авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 15 |

«3 Оглавление О ГЛАВ Л ЕН И Е ...»

-- [ Страница 6 ] --

2.4. Технология оценки индекса защищенности скважин. Для ос тавшихся после очистки данных 24 530 скважин был расчитан индекс защищенности, который учитывал толщину и фильтрационные свойст ва слоев, залегающих над уровнем грунтовых вод. Отдельные про граммные утилиты были созданы для определения первого водоупорно го слоя и определения напорный или безнапорный режим фильтрации характерен для каждой скважины. Результаты расчетов показали, что на участках докембрийского Канадского Щита 93% скважин практически не защищены от загрязнений. Результаты оценки были нанесены на карты отдельных муниципалитетов и направлены владельцам скважин для дальнейшего анализа угрозы загрязнений.

2.5. Технология оценки защищенности зон захвата водозаборов.

Численные 3-мерные модели геофильтрации были созданы для каждо го водозабора с помощью пакета програм Visual MODFLOW/ MODPATH. Размеры зоны захвата водозабора были расчитаны для периодов 2, 10 и 25 лет. Для того, чтобы учесть эффекты неопреде ленности и недостатка информации на геометрию зон захвата, анализ чувствительности модели был произведен согласно [1]. Aнализ чувст вительности показал, что только вариации проводимости основного водоносного пласта и эффективной пористости влияют на геометрию зон захвата. Карты зон захвата водозаборов затем использовались для идентификации и зачистки потенциальных источников загрязнения, попавших в эти зоны.

Теоретические и прикладные аспекты региональной гидрогеологии Рис. 1. 25-летняя зона захвата водозабора города Брайтон, Онтарио Заключение Пример принятия Закона о Чистой Воде показавает, что совместные усилия общественных групп и законодателей могут привести к созда нию эффективной правовой основы для восстановления загрязненных поверхностных и подземных вод. Сильное государство, выделение ре сурсов и эффективный труд специалистов в союзе с общественностью позволили повернуть ход процесса и существенно очистить загрязнен ные реки и озера.

Для противодействия компаний-загрязнителей и чиновников, сабо тирующих его выполнение, Закон наделил граждан правом привлекать к суду отдельных загрязнителей или государственных чиновников для того, чтобы защитить водные источники, используемые для жизни и отдыха. Именно этот юридический механизм стал основным средством обеспечения выполнения Закона.

Трагедия с прорывом животноводческих стоков в водозаборную систему г. Валкертон была расследована комиссией судьи О’Коннора.

Рекомендации комиссии послужили движущей силой регионального анализа защищенности водозаборов подземных вод, что породило 174 О.А. Серебрякова, А.О. Серебряков дальнейшее развитие технологий гидрогелогических исследований и контроля загрязнения.

Литература 1. ASTM (American Society for Testing and Materials), Standard Guide for Conducting a Sensitivity Analysis for a Ground-Water Flow Model Application.

Designation D 5611-94. 1996.

2. Gogolev, M.I. and others. 1-D Unsaturated zone groundwater flow and contaminant transport modeling using VLEACH, PESTAN, VS2DT and HELP).

WHI UnSat Suite user’s manual. WHI publication. P. 246. 1999.

3. MOE (The Ontario Ministry of the Environment). 2001. Groundwater Studies 2001/2002. Technical Terms of Reference. ISBN 0-7794-2398-4. 50 p.

4. Richardson C.W. & Wright D.A. WGEN: a model for generating daily weather variables. US Department of Agriculture, Agricultural Research Service, ARS – 8.

1984.

5. Schroeder P.R. and others. The hydrologic evaluation of landfill performance (HELP) model, EPA publication EPA/600/R-94/168b. 1994.

6. Justice Dennis O'Connor. The Walkerton Report, Part Two, discussed water safety across the province and the steps needed to prevent similar tragedies. Ninety three recommendations. 2002.

ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПЛАСТОВЫХ ВОД ДЛЯ ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТЕЙ НА МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ О.А. Серебрякова, А.О. Серебряков Астраханский государственный университет;

414000, пл. Шаумяна 1;

тел. 52-49-99;

e-mail: Geologi2007@yandex.ru Гидрогеодинамические исследования подземных вод морских ме сторождений выполняются с целью выяснения возможного присутствия пластовых вод в товарной продукции, получаемой на скважинах. Ис следования пластовых вод по морскому геологическому разрезу от чет вертичных отложений до альбских, аптских, неокомских, триасовых и каменноугольных продуктивных горизонтов северной акватории, уста новили увеличение минерализации вод вниз по гидрогеологическому разрезу от 8 г/дм3 хлормагниевого типа в морских водах до 10–30 г/дм сульфатнонатриевого типа в четвертичных и хвалыно-хазарских отло жениях (Тюлений) и от 75–79 г/дм3 для альбских вод до 80–82 г/дм3 в аптских и неокомских водах и до 120 г/дм3 и более хлоркальциевого типа в триасовых (Хвалынское, Ракушечное, Филаноское, Центральное и др.) и каменноугольных водах (Кашаган, Тенгиз и др.) (табл. 1). От личительной чертой вод продуктивных горизонтов является высокое Теоретические и прикладные аспекты региональной гидрогеологии содержание йода до 15 мг/дм3 и брома до 150 мг/дм3, а также изменение соотношений растворенных компонентов в зависимости от расстояния до продуктивной залежи, что может служить поисковыми критериями.

По данным PVT-исследования, воды продуктивных горизонтов недона сыщены газом, коэффициент газонасыщенности достигает 0,9 в подош венных водах, уменьшаясь с удалением от залежи до фоновых значений 0,2–0,3. Исследования совместимости морских вод с водами продук тивных горизонтов в соотношениях от 9:1 до 1:9 подтверждают отсут ствие осадков в смесях, что позволяет рекомендовать закачку морских вод для поддержания пластового давления при эксплуатации и повы шения коэффициента извлечения нефти (КИН).

Таблица Характеристика пластовых вод продуктивных горизонтов Каспийского моря Компоненты Карбон Юра Неоком Апт Альб Пластовое давление, Мпа(а) (рпл) 40 16 15,7 14,8 Пластовая температура, °С (Тпл) 110 70 69 67 Давление газонасыщенности воды 90 15 14,3 12,4 10, в пластовых условиях (рг) Газосодержание (ГФ), м3/м3 80 1,6 1,53 1,3 1, Объемный коэффициент воды 1,15 1,1 1,02 1,01 1, в пластовых условиях, м3/м Плотность воды в пластовых 1090 1060 1050 1050 условиях, кг/м3, gв Вязкость воды в пластовых 0,6 0,05 0,49 0,52 0, условиях, мПас Удельное сопротивление воды 0,04 0,04 0,04 0,05 0, в пластовых условиях, Омм Плотность водорастворенного газа, 0,9 0,88 0,87 0,87 0, кг/м3, gв Гидродинамические исследования повышения коэффициента извле чения нефти предусматривают определение полноты извлечения нефти из образца нефтесодержащей породы за счет фильтрации через него пла стовой воды до практически полной обводненности продукции, т.е. вы теснение нефти максимально приближается к гидродинамическим ус ловиям залежи за счет применения пластовых вод с поддержанием температуры, пластового и геостатического давлений. Определение ко эффициента вытеснения нефти (КИН) пластовой водой проводится на установке высокого давления для исследования проницаемости керна типа УМК-5-5.

176 О.А. Серебрякова, А.О. Серебряков При исследовании совместного течения жидкостей в пористой среде необходимо соблюдать условия подобия реальному углеводородному скоплению. Согласно исследованиям Д.А. Эфроса и В.П. Оноприенко (2, 3), пластовые параметры залежи при использовании натуральных пород пористой среды достигаются при условиях (2, 3 и др.):

L 0,5 106, 0,5, 2 = 1 = K D K K п D где – межфазное натяжное, дин/см;

K – проницаемость образца для однородной жидкости, 10–3 мкм2;

Kп – пористость, доли единицы;

D – перепад давления, кгс/см2;

L – длина образца, см;

1 – отношение пере падов капиллярного и гидродинамического давлений;

2 – соотношение между градиентами давлений.

Для обеспечения градиента давления минимальная длина образца пород определяется по зависимости (2, 3 и др.):

Lmin = 1000 Kпр m, мм, где: Kпр – проницаемость, мкм2;

m – пористость, доли единицы.

Для сопоставимости экспериментальных исследований проницае мости образцов пород с фактическими данными используются материа лы гидродинамических, промысловых исследований, проведенных в продуктивных горизонтах, а также экспериментальное исследование особенностей пластовых флюидов. В процессе геогидродинамических исследований моделируется геостатическое (горное) и пластовое давле ние и температура. Для экспериментальных работ песчаники продук тивного гиризонта предварительно экстрагировались и высушивались до постоянного веса и до известных значений коэффициента пористо сти и проницаемости. Характеристика пород горизонтов и нефтей, а также результаты исследований коэффициентов вытеснения нефти во дой приведены в таблицах 2, 3, 4. В соответствии с данными анализов пластовой воды и нефти изготавливаются их пластовые модели, либо рекомбинированная проба пластовой нефти. В табл. 2 приведены физи ко-механические параметры пластовой нефти и воды. Перед проведе нием испытания на подготовленных образцах методом капиллярной вытяжки создается водонасыщенность остаточной воды в породе в пла стовых условиях. Вытеснение нефти из образца производится при по даче воды с постоянной скоростью.

Линейная скорость подачи воды вычисляется по зависимости (2, и др.):

Теоретические и прикладные аспекты региональной гидрогеологии 864,3 Q, Vлин = F K п (1 Sв.ост ) (1 выт ) где Vлин – скорость линейная, м/сут;

Q – расход закачиваемой воды, см3/с;

F – площадь поперечного сечения образца, см2;

Kп – пористость, доли единицы;

выт – условно принимаемая величина коэффициента вытеснения 0,5, доли единицы;

Sв.ост – остаточная водонасыщенность, соответствующая пластовым условиям, доли единицы.

