (вариант с δ1 = 1 м) достигает глубины 5,0 метров, хотя и здесь стабилизация роста загрязнений наступает через 150-200 лет.

Для трития стабилизация роста концентраций происходит раньше, через 20 лет на глубине 0,5 – 1 метра и через 100 лет на глубине 10 – 12 метров. При этом уровень вмешательства для данного компонента выше, чем для 137Cs и составляет с = 0,5. После стабилизации загрязнение по тритию равное УВ не выйдет далее 20 метров от дна хранилищ.

Таким образом, результаты моделирования показали, что - фактическая величина коэффициента распределения подстилающих суглинков равна Kd =

7 10-6 м3/г, - показатель дисперсии δ1 изменяется от 0,1 до 1 м, - процессы дисперсии, связанные с неоднородным строением моренных суглинков,

наличием прослоев и линз песка оказывается одним из определяющих факторов переноса загрязняющих веществ

- распространение загрязнений с концентрацией, соответствующей уровню вмешательства не превысит для 137Cs глубины 4-5 м, для трития - глубины 20 м.

Вывод: по результатам выполненного моделирования загрязнение верхнемеловых водоносных горизонтов в результате хранения РАО на площадке ГУП МосНПО "Радон" представляется маловероятным.


1. Ефремов Д.И. и др. Отчет по теме: «Региональная переоценка эксплуатационных запасов

пресных подземных вод центральной части Московского артезианского бассейн (Московский регион)», ФГУП «Геоцентр – Москва», М, 2002г.

2. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). СП 2.6.1. 758 – 99, Минздрав России, 1999 3. «Отчет о разведке площадки сооружения первой очереди демонстрационного могильника

скважинного типа», Гидроспецгеология, Гидрогеологическая экспедиция №30, Александров, 1995 г« 4. Создание системы геомониторинга хранилищ приповерхностного типа на территории зоны

строгого режима Загорского полигона ГУП Мос НПО «Радон». Отчет о НИР по теме 4.03.04 (промежуточный отчет)/ ГУП МосНПО «Радон», инв. №64с. М. -2006 г. – 148 с.



23 – 25 апреля 2008 г.

ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ Г.АШХАБАДА ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВОДОПОНИЖЕНИЯ

Экдышман А.С., Вопилова А.С. ОАО «Специализированное горное строительно-технологическое управление ВИОГЕМ», Белгород,

Россия В последние годы на территории г. Ашхабада произошел интенсивный рост уровней

подземных вод, что негативно сказалось на гидрогеологических условиях интенсивно развивающегося города с современными жилыми комплексами, дворцами, парками, площадями и сетью инженерных коммуникаций.

Основные особенности природных условий территории заключаются в преимущественном распространении в зоне подтопления слабопроницаемых мелкоземных грунтов селевого происхождения, которые под воздействием гидростатических и динамических нагрузок могут переходить в неустойчивое плывунное состояние, вызывая при определенных условиях суффозионный вынос грунта. Эти отложения снизу подстилаются гравийно-галечниковыми отложениями, в южной части города выходящими на поверхность. Фильтрационные свойства этих горизонтов значительно отличаются – средний коэффициент фильтрации мелкоземов 0,1…0,3 м/сут., гравийно-галечников – 1…5 м/сут.

Верхний водоносный горизонт безнапорный, в гравийно-галечниках на юге – безнапорный, севернее – напорный или напорно-безнапорный.

Питание водоносных горизонтов происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, ирригационных вод, потерь из водонесущих коммуникаций и притока из конуса выноса предгорной части. Разгрузка – в Канал Каракум-Дарья, за счет водоотбора системой вертикальных скважин, испарения и оттока вдоль границы предгорной равнины.

Фильтрационная задача с соответствующими начальными и граничными условиями решалась методом численного моделирования (совместно с НТЦ «НОВОТЭК»). Для решения использована программа MODFLOW, предназначенная для моделирования пространственных задач фильтрации методом конечных разностей. Эта программа позволяет отразить на модели все элементы баланса, в том числе важнейшие из них – переменное испарение (в зависимости от глубины залегания уровней), интенсивность перетекания между нижним и верхним водоносными горизонтами, работу существующей дренажной системы.