Таблица Параметры нефти и воды Вода при пластовой Параметры Нефть температуре 70°С 0,53 0, Вязкость, мПас Плотность кг/м3 690 Минерализация Давление насыщения, МПа 800 кг/м Объемный коэффициент, доли ед. 1, Газовый фактор, м /т Асфальтены, % масс 0, Парафины, % масс 8, Смолы силикагелевые, % масс 2, Нагнетание пластовой воды происходит до полного обводнения пустотного пространства породы.

Коэффициент вытеснения нефти (КИН) водой рассчитывается по зависимости (2, 3 и др.):

1 Sв.ост Sн.ост, = 1 Sв.ост где – коэффициент вытеснения нефти водой;

Sв.ост – содержание ос таточной воды в породе в пластовых условиях, дол.;

Sн.ост – содержание нефти после вытеснения водой в опытном образце пород, дол.

Vн.нач. Vн, S= Vн.нач. = Vпор Vв.ост.

Vпор где Vпор – объем пор пород, см3;

Vв.ост. – объем остаточной воды в поро де, см3;

Vн.нач. – объем нефти первоначально содержащийся в образце, определяемый по разности объемов пустот и остаточной воды, см3.

178 О.А. Серебрякова, А.О. Серебряков Теоретические и прикладные аспекты региональной гидрогеологии Динамика вытеснения нефти пластовой водой из продуктивных пес чаников приводится в табл. 4.

Таблица Динамика вытеснения нефти пластовой водой Объем прокачанной жидкости Наименование Параметры Vпрокачанный /Vпор, доли ед.

вытесняющего вытеснения агента 0,35 1 2 3 4 Перепад давления, 0,69 1,49 2,3 2,32 2,35 2, Модель Р, кгс/см пластовой Коэффициент воды 28,7 50 55 55,5 55,9 55, вытеснения, % По измерениям значений перепада давлений для фиксированных соотношений нефти (Кн) и воды (Кв) рассчитываются фазовые прони цаемости по уравнению Дарси (3, 4) и др.:

Qнi µ н L Qнi µ н L ;

.

Kн = Kв = F P F P 1 Литература 1. Вода для заводнения нефтяных пластов // ОСТ 39-225-88.

2. ГОСТ 26450.2.-85. Породы горные. Методы определения коллекторских свойств // М., Изд-во стандартов. – 1985. 16 с.

3. Метод лабораторного определения остаточной водонасыщенности кол лекторов нефти и газа по зависимости насыщенности от капиллярного давле ния // ОСТ 39-204-86. – М., Миннефтепром, 1986. 23 с.

4. Серебрякова О.А. Характеристика газов новых месторождений северной части Каспийского моря // Газовая промышленность. – М., 2012, № 4. С. 45–52.

180 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) ГИДРОГЕОДИНАМИКА (памяти В.М. Шестакова) ХРАНИЛИЩЕ ОТХОДОВ ЗАГЛУБЛЕННОГО ТИПА И СПОСОБ ЕГО СОЗДАНИЯ В.М. Шестаков, И.К. Невечеря Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова В 2012 г. получен патент на изобретение RU 2465076 С1 «Храни лище отходов заглубленного типа и способ его создания» (авторы В.М. Шестаков, И.К. Невечеря). Изобретение предназначено для ис пользования в городском промышленном коммунальном хозяйстве пу тём создания хранилища твёрдых бытовых и промышленных отходов (ТПБО). Для создания предлагаемого типа хранилища обязательным является выявление геологических условий, при которых верхняя тол ща песчано-глинистых отложений, располагаемая на глубине порядка 20–50 м, подстилается выдержанным региональным водоупором.

В предлагаемом типе хранилища твёрдые отходы укладываются в предварительно вырытый котлован, в нижней части которого оставля ется целик суглинистых и/или глинистых грунтов, под которым нахо дится песчаный слой. Хранилище сооружается таким образом, что фильтрат из него проходит через суглинистый/глинистый экран, в кото ром задерживаются хорошо адсорбируемые токсичные компоненты.

После этого фильтрат поступает в горизонтальные трубчатые дрены, закладываемые в нижележащий песчаный слой по контуру хранилища.

Для создания дренажа под защитой водопонижения производят допол нительно вскрытие прорезей в суглинисто-глинистом целике по конту ру котлована до песчаного слоя для закладки в нем горизонтальных дрен на глубине 1–2 м.

В эти же дрены поступает фильтрационный поток из окружающей хранилище территории. Из дрен вода поступает в шахты, из которых насосами откачивается на поверхность земли, где, при необходимости, перед сбросом в близлежащий водоток, проходит дополнительную очи стку. Таким образом, в предлагаемом техническом решении предусмат риваются два этапа очистки фильтрата. Первый этап осуществляется, когда очистка происходит на целике глинистых и/или суглинистых В.М. Шестаков, И.К. Невечеря грунтов, которые играют роль сорбционного (фильтрующего) экрана, причём в нём используется естественная сорбционная ёмкость глини стых пород. На завершающем этапе при необходимости используется дополнительная очистка фильтрата в очистных сооружениях. После заполнения хранилища производится рекультивация его поверхности с покрытием зелёными насаждениями. Выемка грунта под котлован про изводится под защитой строительного водопонижения. В качестве та кового могут использовать системы контурных дренажных скважин или этажные иглофильтры.

Наиболее близкими к предлагаемому в настоящем изобретении ре шению проблемы противофильтрационной защиты закрытого полигона ТПБО является предложение МосВодоканалПроекта по депонированию илового осадка в районе «Марьинский парк» г. Москвы [1]. Для храни лища осадков канализационных стоков сооружен котлован от поверхно сти земли до кровли слоя песчаных отложений, залегающих на регио нальном водоупоре (юрские глины). На дне оставлен целик песчаных пород мощностью до 6 м. Для защиты от притока грунтовых вод в котло ван по его контуру создана противофильтрационная завеса способом «стена в грунте», прорезающая водоносный пласт в песчаных отложени ях целика до водоупора (на глубину примерно 20 м). Кроме того, для дренирования хранилища используется система вертикального дренажа.

Эксплуатация этой системы обнаружила её низкую эффективность, при чём так и не была доказана целесообразность устройства завесы, что привело к существенному удорожанию строительства хранилища, при этом вертикальный дренаж из-за малого притока к скважинам работал в крайне неравномерном режиме насосов в скважинах. Здесь следует отме тить низкую эффективность системы откачки в сочетании с устройством фильтрационной завесы, что приводит к высоким эксплуатационным расходам на единицу объёма откачанного фильтрата.

Близким к заявленному в изобретении техническому решению явля ется предложение В.М. Шестакова [3], в котором хранилище заклады вается непосредственно на региональном водоупоре (юрские глины).

В основании тела хранилища устраивается горизонтальный пластовый дренаж. В качестве недостатков этого предложения можно отметить отсутствие сорбционного экрана на дне хранилища и необходимость устройства дренажа под всей поверхностью дна.

По сравнению с существующими решениями по устройству храни лищ закрытого типа, в изобретении новым является особое устройство основания хранилища. Оно предусматривает:

– наличие, по меньшей мере, двух естественных экранов, а именно:

по меньшей мере, одного – сорбционного – непосредственно в основа 182 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) нии хранилища и второго, расположенного ниже, – в виде естественно го водоупора, практически исключающего перетекание фильтрата через него в нижележащие водоносные горизонты;

– устройство горизонтального дренажа между этими экранами (или, если сорбционных экранов несколько, между нижним из сорбционных экранов и региональным водоупором) для отвода фильтрата и прите кающего фильтрационного потока;

В качестве дополнительной защиты от загрязнения фильтратом окружающей среды предусматривается использование очистных со оружений на поверхности земли. Такое устройство хранилища, осно ванное на наиболее полном использовании естественных возможностей гидрогеологического и инженерно-геологического строения выбран ного по изобретению участка, позволяет исключить необходимость сооружения искусственного экрана по дну котлована, что существен но снижает расходы на создание хранилища. При наличии в верхних частях разреза проницаемых (песчаных или песчано-гравийных) по род может быть предусмотрено их экранирование в бортах откосов хранилища.

Преимуществом такого типа хранилища является естественный ха рактер экранов, что предохраняет от практически обязательных недос татков искусственно сооружённых барьеров, которые обусловливаются сложностью технологии их устройства и высокой стоимостью. Таким образом, в предлагаемом решении реализуется возможность отказа от дорогих искусственных экранов и максимальная защита подземных вод от техногенного загрязнения.

Принцип предлагаемого решения, обеспечивающий его эффектив ность, исходит из возможно более полного использования строения гео логической среды для управления потоком фильтрата из хранилища. С этой целью применяется система двух естественных экранов в основании хранилища: сорбционного экрана в дне хранилища и регионального во доупора под ним с естественным дренажным слоем и горизонтальными дренами между ними. Фильтрат, проходя через фильтрационный (адсор бирующий) экран, отдаёт часть токсичных компонентов, после чего, с учётом защиты от перетекания вниз региональным водоупором, поступа ет в горизонтальные дрены. Далее откачкой из дрен фильтрат подаётся на очистные сооружения, где доводится до состояния, пригодного для сбро са в ближайшие естественные водотоки. Кроме того, внешний приток к горизонтальным дренам служит гидравлическим барьером для защиты от проникновения фильтрата в горизонт грунтовых вод.

После заполнения хранилища до уровня поверхности земли прово дится полная рекультивация территории. При этом уровень воды в дре В.М. Шестаков, И.К. Невечеря наже поддерживается на глубине, необходимой для требуемого мелио ративного эффекта на окружающей территории.

Предлагаемый здесь способ создания хранилища и эксплуатация за явленного по изобретению хранилища позволяют получить ряд поло жительных эффектов и преимуществ экологического и экономического характера. Прежде всего, это относится к защите водоносных горизон тов от поступления фильтрата, а именно: исключается попадание фильтрата в грунтовые воды за счет влияния гидравлического барьера, возникающего за счет потока к горизонтальным дренам;

существенно уменьшается попадание загрязнённого фильтрата в нижележащий во доносный горизонт за счет перехвата просачивающегося через сорби рующий экран фильтрата горизонтальными дренами и экранирующего влияния регионального водоупора. В отдельных случаях, сопряжённых с повышенным риском попадания загрязнённых вод из верхних слоёв хранилища в грунтовые воды, связанным с гидравлическими условиями конкретного хранилища, могут быть предусмотрены дополнительные мероприятия по устройству гидроизоляции бортов хранилища, а само хранилище дополнительно включать эту гидроизоляцию.

Следует отметить, что полностью исключить возможность просачи вания некоторого количества фильтрата через водоупор в таких храни лищах нельзя при любом способе противофильтрационной защиты и эту возможность следует оценивать в каждом случае специальными расчетами;

при этом a priori исключается возможность использования таких хранилищ для хранения высокотоксичных, в частности, высоко радиоактивных стоков.

Кроме того, в такой системе противофильтрационной защиты хра нилища проявляется возможность сброса экологически чистых остатков обработанного фильтрата в естественные водоёмы и водотоки с мини мальным расходом средств на его очистку на инженерных сооружени ях, а также мелиорация окружающей, исходно неудобной для использо вания, территории, включая площадь поверхности хранилища.

Существенно, что за счёт максимального использования геологиче ского строения эти благоприятные последствия достигаются с наи меньшими затратами по сравнению с хранилищами, оборудуемыми ис кусственными экранами.

Таким образом, заявленный технический результат реализуется хра нилищем ТПБО заглублённого типа, основание которого включает:

– региональный водоупор, – песчаный слой над ним, – по меньшей мере, один слой суглинистых и/или глинистых отложе ний в качестве сорбционного экрана над песчаным дренирующим слоем, 184 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) – систему горизонтальных трубчатых дрен, закладываемых в песча ный слой по контуру хранилища, подводимых к шахтам, обеспечиваю щим возможность подачи фильтрата на поверхность.

Указанное хранилище ТПБО дополнительно может быть оборудо вано очистными сооружениями на поверхности перед сбросом фильт рата в водоём.

Заявленный в изобретении результат достигается способом созда ния хранилища ТПБО заглублённого типа, при котором производят:

– поиск регионального водоупора на основании гидрогеологических материалов по оценке перетекания через него, – изучение инженерно-геологического разреза грунтовой толщи до водоупора с выявлением наличия экранирующих и фильтрующих слоев в основании будущего хранилища, – выемку грунта под котлован до достижения, по меньшей мере, одного целика глинистых и/или суглинистых пород, представляющего собой естественный сорбирующий экран, – дополнительное вскрытие прорезей в этом целике по контуру кот лована до песчаного слоя под нижним из фильтрующих слоёв для за кладки горизонтальных дрен;

– устройство горизонтального трубчатого дренажа по контуру кот лована хранилища с шахтами для расположения насосов.

В способе создания хранилища может быть дополнительно преду смотрено, что выемку грунта под котлован и создание прорезей в це лике производят под защитой строительного водопонижения. При этом, в качестве защитного строительного водопонижения могут ис пользовать системы контурных дренажных скважин или этажные иг лофильтры.

На рис. 1 представлен в схематичном виде разрез заглубленного дренируемого хранилища ТПБО.

На примере Московской области рассматривается возможное со оружение хранилища ТПБО предлагаемого типа. На этой территории достаточно широко распространён региональный водоупор, представ ленный юрскими глинами. По данным региональных гидрогеологиче ских исследований на водораздельных пространствах, юрские глины являются практически водоупорным слоей. Особенно широко они представлены на западных, северных и юго-восточных территориях области. Основными условиями пригодности территории для сооруже ния хранилища ТПБО предлагаемого типа являются: наличие водоупо ра – толщи водонепроницаемых или слабоводопроницаемых пород, изолирующих друг от друга водоносные горизонты;

наличие песчаного фильтрующего слоя на региональном водоупоре.

В.М. Шестаков, И.К. Невечеря По данным «Геолинк Консалтинг» (И.С. Пашковский) составлена «Картограмма коэффициента перетекания юрских отложений», на кото рой показаны территории распространения юрских водоупорных глин с величинами коэффициента перетока = k/m в сут–1 (k – коэффициент фильтрации, m – мощность отложений): в диапазонах от менее 10–7, от 10–7 до 10–6, от 10–6 до 10–5, от 10–5 до 10–4, от 10–7 до 10–3, менее 10–3.

В результате рассмотрения приведенных выше данных, выбран для создания хранилища один из участков, пригодных для реализации предлагаемого технического решения. Он располагается вблизи пос.

Подрезково в Химкинском районе. Геолого-гидрогеологическое строе ние территории таково: покровные суглинки, возраст QII-III, мощность 2 м;

суглинки московской морены, возраст QII4, мощность 12 м;

флю виогляциальные пески, возраст QII3, мощность 13 м;

суглинки днепров ской морены, возраст QII2, мощность 9,0 м;

меловые пески, возраст K1, мощность 8 м;

юрские глины, возраст J2–3, мощность 30 м, каменно угольные известняки, возраст С3, мощность 100 м.

На рассматриваемой территории развиты два водоносных горизон та: безнапорный горизонт в песках четвертичного и мелового возраста на глубине 20 м от поверхности земли, который используется местным населением для нецентрализованного водоснабжения, и высоконапор ный горизонт в каменноугольных известняках с напорным уровнем 30 м, являющийся на этой территории эксплуатируемым водоносным горизонтом централизованных водозаборов. Защите от загрязнения фильтратом из хранилища подлежат оба водоносных горизонта.

1 – котлован под ТПБО, он со оружается в толще песчано глинистых отложений, в нижней части которых имеется глини стый слой;

2 – вся толща;

2а – целик глинистых и/или суглини стых пород, представляющих естественный сорбирующий эк ран на дне котлована;

3 – нижний фильтрующий песчаный слой, в котором закладывается горизон тальный дренаж;

4 – региональ ный водоупор;

5 – горизонталь ный трубчатый дренаж по контуру котлована хранилища с шахтами для расположения насо Рис. 1. Разрез заглубленного сов;

6 – место расположения вре менного строительного дренажа дренируемого хранилища ТПБО 186 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) На схеме хранилища (см. рис. 1) покровные суглинки, суглинки московской морены и флювиогляциальные пески вместе обозначены цифрой 2 как песчано-глинистые отложения. Котлован хранилища (цифра 1) сооружается от поверхности земли до кровли слоя суглин ков днепровской морены, который на дне котлована должен представ лять собой ненарушенный целик, адсорбирующий загрязнение из фильтрата (обозначен как 2а). Слой песков мелового возраста пред ставляет нижний фильтрующий песчаный слой (цифра 3), в котором закладывается горизонтальный трубчатый дренаж по контуру котло вана хранилища с шахтами для расположения насосов (цифра 5). Слой юрских глин, представляющий региональный водоупор, на рисунке обозначен цифрой 4.

Коэффициент фильтрации меловых песков по данным обзорных ра бот по Москве и области [2] составляет 3–10 м/сут, что достаточно для устройства горизонтального дренажа. Коэффициент перетекания юр ских глин на данном участке согласно «Картограмме» составляет от 10–7 до 10–6 сут–1 или коэффициент фильтрации глин в вертикальном направлении 310–6–310–5 м/сут, т.е. слой глин на участке может счи таться практически непроницаемым водоупором.

Сооружение котлована и устройство горизонтальных дрен прово дится под защитой вертикального дренажа, закладываемого по контуру котлована. После завершения сооружения горизонтального дренажа скважины вертикального дренажа демонтируются. Целик суглинков внутри котлована будет служить адсорбирующим слоем. Глубина кот лована под хранилище составит около 30 м. Меловые пески являются в данном случае дренирующим слоем. По контуру котлована в слое днепровских суглинков делается прорезь с заглублением в меловые пески до 2 м для прокладки горизонтальных дрен. На такую же глуби ну, что и дрены, закладываются колодцы для насосов. Созданное ука занным способом хранилище реализует технический результат по изо бретению и является хранилищем ТПБО предлагаемого типа.

Литература 1. Монгайт Л.И., Вайсфельд Б.А. Депонирование осадков сточных вод (на примере полигона «Марьино») /«Экология и промышленность России», № 10, 1999 г. С. 11–14.

2. Москва: геология и город / Гл. ред. В.И. Осипов, О.П. Медведев. – М.:

АО «Московские учебники и Картолитография», 1997.

3. Шестаков В.М. Депонирование промышленных отходов в заглублённых хранилищах / «Экология и промышленность России», № 3, 2000 г. С. 41–42.

В.Г. Румынин, А.М. Никуленков, М.Е. Макушенко, А.А. Шварц и др. ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ АТОМНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ И ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ В.Г. Румынин, А.М. Никуленков, М.Е. Макушенко, А.А. Шварц, И.Э. Вяххи, Л.Н. Синдаловский, Е.А. Верещагина, Д.В. Кулаков, С.Э. Макашов Санкт-Петербургский государственный университет, Институт геоэкологии РАН, 199004 С.-Пб, Средний пр., 41, оф. 519, т.: (812)-324-12-56, ф.: (812)-325-48-81, email: office@hgepro.ru Введение Главным приоритетом при строительстве новых атомных электро станций (АЭС) или расширении мощностей действующих АЭС являет ся обеспечение их безопасности и сведение до минимума влияния стан ций на окружающую среду. При строительстве и эксплуатации АЭС различным воздействиям подвергаются, прежде всего, экосистема по верхностных водных объектов и геологическая среда (в первую оче редь, ее подвижная компонента – подземные воды) В этой связи основ ные направления исследований, обсуждаемые в докладе, могут быть сформулированы следующим образом:

– анализ влияния действующих атомных станций на качество и биоресурсы природных вод прилежащих территорий по гидрохимиче ским, температурным, радиологическим и гидробиологическим показа телям, а также ихтиофауне;

– математическое моделирование последствий для экосистем поверх ностных водоемов и водотоков сбросов химических веществ и тепла;

– оценка ущерба водным биоресурсам.