В задачу математического моделирования входило рассмотрение режима фильтрации в региональном плане для всей территории города с учетом взаимодействия всех дренажных сооружений. С другой стороны, для выбора конкретных конструктивных элементов и достаточно точного отражения их на модели (число дренажных устройств, местоположение и т.д.) требуется более детальное рассмотрение, чем позволяет региональная модель. В связи с этим, на основании данных, полученных на региональных моделях, были построены локальные модели (для отдельных дренажных узлов или их групп) с использованием более высокого уровня дискретизации. Общая площадь моделирования в плане составляла 270 км2 с разбивкой на блоки сеткой 50 х 50 м. В разрезе двухслойная толща была представлена в виде трех слоев (за счет разделения верхнего водоносного горизонта на слой песчано-супесчаных грунтов и нижний подстилающий их слой суглинистых, менее проницаемых пород).

В результате многовариантного моделирования к реализации рекомендована система лучевого дренажа с разгрузочными скважинами, включающая 61 дренажный узел.

Расположение лучевых дренажей приурочено к строящемуся дренажно-коммуникационному тоннелю (ДКТ), в который предусмотрен отвод дренажных вод..

Каждый комплекс лучевого дренажа включает разгрузочную скважину на водоносный горизонт в гравийно-галечниковых отложениях и лучевые дренажные скважины на верхний горизонт в песчано-супесчаной толще. Работа дренажной системы обеспечивает нормативное снижение уровня подземных вод – до глубины 4…6 м в полосе шириной около 1000 м.

Одним из основополагающих факторов выбора способа осушения в грунтах г.Ашхабада, кроме достаточной эффективности водопонижения, явилась способность лучевого дренажа надежно ограничить возможность возникновения суффозионных процессов при водопонижении, подтвержденная оценочными расчетами, а применяемые технологии, технические средства, конструкции и приспособления исключают нарушение устойчивости грунтов в процессе строительства.



Частичная реализация системы лучевого дренажа (в настоящее время построено 32 комплекса) показала надежность системы с точки зрения сохранения устойчивости грунтов.

К сожалению, отсутствие к настоящему времени скважин режимной сети не позволяет однозначно судить о величине сниженного уровня в районе действия дренажа, а работа его по временной схеме водоотведения не позволяет включить скважины на полную производительность. Тем не менее, пробные запуски скважин после их сооружения свидетельствуют о достаточной сходимости фактических и прогнозируемых притоков. При этом, в отличие от прогноза, в значительном количестве случаев большая доля притока к системе приходится на лучевые скважины, закладываемые в песчано-супесчаной толще верхнего водоносного горизонта. Это свидетельствует о недостаточной изученности фильтрационных свойств гравийно-галечниковых грунтов, проницаемость которых в модели была несколько завышена.

Косвенным оценочным признаком эффективности дренажа может быть осушение прежде подтопленных приусадебных участков, скверов, подвальных помещений в зоне действия дренажа.

В целом, анализируя имеющиеся фактические данные по работе дренажной системы, можно сказать, что, в принципе, принятая схематизация природных условий и метод математического моделирования в достаточной мере отражают реальные условия природных фильтрационных процессов территории города. Ниже приведена таблица сравнительных значений фактических и прогнозных притоков к отдельным комплексам лучевых дренажей.

Таблица 1

Обозначение лучевого дренажа

Притоки, м3/сут. из лучевых скважин

фактические прогнозные

из разгрузочных скважин фактические прогнозные

итого по дренажу

фактические прогнозные

Лучевой дренаж ЛД-6 700_ 1120

860_ 330

1560_ 1450


560_ 900

1080_ 1060


610_ 1270

1220_ 1480


320_ 1250

1370_ 1590


260_ 1250

1430_ 1650



23 – 25 апреля 2008 г.

ДЛЯ ЗАМЕТОК

Documents

САНКТ ПЕТЕРБУРГСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТА …hge.spbu.ru/download/sbornik.pdfМ.В. ЛОМОНОСОВА ... Гончаренко Д.Б. ЧИСЛЕННОЕ