– прогнозные оценки последствий аэрозольных выпадений радио нуклидов на поверхность почвенного слоя (аварийные сценарии) с по следующим их смывом атмосферными водами, переноса в реках и под земных водоносных горизонтах применительно к условиям размещения конкретных АЭС.

Главной целью исследований являлась разработка технологии ком плексной оценки, прогноза и мониторинга состояния водных экосистем и подземных вод в зоне влияния атомно-энергетических предприятий (на примере действующих, строящихся и проектируемых Ленинград ской, Ленинградской-2, Балтийской и Белоярской АЭС).

Поверхностные водные экосистемы Использование больших объемов воды в охладительном цикле АЭС, а также эксплуатация очистных сооружений, связанных с инфраструкту рой станционных объектов, так или иначе, воздействуют на природный 188 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) режим близлежащих водных объектов. В этих условиях весьма актуаль ной проблемой является оценка их текущего экологического состояния, а также прогнозирование изменения этого состояния под воздействием вновь вводимых мощностей (энергетических блоков) АЭС.

Ленинградская АЭС (ЛАЭС и ЛАЭС-2). С 1973 г. для охлаждения рабочих систем ЛАЭС используется морская вода Копорской губы Финского залива. За год значительная часть объема воды Копорской губы оказывается вовлеченной в охладительный цикл станции. В ре зультате природный тепловой режим участка акватории нарушен.

Данные гидробиологических исследований (рис. 1) указывают на формирование зоны неблагоприятного теплового воздействия в непо средственной близости от сбросных каналов ЛАЭС. В этой зоне отме чается худшее качество вод, тут отмечены низкие индексы видового разнообразия зоопланктона и зообентоса, высокие олигохетные индек сы, класс качества вод V (грязные воды). Кроме того, за период наблю дений (с 30-х годов прошлого века по настоящее время) произошло количественное и качественное изменение структуры ихтиоценоза Ко порской губы (уменьшение общего видового разнообразия и сокраще ние численности ценных видов рыб).

Рис. 1. Индекс трофности (средние значения, рассчитанные по зоопланктону) водоемов и водотоков 30 км зоны ЛАЭС-2.

В то же время, проведенные исследования показали (рис. 1), что из менение состава воды в зоне влияния береговых объектов в большей степени определяется воздействием антропогенных загрязняющих ком понентов, поступающих в залив вместе с поверхностным и речным сто ком (реки Коваши, Воронка и Систа).

Проектные решения для новой станции (ЛАЭС-2) предполагают ис пользование для охлаждения реакторов испарительные градирни. Для В.Г. Румынин, А.М. Никуленков, М.Е. Макушенко, А.А. Шварц и др. прогноза последствий сбросов продувочной воды от градирен и мине рализованных стоков от водоподготовительных установок (при одно временной эксплуатации ЛАЭС-2 и ЛАЭС) на экосистему Копорской губы была создана гидродинамическая численная модель. Для верифи кации модели использовалось геотермическое дешифрирование кос моснимков (спутник Landsat) участка водной поверхности Финского залива.

Согласно сделанным расчетам, при вводе в эксплуатацию ЛАЭС-2, максимальное дополнительное влияние сброса вод с этой станции от мечается в зимний период: происходит увеличение температуры при брежных вод в ближайшей 1,5–2 км зоне к водовыпуску зоны примерно на 0,5–0,7°С – по сравнению с существующей ситуацией (сброс только с ЛАЭС). При работе ЛАЭС-2 в прибрежной зоне в разные месяцы года происходит увеличение солености на 0,2–0,4‰. В эстуариях рек соле ность повышается на 0,1–0,2‰.

Балтийская АЭС. Для охлаждения реакторного отделения преду смотрены башенные испарительные градирни и брызгальные бассейны, однако, оборотная система технического водоснабжения потребует в качестве источника подпитки (для компенсации испарения) использо вание дополнительного объема пресной воды из р. Неман в количестве около 5000 м3/ч. Такой же объем теплой (с температурой до 27°С) воды будет сбрасываться в р. Неман. Решение проблемы осложняется тем, что она носит трансграничный характер.

Для прогнозирования формирования в реке «теплового барьера»

и ореолов химического воздействия разработана гидродинамическая модель участка р. Неман на платфор ме программного комплекса SMS.

Моделирование показало, что рассеи вающий сброс (по сравнению с со средоточенным водовыпуском) обес печивает эффективное смешение при родных (речных) и технических вод уже вблизи водовыпуска, снижая по тенциальные (негативные) послед ствия теплового барьера. Наиболее контрастные аномалии формируются в меженные периоды: перепад тем ператур в ближайшем створе (100 м Рис. 2. Сравнение оптимальных от водовыпуска) составляет 0,23°С температур нереста рыб в феврале и 0,68°С в июле. Все изме- с нарушенным режимом (модельная нения температуры наблюдаются в кривая с точками на графике) относительно узкой прибрежной по- водного потока р. Неман 190 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) лосе, тем самым сохраняются условия, благоприятные для формирова ния обходных путей миграции ихтиофауны (рис. 2). Выполненные гид родинамические модельные расчеты являлись основой для оценки ущерба водным биоресурсам р. Неман.

Белоярская АЭС. Белоярское водохранилище является искусст венным водоемом, образованным в связи со строительством Белоярской АЭС. Для охлаждения действующего энергоблока БН-600 из водоема каждую секунду отбирается 25 м3 воды. Затем разогретая на 12°С вода прямотоком сбрасывается обратно в водохранилище. В связи с планами строительства новых энергоблоков (БН-800 и БН-1200) нами была раз работана математическая модель для прогнозирования тепловой на грузки на водоем-охладитель при одновременной работе нескольких энергоблоков.

Трехмерная модель (на базе компьютерного кода Princeton Ocean Model) воспроизводит скорости поверхностных течений с учетом пара метров сброса вод действующего и проектируемых энергоблоков, вет ровой нагрузки, естественного теплового поля водного объекта. Расчет на модели осуществлялся по нескольким сценариям, увязанным с функционированием и вводом в эксплуатацию новых энергоблоков.

Совпадение реального распределения температурных полей при ра боте энергоблока БН-600, полученного по результатам дешифрирова ния космоснимков (Landsat 7), с результатами математических расчетов свидетельствуют об адекватности выбранной нами модели (рис. 3).

Рис. 3. Модельное (схема слева) и фактическое (справа) распределение температуры на поверхности Белоярского водохранилища при работе БН- В.Г. Румынин, А.М. Никуленков, М.Е. Макушенко, А.А. Шварц и др. Результаты моделирования теплового воздействия от совместной работы трех энергоблоков позволяют выделить несколько сезонных периодов с характерными диапазонами приращения температуры отно сительно фона: (1) слабый разогрев (ноябрь–февраль, 0–2°С);

(2) уме ренный разогрев (июнь–октябрь, 2–5°С) и (3) сильный разогрев (март–май, 5–12°С). Включение дополнительных энергоблоков (БН 800 и БН-1200) приведет к увеличению температуры не только в южной части, но и в верховье водохранилища, в среднем более чем на 1°С.

Максимальные абсолютные значения температуры при совместной ра боте энергоблоков фиксируются в августе и приближаются к отметке в 30°С, что находится в пределах допустимого уровня разогрева.

Для оценки теплового воздействия Белоярской АЭС были организо ваны точки постоянного гидробиологического мониторинга, располо женные как непосредственно в зоне сброса теплых вод АЭС, так и на удалении. Результаты исследований показывают, что воздействие зоны теплых вод многофакторно. По сравнению с периферийными участка ми, в районе действующего сброса БН-600 отмечены следующие изме нения в структуре биоты: 1) уменьшение видового разнообразия гидро бионтов;

2) снижение общей численности и биомассы зообентоса и перифитона;

3) доминирование эврибионтных форм;

4) упрощение тро фической структуры сообщества.

Исследования были направлены на установление вклада действую щего энергоблока Белоярской АЭС в общую антропогенную нагрузку территории, а также на выделение природных фоновых радиологиче ских и химических показателей в поверхностных и подземных водах.

Для этого была развернута масштабная наблюдательная сеть, которая дополнила государственную систему мониторинга и сеть наблюдений службы радиационного контроля Белоярской АЭС.

Загрязнения подземных и поверхностных вод радионуклидами (мониторинг и моделирование последствий запроектных аварий на примере Белоярской АЭС) Анализ фондовых материалов и опубликованных данных позволил охарактеризовать радиоактивное загрязнение природных сред, наблю давшееся в 1960–1970 гг. при вводе в эксплуатацию первых энерго блоков МБ-100 и АМБ-200 (рис. 4). Эта информация послужила осно вой для оценки показателей естественной реабилитации природных сред.

Результаты радиохимического опробования в 2012 г позволили выявить фоновые содержания радионуклидов в природных средах.

Исследования подземных вод свидетельствуют об отсутствии выра 192 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) женного воздействия Белоярской АЭС на подземные воды в пределах 30 км зоны. Исключение составляет непосредственно площадка АЭС, где фиксируются повышенные активности техногенных радионукли дов. В воде Белоярского водохранилища активность Cs-137 и Sr- примерно в 1,5–2 раза, а трития – более чем в 5–10 раз, превышают активность этих радионуклидов в подземных водах. Отличные от фо на значения трития фиксируются также в верховье Белоярского водо хранилища.

Рис. 4. Техногенные радионуклиды в природных водах в зоне влияния Белоярской АЭС Согласно требованиям МАГАТЭ, при оценке воздействия на окру жающую среду АЭС, рассматриваются два аварийных сценария, наи менее благоприятные с точки зрения воздействия на природные среды.

Первый из них связан c газо-аэрозольным выбросом в атмосферу радиоактивных веществ с последующим осаждением их на дневную В.Г. Румынин, А.М. Никуленков, М.Е. Макушенко, А.А. Шварц и др. поверхность. Второй сценарий предусматривает протечку жидкого теплоносителя в пределах относительно ограниченной области раз мещения энергоблока. На примере энергоблока БН-1200 Белоярской АЭС представлены результаты моделирования аварийных сценариев.

Для моделирования загрязнения склонового стока и, связанного с ним загрязнения поверхностных вод бассейнов рек Пышма и Исеть, использовался программный комплекс GSSHA. С его помощью рассчи тывается формирование слоя воды на поверхности, миграция в этой воде радионуклидов в растворенной форме и на поверхности взвешен ных частиц, образовавшихся в результате эрозии почвы (рис. 5).

Рис. 5. Результаты моделирования распространения Cs- в поверхностном стоке спустя 3 ч после выпадения радиоактивных осадков на почвенный слой Результаты моделирования показывают, что через 10 суток после осаждения аэрозольного выброса, 99% активности сорбируемых ра дионуклидов Cs-137/134 остается на почве. Для I-131, наоборот, за грязнение в почвенном слое через 10 суток составляет уже лишь 36% от начального загрязнения, а остальная активность увлекается по верхностными и инфильтрационными водами. При этом, несмотря на высокие скорости миграции радионуклида I-131, загрязнение им реч ных вод сдерживается коротким периодом его полураспада.

Расчетами установлено, что уже через несколько дней после аварии основной вклад в увеличение радиоактивности речных вод вносят про 194 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) цессы эрозии и сорбции. В речном стоке на смену I-131 приходят хо рошо сорбируемые радионуклиды Cs-137/134, которые выносятся пото ком воды в сорбированном виде на частицах почвы.

Моделирование локальной протечки проводилось на программном комплексе MODFLOW-MT3D. В модели задавались естественные гра ницы, учитывалась геометрия геологических слоев, их фильтрационные и сорбционные параметры, а также задавался точечный источник, при уроченный к реакторному отделению энергоблока.

Результаты расчетов последствий аварийного сценария высвобож дения радионуклидов показали, что ореол загрязнения, формирующий ся в пределах площадки энергоблока, движется под действием конвек тивного переноса на юго-запад от источника в сторону отводящего канала. За счет высокой сорбируемости радионуклидов, перемещение ядра ореола происходит крайне медленно – менее 1 метра в год. Низкая скорость миграции в совокупности с радиоактивным распадом приво дит к тому, что к моменту достижения пятном поверхностных вод от водящего канала (зоны разгрузки), активность радионуклидов оказыва ется сопоставима с фиксируемыми в настоящее время фоновыми значениями.

Одновременно проводились исследования, позволившие выполнить оценку защищенности подземных вод от загрязнения. Выбор показате лей основывался на геологических, гидрогеологических, геоморфоло гических и географических условиях и особенностях рассматриваемой территории. Была проведена балльная оценка степени защищенности (табл. 1) на основе следующих параметров: 1 – глубина до уровня грун товых вод;

2 – состав пород зоны аэрации;

3 – тип почвенного покры тия;

4 – тип поверхности территории;

5 – уклон земной поверхности.

Таблица Категории защищенности подземных вод Категория Сумма баллов Название I 25 Хорошо защищенные II 20–25 Защищенные III 15–20 Умеренно защищенные IV 10–15 Слабо защищенные V 10 Чрезвычайно слабо защищенные На основании площадного суммирования баллов по тематическим картам построена обобщающая карта защищенности подземных вод в зоне потенциального воздействия Белоярской АЭС (рис. 6).

В.Г. Румынин, А.М. Никуленков, М.Е. Макушенко, А.А. Шварц и др. Рис. 6. Обобщающая карта защищенности подземных вод (в баллах) Заключение Проведенные исследования позволили разработать технологию комплексной оценки, прогноза и мониторинга состояния водных экоси стем и подземных вод в зоне влияния АЭС. Технология включает:

• выбор гидробиологических, гидрохимических и радиохимиче ских индикаторов состояния среды в зоне влияния АЭС;

• моделирование теплового и химического баланса водных объек тов в зоне сбросов технологических вод;

• моделирование переноса радионуклидов поверхностным стоком и в подземных водах при нормальном режиме и запроектных авариях на АЭС;

• построение карт защищенности природных объектов с использо ванием дистанционных и изотопных методов.

Технология была апробирована в районах действующих и новых атомных станций (Балтийская, Ленинградская и Белоярская АЭС).

196 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Авторы выражают признательность за предоставленные материалы и участие в обсуждении результатов работы Л.Д. Блиновой (ОАО «СПбАЭП»). Моделирование на программном комплексе POM выпол нено В.А. Рябченко и А.Ю. Дворниковым (Санкт-Петербургский фили ал Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН).

ОЦЕНКА ИСПАРЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПО ДАННЫМ ВЫСОКОРАЗРЕШИМЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА КОЛЕБАНИЯМИ УРОВНЯ Ван Пин1, С.О. Гриневский2, Д.С. Даутова2, С.П. Поздняков2, Юй Цзинцзе Институт географии и природных ресурсов, Академия наук Китая, Пекин, 100101, КНР, wangping@igsnrr.ac.cn МГУ им. М.В. Ломоносова, Геологический ф-т, кафедра гидрогеологии, Москва, Ленинские горы, 119991, ГСП-1, sppozd@geol.msu.ru Введение. Испарение с уровня подземных вод играет существен ную роль в круговороте воды на земле. В аридных регионах со сравни тельно неглубоким залеганием уровня воды эвапотранспирация состав ляет основную статью разгрузки потока подземных вод, что приводит при превышении испарения суммарного притока подземных вод не только к падению их уровня, но и к засолению грунта и регрессу мест ной экологической системы в целом [7]. В течение последних лет из-за серьезной нехватки дефицита водных ресурсов в аридных регионах и все более очевидных проблем экологического порядка оценка эва потранспирационной разгрузки подземных вод стала весьма актуаль ным вопросом в области изучения проблемы водных ресурсов аридных регионов.

Оценка эвапотранспирационной разгрузки может быть эффективно проведена на основе материалов непрерывного наблюдения за уровнем подземных вод в одиночных скважинах. Данный метод основывается на двух основных допущениях [6]:

– в аридных районах разгрузка подземных вод за счет эвапотранс пирации является главнейшим фактором, вызывающим снижение их уровня в период свободного истощения (независимого спада);

————–— Работа выполнена при финансовой поддержке the National Basic Research Pro gram of China (973 Program) (№ 2009CB421305), the National Natural Science Foundation of China (№ 91025023 and 41271049), the NSFC-RFBR Program 2011– 2012 (№ 41111120029), and the Visiting Professorship for Senior International Sci entists, Chinese Academy of Sciences (№ 2012T1Z0037) Ван Пин, С.О. Гриневский, Д.С. Даутова, С.П. Поздняков, Юй Цзинцзе – в период свободного истощения расход латерального потока под земных вод не меняется.

На сегодняшний день, автоматизированные технологии наблюдения за уровнем подземных вод позволяют эффективно использовать эти данные для количественного изучения эвапотранспирационной раз грузки подземных вод, особенно в аридных регионах.

Описание объекта. Оценка эвапотранспирационной разгрузки и ее роли в общем балансе потока подземных вод проведена для низовьев бассейна Хэйхэ в северо-западной части Китая. Здесь преобладает ти пичный аридный континентальный климат с незначительной годовой суммой осадков (~30 мм), интенсивным испарением и транспирацией (на участках оазизов), резкими перепадами температур и сильными вет рами с большим содержанием песка. Рельеф бассейна имеет уклон с юго-запада на северо-восток, средний уклон 1–3‰, а абсолютная от метка земной поверхности варьирует от 820 м до 1127 м. Участки оази сов сконцентрированы только вдоль побережья реки, большую часть остальной территории занимают пустыня Гоби и холмистый ландшафт с ветровой эрозией [9].

Изучаемый район представляет собой региональный геотектониче ский бассейн, который заполнен рыхлыми четвертичными отложениями (Q) на глубину несколько сотен метров, к которым приурочена система водоносных горизонтов и разделяющих толщ. Река Хэйхэ является ос новным источником питания грунтовых вод, которое имеет четко выра женный сезонный характер и связано с изменчивым гидрологическим режимом реки. Разгрузка грунтовых вод происходит путем испарения (более 90% от общего расхода) и эксплуатации подземных вод [9].

Материалы. Материалами для исследований являются исходные данные наблюдений за уровнем грунтовых вод (УГВ) с получасовой дискретностью в 3 наблюдательных скважинах глубиной 15 м. Сква жина m1 располагается в долине реки, скважина m2 – в полосе примы кания долины реки к пустыне, а скважина m3 – в пустыне Гоби (рис.1).

Все выбранные скважины находятся на естественных ландшафтах, где отсутствуют сельскохозяйственные поля или угодья, промышленные или жилые объекты, что исключает влияние деятельности человека на изменение УГВ.

Для учета влияния состава и водно-физических свойств пород зоны аэрации на величину эвапотранспирационной разгрузки подземных вод в исследуемом районе были проведены полевые исследования в опорных шурфах. Лабораторное изучение гранулометрического состава отобран ных образцов проводилось с помощью ситового анализа (более 2000 µm) 198 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) и лазерного гранулометрического анализа (Masrersizer 2000, диапазон измерения 0,02–2000 µm). Гидрофизические параметры зависимости всасывающего давления от влажности для изучаемых профилей были получены по отобранным образцам на центрифуге HITACHI CR21GIII.


Рис. 1. Схема расположения режимных скважин (слева) и графики режима УГВ по скважинам в сопоставлении с гидрографом реки (справа) Указанные лабораторные работы проводились Центром физико химического анализа Научно-исследовательского института географии и природных ресурсов Китайской Академии Наук.

Методы исследований. Анализ колебаний УГВ по скважинам пока зал, что в них присутствуют сезонная и суточная составляющие [9]. Как известно [5], в подобных условиях суточные колебания могут быть свя заны с суточным ходом эвапотранспирации. По данным наблюдений су точные вариации уровня воды в летний период составляют от 1 до 3 см, а в зимний период практически отсутствуют. Для проверки гипотезы о влиянии суточной динамики эвапотранспирации на УГВ с использовани ем Баесовского алгоритма выделения циклов [3] в наблюденных рядах выделялись при помощи программы BAY_SEA циклические колебания с периодом сутки. Затем анализировались стандартные отклонения выде ленных циклов, осредненные по месячным периодам. Увеличение этих отклонений в летний период и уменьшение в зимний должно свидетель ствовать о том, что летний спад действительно во многом определяется эвапотранспирацией.

На рис. 2 показаны графики временных колебаний отклонения уровня (Zf) для летнего (июль) и зимнего (январь) пятисуточного фраг мента наблюдений на примере скважины m2.

Видно, что в летний период колебания уровня имеют выраженную гармонику с периодом одни сутки, и амплитуда колебания составляет Ван Пин, С.О. Гриневский, Д.С. Даутова, С.П. Поздняков, Юй Цзинцзе около 2 см. Однако, в зимний период подобных суточных колебаний не видно. Анализ стандартного отклонения уровня (Zsd) за весь период на блюдений показывает, что в зимний период Zsd практически не меняет ся (около 0,3 см). При этом Zsd существенно увеличивается с мая и дос тигает максимума в период июнь-июль (см. рис. 2), что свидетельствует об увеличении амплитуды суточных колебаний летом. Следовательно результаты анализа суточных колебаний уровня свидетельствуют о том, что эвапотранспирационные процессы оттока влаги с УГВ в летний пе риод служат главной причиной суточных колебаний уровня, и вызыва ют его сезонное падение.

Рис. 2. Временные графики отклонений уровня (Zf) и его среднее месячное стандартное отклонение (Zsd) по скважине m Далее приводятся результаты обработки сезонных колебаний уров ней. В летний период в режиме УГВ наблюдается отчетливое увеличение темпа снижения (рис. 3), которое, в целом, соответствует превышению среднесуточной температуры воздуха 20°С и происходит, вероятно, за счет эвапотранспирационных процессов.

200 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Рис. 3. Схема расчета эвапотранспирационной разгрузки подземных вод по данным режимных наблюдений в одной наблюдательной скважине Режим потока грунтовых вод в период летне-меженного спада уровней может быть описан следующим балансовым уравнением, со ставленным для единичного элемента потока в сечении наблюдатель ной скважины:

H q = S y (1), t в котором q характеризует изменения расхода потока, а H – измене ние УГВ за время t, Sy – водоотдача. В суммарной величине изменения уровня H в этот период можно выделить две составляющие – первая (h) связана с изменениями расхода латерального потока qlat, а вторая (z) обусловлена разгрузкой за счет эвапотранспирации ETG (рис. 3):

h + z qlat + ETG = S y (2), t Тогда эвапотранспирационную разгрузку потока можно вычислить как:

z ETG = S y (3), t выделяя величину z из общей за расчетный период величины спада уровней H:

z = H h. (4) Полагая, что условия латерального оттока в этот период не меняют ся, соответствующие величины h находятся из предшествующих пе риодов спада уровней, когда эвапотранспирационные процессы еще не действуют (при температуре воздуха менее 20°С). Правомерность вы Ван Пин, С.О. Гриневский, Д.С. Даутова, С.П. Поздняков, Юй Цзинцзе бранного темпа спада уровней, связанного с изменениями в латераль ном потоке подтверждается идентичностью скорости их снижения до и после периода эвапотранспирации (рис. 3). Для расчетов согласно рас смотренным принципам использована программа REGIM_3 (автор Штенгелов Р.С.) [2].

Следует отметить, что величины водоотдачи S y не только напря мую зависят от состава пород, но и меняются во времени в зависимости от глубины залегания и темпа изменения уровня подземных вод [1].

Crosbie и др. [4], основываясь на анализе динамического процесса не стационарной фильтрации, вывели взаимозависимость между кажущей ся водоотдачей S y и полной водоотдачей S yu, параметрами Ван Генух тена, n и глубиной залегания уровня воды z:

S yu S y = S yu (5) n 1 n z +z 1 + i f 2 S yu = s r, (5a) где s и r – полная и минимальная влагоемкость;

zi, zf – начальная и конечная глубина залегания УГВ.

Когда уровень подземных вод колеблется на i-ых слоях разреза форму ла средней водоотдачи S y выглядит как n h S i yi i = 1, 2,,..., n Sy = i = (6) n hi i = где hi – амплитуда изменения уровня подземных вод i-го слоя, а S yi – его водоотдача.

Результаты исследований. Результаты проведенного анализа трех разрезов зоны аэрации (два – на береговом участке, один – на участке пустыни Гоби) показывают преимущественно песчаный состав отло жений (частицы с размером 0,05–2 мм более 95%). Их плотность по глубине меняется в небольшом диапазоне, от 1,5 г/см3 до 1,6 г/см3. Па раметры Ван Генухтена были определены по опытным данным подбо ром с помощью вычислительной программы RETC [8], их средние зна чения для двух типичных ландшафтов приведены в табл. 1.

202 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Таблица Средние значения параметров Ван Генухтена для двух типичных разрезов зоны аэрации Параметр Ван Генухтена Участок r, см /см3 s, см3/см, м–1 n, – Береговой 0,021 0,387 0,114 2, Пустыня Гоби 0,027 0,345 0,078 1, В летние периоды с июня по август 2010 и 2011 гг (расчетные пе риоды I и II) наблюдается отчетливое снижение уровня подземных вод во всех скважинах (см. рис. 1). В течение этих двух периодов, за исклю чением кратковременного наличия стока реки в июле 2010 года (сред ний расход потока 5,4 м3/с), русло находится в пересохшем состоянии, и влиянием реки на режим подземных вод в зоне побережья и пустыни Гоби в эти периоды можно пренебречь.

Результаты расчета интенсивности эвапотранспирационной раз грузки подземных вод по данным режимных наблюдений в скважинах представлены в табл. 2. Как видно, полученное расчетное значение во доотдачи (Sy) на прибрежном участке (скв. m1) составляет 0,35, а на участке пустыни Гоби – примерно на 20% меньше, меняясь от 0,26 до 0,29 в зависимости от глубины залегания УГВ. Скорость спада уровня подземных вод за счет латерального потока h t уменьшается от при брежной зоны (около 3,6 мм/сут для скважины m1) к пустыне Гоби (около 0,5 мм/сут для скважины m3).

Таблица Результаты расчета эвапотранспирационной разгрузки подземных вод по данным режимных наблюдений h t z t Sy zf zi ETG ET № скв. Расчетный (год) период м м – мм/сут мм/сут мм/сут мм/сут m1 (2010) 23.05–07.08 1,91 2,35 0,35 3,68 2,11 0,74 7, m1 (2011) 07.06–23.08 2,06 2,48 0,35 3,64 1,82 0,64 6, m2 (2010) 28.05–04.09 1,40 1,79 0,26 1,72 2,22 0,58 6, m2 (2011) 23.05–07.09 1,60 1,97 0,27 0,65 2,80 0,76 6, m3 (2010) 10.07–23.08 3,52 3,58 0,29 0,45 0,91 0,26 7, m3 (2011) 26.06–06.09 3,48 3,55 0,29 0,56 0,42 0,12 6, Июнь–август в данном районе является периодом с максимальной испаряемостью ( ET 0 ). Средние значения ET 0, рассчитанные по фор муле Пенмана-Монтейна [1], в периоды I и II равны 7,09 мм/сут и 6,80 мм/сут соответственно. Расчетные значения эвапотранспирационной Ван Пин, С.О. Гриневский, Д.С. Даутова, С.П. Поздняков, Юй Цзинцзе разгрузки ( ETG ) за расчетные периоды варьируют от 0,1 до 0,8 мм/сут, что составляет 2–12% от общей испаряемости ( ET 0 ) за тот же период.

При этом наблюдается тенденция уменьшения ETG от берега к пустыне Гоби, что связано главным образом с исчезновением растительного по крова в пустыне [9] и увеличением глубины залегания УГВ.

Выводы. Динамика процесса эвапотранспирационной разгрузки подземных вод в аридных регионах весьма сложна, а сам процесс ха рактеризуется значительной пространственно-временной изменчиво стью и неравномерностью. При изучении эвапотранспирационного от тока влаги с УГВ в аридных регионах необходимо акцентироваться на наблюдениях и экспериментальном исследовании главных факторов воздействия на процесс испарения. Использование данных высокораз решимых наблюдений за колебаниями уровня подземных вод в скважи нах является эффективным методом изучения и оценки как суточных, так и среднесезонных (годовых) величин эвапотранспирационной раз грузки подземных вод в аридных регионах.

Литература 1. Шестаков В.М., Поздняков С.П. Геогидрология. М.: ИКЦ «Академкни га», 2003.

2. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ // Под ред. Р.С. Штенгелова.

М.: Изд-во МГУ. 1994.

3. Akaike H. Seasonal Adjustment by Bayesian Modeling // Journal of Time Series Analysis. 1980. Vol 1, c. 1–13.

4. Crosbie R.S., Binning P., Kalma J.D. A time series approach to inferring groundwater recharge using the water table fluctuation method // Water Resources Research. 2005. N 41(1), W01008.

5. Gribovszki Z., Szilgyi J., Kalicz P. Diurnal fluctuations in shallow ground water levels and streamflow rates and their interpretation – A review // Journal of Hydrology. 2010. N 385, c. 371–383.

6. Healy R.W., Cook P.G. Using groundwater levels to estimate recharge // Hydrogeology Journal. 2002. N 10(1), с. 91–109.

7. Jolly I.D., McEwan K.L., Holland K.L. A review of groundwater–surface water interactions in arid/semi-arid wetlands and the consequences of salinity for wetland ecology // Ecohydrology, 2008. N 1(1), с. 43–58.

8. van Genuchten M.Th., imnek J., Leij F.G., ejna M. RETC, ver. 6.02. Code for Quantifying the Hydraulic Functions for Unsaturated Soils. 2005-2009.


www.hydrus.com.

9. Wang P., Yu J., Pozdniakov S.P., Grinevsky S.O., Liu C. Shallow groundwater dynamics and its driving forces in extremely arid areas: a case study of the lower Heihe River in northwestern China // Hydrological Processes. 2013. DOI:

10.1002/hyp.9682.

204 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕСТОВОЙ ЗАДАЧИ ПО ЗАКАЧКЕ ВЫСОКОАКТИВНЫХ РАО В ВОДОНОСНЫЙ ГОРИЗОНТ С УЧЕТОМ РАДИОГЕННОГО РАЗОГРЕВА ПЛАСТА А.В. Кирюхин1, А.А. Куваев Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Пийпа-9, П-Камчатский AVKiryukhin2@mail.ru ФГУГП «Гидроспецгеология», ул. Маршала Рыбалко, 4, Москва, andrey_kuvaev@inbox.ru Введение. Закачка жидких высокоактивных радиоактивных отходов в гидрогеологические резервуары сопровождается радиогенным разогре вом с повышением температуры до 150-160оС в значительном объеме горных пород. Для анализа соответствующих термогидродинамических процессов используется iTOUGH2-eos7R – моделирование, модифициро ванное с учетом тепловыделения родительского радионуклида.

Краткое описание TOUGH2 c модулем состояния EOS7R и его модификации применительно к задаче радиогенного разогрева пласта [4]. В модуле состояния EOS7R флюид представлен в виде двухфазной (жидкость, газ) пятикомпонентной (вода, рассол, газ (воз дух), радионуклид-1, радионуклид-2) системы. Предполагается, что сис тема не достигает насыщения по выпадению минеральных осадков из рассола. Жидкая фаза рассматривается как смесь рассола и воды. Под рассолом понимается раствор с принимаемой по умолчанию плотностью b = 1185.1 кг/м3 при давлении 1 бар и температуре 25°С. Свойства жид кой фазы описываются в терминах Xb (массовая доля рассола), m (плот ность жидкой фазы), µm (вязкость жидкой фазы). Плотность жидкой фазы рассчитывается по балансовому уравнению m = (1 – Xb)/w + Xb/b. Вяз кость жидкой фазы в зависимости от температуры и давления рассчиты вается как вязкость воды, умноженная на коэффициент, представляющий полином 3-го порядка относительно Xb. Растворимость воздуха аппрок симируется законом Генри с константой Kh = 1010 Па для чистой воды и линейной поправкой на молярную концентрацию NaCl в жидкой фазе.

Радионуклиды: родительский Rn1 и дочерний Rn2 могут находиться как в жидкой, так и в газовой фазах. Процесс радиоактивного распада описывается уравнением dM k = k M k, (1) dt где M k – масса радионуклида k (=Rn1, Rn2) в единичном объеме, а кон станта радиоактивного распада k связана с периодом полураспада T1/ следующим образом: T1/2= ln 2/k.

А.В. Кирюхин, А.А. Куваев Аккумулятивный член в уравнении сохранения массы записывается с учетом адсорбции радионуклидов в минеральной фазе:

M k = S X + (1 ) Raq X aq K d, k k (2) где Kd – коэффициент распределения радионуклида между жидкой и твердой фазами. В уравнении (2) используются также следующие обо значения: – пористость, = 1,2 – индексы жидкой и газообразной фаз;

S,, X – насыщения, плотности и массовые доли соответствующих фаз, R – плотность горных пород, aq – плотность жидкой фазы, Xaq – мас совая доля жидкой фазы.

Для учета в численной модели радиогенной теплогенерации в урав нение теплового баланса с помощью дополнительной подпрограммы был добавлен тепловой источник:

q = 498.6 S X + (1 ) R aq X aq K d, k k (3) где коэффициент 498.6 Вт/кг Rn1 соответствует приведенным в работе ([2], с. 121) значениям теплогенерации для Sr-90 (1 Ки/л = 7.34 мг/л, 3.66 Вт/м3).

Сравнение численного и аналитического решений. В статье [1] приводится аналитическое решение распределения температуры в пла сте при радиогенном разогреве закачиваемого флюида для случая осе симметричной закачки в горизонтальный пласт с учетом кондуктивной теплопроводности в вертикальном направлении во вмещающие породы.

Решение получено при допущении отсутствия кондуктивной теплопро водности в радиальном направлении и при следующих значениях пара метров резервуара и режима закачки: начальная температура пласта 0оС, температура закачиваемой воды 12°С, объемная теплоемкость во донасыщенного пласта 2760 кДж/м3 °С, теплопроводность вмещающих водоносный горизонт горных пород 2.3 Вт/м °С, мощность водоносного горизонта 25 м, объемное тепловыделение за счет радиогенных компо нентов 2.01 Вт/м3, константа радиогенного распада 0.0241 год–1. Резуль таты аналитического решения представлены в виде графиков на раз личные моменты времени (5 и 20 лет) с начала закачки ([1], рис. 2).

Для сопоставления с численным решением с использованием про граммы iTOUGH2-EOS7R (модифицированный) была сгенерирована радиальная (700 м) вычислительная сетка, состоящая из 100 элементов (первый элемент – скважина радиусом 0.1 м, последующие радиусы увеличиваются в геометрической прогрессии), исходные параметры резервуара были переопределены по данным аналитического решения в соответствии с терминами, переменными и условиями TOUGH2, а так 206 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) же была определена теплоотдача из водоносного горизонта во вме щающие породы. Начальная температура пласта была задана 4°С (в программе TOUGH2 значения температуры ниже 1.5°С расценива ются как индикатор смены фазового состояния), период полураспада радиогенного компонента-3 задан 29 лет, Kd задан равным нулю, объ емная теплоемкость пересчитана на удельную теплоемкость горных пород (1000 кДж/кг °С), пористость (0.2) и минералогическую плот ность (2400 кг/м3);

расход закачки компонента-1 (воды) оценивался по графику распространения фронта температурного поля 3.8 кг/с = 39022510000.2/(203.15 107) ([1], рис. 2);

расход закачки радиоген ного компонента-3 определился подбором как 8510–6 кг/с (что соот ветствует его массовой концентрации 2.2410–5).

Рис. 1. Сопоставление аналитического [1] и численного iTOUGH2-EOS7R (модифицированный) решений Аналитическое решение (AS) показано сплошной линией, численное решение (iTOUGH2, RZ-grid) показано кружками, соответствующи ми центрам модельных элементов. Верхний рисунок соответствует времени с момента начала закачки – 20 лет, нижний рисунок – 5 лет Рис. 1 показывает хорошую сходимость аналитического и численного решения. Некоторое размазывание численного решения предполагается связанным с численной дисперсией. Некоторое завышение температуры в численной модели (время 5 лет) вызвано тем, что начальная температу А.В. Кирюхин, А.А. Куваев ра пласта в численной модели была задана не 0°С (как в аналитическом решении), а 4°С (в программе TOUGH2 значения температуры ниже 1.5°С расцениваются как индикатор смены фазового состояния). Кроме того, необходимо учесть, что точного совпадения аналитического реше ния с численным быть в принципе не может, т.к. при выводе аналитиче ского решения не учитывалась зависимость физических свойств воды (плотности, энтальпии) от температуры.

Помимо сопоставления с аналитическим решением [1] на численной модели проводились более простые тесты: (1) разогрев пласта при не подвижном состоянии воды с растворенным радионуклидом (в этом случае аналитическое решение выражается линейным возрастанием температуры от времени с коэффициентом, определяемым соотношени ем скорости теплогенерации и тепловой емкости флюидонасыщенного пласта);

(2) деградация радионуклида за счет радиоактивного распада (в этом случае аналитическое решение для концентрации определяется экспоненциальной зависимостью с показателем – ln(2)/Т1/2, где Т1/2 – период полураспада).

Преобразование размерностей фильтрационно-емкостных пара метров. В классической гидрогеологии, оперирующей понятиями гео фильтрации применительно к пресным холодным низкоминерализован ным подземным водам [3], и в термофлюидодинамике, оперирующей понятиями геофильтрации применительно к многофазным многокомпо нентным системам [4] – используются различные системы размерностей параметров, описывающих свойства флюидных подземных резервуаров.

В связи с этим приведем табл. 1 сопоставления исходных гидрогеологи ческих параметров и использующихся при TOUGH2-моделировании.

Таблица Обобщенные фильтрационно-емкостные характеристики полигона 18а СХК [2] Размерность Размерность Параметр Принятое Значение TOUGH TOUGH значение Параметры Глубина залегания м 314– Мощность м 30–50 Эффективная мощность м 13– Общая пористость, 0.35 Пористость, 0. Эффективная пористость 0.05–0.14 0. м2/сут Водопроводимость 17– 208 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Продолжение таблицы Размерность Размерность Параметр Принятое Значение TOUGH TOUGH значение Параметры Коэффициент Проницаемость, м2 9.510– м/сут 0.7–0. фильтрации, К k Коэффициент Сжимаемость, м2/сут 105 Па–1 0.810– пъезопроводности, а С Начальное Напор над кровлей м 300–320 Па давление в резервуаре Коэффициент распределения радио см3/г м3/кг 2310– 1–3 Kd нуклида между жидкой и твердой фазами Kd Примечание: пересчеты коэффициента фильтрации «К» в проницаемость «k» и коэффициента пъезопроводности «a» в сжимаемость «С» проводились по следую щим формулам: k = K w /(wg86 400);

С = k86 400/( wa), где w – динамическая вязкость воды Пас, w – плотность воды кг/м3, g – ускорение свободного падения 9.81 м2/с.

Решение тестовой задачи радиогенного разогрева применитель но к условиям СХК. Тестовая задача рассматривается на пятислойной радиальной вычислительной RZ-сетке (радиус 700 м, мощность 25 м), состоящей из 500 элементов (первый элемент – скважина радиусом 0.1 м, последующие радиусы увеличиваются в геометрической прогрес сии), исходные параметры резервуара были переопределены по данным табл. 1.

Фильтрационно-емкостные свойства резервуара заданы следующим образом [2]: мощность – 25 м, пористость 0.2, проницаемость 9.5 10–13 м2, сжимаемость 0.82 10–8, начальные температура 10оС и давление 33 бар.

При моделировании расход закачки компонента-1 (воды) принят 1.9 кг/с, компонента-2 (рассола) – 1.9 кг/с, радиогенного компонента-3 XRn1 – 85 10–6 кг/с (что соответствует его массовой концентрации 2.24 10–5), учитывается теплообмен водоносного горизонта с вмещающими горны ми породами.

Рис. 2 и 3 показывают распределение температуры, массовой кон центрации радионуклида (ppm) и рассола в радиальной плоскости по результатам моделирования при различных коэффициентах распреде ления радионуклида между жидкой и твердой фазами: Kd = 2 10–3 м3/кг А.В. Кирюхин, А.А. Куваев и Kd = 0, соответственно, на различные моменты времени после начала закачки. Задержка радионуклида в твердой фазе (рис. 2) приводит к ло кализации тепловыделения на кровле пласта, повышению там темпера туры до 238.8°С и закипанию спустя 2.96 года после начала закачки, что создает потенциальную опасность гидротермального взрыва. В про тивоположность этому, отсутствие поглощения радионуклида в твердой фазе (рис. 3) приводит к более равномерному распределению тепловых источников в пласте и максимальная температура в нем достигает спус тя 20 лет после начала закачки лишь 207°С.

Рис. 2. Распределение температуры, массовой концентрации радионуклида (ppm) и рассола в радиальной плоскости по результатам моделирования при Kd = 2 10–3 м3/кг на момент времени 2.96 года после начала закачки Изолинии температуры показаны сплошными линиями с использованием заливки, изолинии Xb – штриховой линией, изолинии XRn1 (ppm) – сплош ной линией, стрелки – направления геофильтрации Рис. 3. Результаты моделирования при Kd = на момент времени 20 лет после начала закачки Условные обозначения те же, что и на рис. 210 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Заключение. Для анализа термогидродинамических процессов при закачке высокоактивных РАО в подземные горизонты использо вано iTOUGH2-eos7R–моделирование, модифицированное с учетом тепловыделения при распаде радионуклида. Выполнено тестирование модели с использованием аналитического решения [1]. Расчеты двух вариантов закачки РАО с параметрами резервуара, близкими к усло виям СХК [2] показывают чувствительность прогноза температурного режима от коэффициента распределения радионуклида между жидкой и твердой фазами.

Авторы выражают благодарность С.П. Позднякову за помощь в по становке задачи, С.А. Финстерле за предоставление консультаций по модификации iTOUGH2. Работа выполнена при поддержке РФФИ по проекту 12-05-00125.

Литература 1. Окуньков Г.А., Рыбальченко А.И., Куваев А.А. Тепловой режим геологи ческой среды при захоронении жидких радиоактивных отходов // Геоэкология.

Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2003. № 3. С. 237–244.

2. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоро нение жидких радиоактивных отходов. М., Издат, 1994, 256 с.

3. Шестаков В.М. Динамика подземных вод, М., МГУ, 1979, 367 с.

4. Pruess K., Oldenburg C., Moridis G., 1999. TOUGH2 User’s Guide, Ver sion 2.0. Rep. LBNL-43134, Lawrence Berkeley Natl. Lab., Berkeley, California.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ И МИГРАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ОЦЕНКЕ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД А.А. Рошаль, Е.Ю. Потапова ЗАО «Геолинк Консалтинг», МГУ геологический факультет Аннотация В первой части статьи авторами рассматриваются вопросы теории применения математического моделирования при оценке запасов под земных вод, вопросы фильтрационной схематизации и методики реше ния обратных и прогнозных задач геофильтрации. Во второй части, ав торами демонстрируется пример использования моделирования при оценке запасов Москворецко-Гжелкинского месторождения подземных вод, приводятся конкретные модельные результаты решений, расчет зоны санитарной охраны, а также формулируются требования к отчет ным материалам, представляемым на экспертизу.

Согласно методическим рекомендациям по применению Классифи кации запасов и прогнозных ресурсов питьевых, технических и мине А.А. Рошаль, Е.Ю. Потапова ральных подземных вод, математическое моделирование является од ним из методов подсчета запасов. По сути, оно является разновидно стью гидродинамического метода. Необходимость его применения при оценке запасов подземных вод возникает на объектах со сложными гидрогеологическими (гидродинамическими и гидрогеохимическими) условиями.

Сложность гидрогеологических условий определяется: фильтраци онной неоднородностью водовмещающих отложений;

характером гра ничных условий в плане и разрезе;

напорно-безнапорным режимом фильтрации;

нарушением сплошности потока (изменением условий взаимосвязи подземных и поверхностных вод и/или водоносных гори зонтов);

большим количеством взаимодействующих водозаборов под земных вод и других объектов техногенной нагрузки;

наличием источ ников загрязнения;

недостатком необходимой информации и т.п.

Современные методы математического моделирования основаны на численном решении дифференциальных уравнений геофильтрации. Для такого решения чаще всего используются методы: конечных разностей или конечных элементов.

Для математического моделирования геофильтрации создано боль шое количество программных пакетов. Наиболее распространенные промышленные программные продукты: Modflow – разработка геоло гической службы США (USGS), распространяемая в реализации Visual Modflow компании Schlumberger Water Services (Канада);

Modtech – разработка компании «Геолинк Консалтинг» (Россия, № госрегистра ции 2001611334).

Основные этапы математического моделирования, в общем случае, могут быть следующими: разработка модели (схематизация гидрогео логических условий);

пространственно-временная дискретизация;

ка либровка модели (решение обратных и инверсных гидрогеологических задач);

воспроизведение ненарушенного режима фильтрации;

воспро изведение существующего режима фильтрации;

прогнозное моделиро вание;

моделирование геомиграции.

При разработке математической модели геофильтрации: специа лист-гидрогеолог решает основные задачи: выделение расчетных и вспомогательных (проницаемых и разделяющих) слоев модели;

обосно вание условий взаимосвязи подземных и поверхностных вод;

обоснова ние режима фильтрации в пространстве (напорный – безнапорный) и во времени;

обоснование гидрогеологических параметров;

обоснование области моделирования;

обоснование граничных условий в плане и разрезе, начальных условий и т.д.

Основные задачи, решаемые при дискретизации математической модели геофильтрации состоят в обоснований следующих позиций:

212 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) допустимой погрешности моделирования в пространстве и времени;

модельной сетки (равномерной или неравномерной);

пространственных шагов по осям X и Y;

временных интервалов решения и временных ша гов на каждом из временных интервалах.

Задачи, решаемые гидрогеологом при калибровке математической модели геофильтрации включают выбор и обоснование моментов време ни решения задач при воспроизведении опыта эксплуатации действую щих водозаборов, также обоснование условий моделирования опытных кустовых (групповых) откачек и наконец обоснование гидрометеороло гических условий при решении обратных задач и т.д. Верификация моде ли геофильтрации выполняется с целью уточнения фильтрационных па раметров водовмещающих отложений для всех расчетных слоев модели;

условий и параметров взаимосвязи водоносных горизонтов;

условий и параметров взаимосвязи подземных и поверхностных вод;

внешних гра ничных условий модели;

составляющих баланса подземных вод;

величин водоотбора и т.п.

Задачи, решаемые при прогнозном моделировании геофильтрации сводятся к определению прогнозных отметок (понижений) уровней подземных вод на конец расчетного срока эксплуатации при проекти руемом водоотборе и сопоставление их с допустимыми величинами, а также количественной оценки источников формирования запасов под земных вод и оценки изменения составляющих баланса подземных вод и определение ущерба поверхностному стоку.

При прогнозном моделировании геомиграции основные решаемые задачи это – обоснование зон санитарной охраны (ЗСО) II и III поясов;

прогноз подтягивания к водозаборам подземных вод некондиционного качества;

прогноз распространения загрязнения в подземных водах;

прогноз изменения качества подземных вод на водозаборах.

Примеры практического применения математического моделирования при оценке (переоценке) запасов подземных вод Региональная переоценка запасов Московского региона была вы полнена в 2002 году, она выполнялась с применением гидродинамиче ского моделирования.

Площадь Московской области составляет 47 тыс. км2, суммарный водоотбор – 1,6 млн. м3/сут, имеют место сложные и разнообразные гид родинамические условия и разнообразные граничные условия: (крупные и мелкие реки, водоемы, водохранилища, дренажные системы, водоза борные скважины, которых насчитывается свыше 15 000). При переоцен ке было выделено 39 месторождений подземных вод.

При оценке и переоценке запасов крупных и средних водопользова телей нами используется математическая модель Московского региона.

А.А. Рошаль, Е.Ю. Потапова Крупные водопользователи – суммарный водоотбор, по водозаборам ко торых превышает 50 тысяч м3/сут, а количество водозаборных узлов – более 5.

Примеры крупных водопользователей, оценка запасов которых вы полнялась с применением математического моделирования, а для реа лизации моделей использовалась модель Московского региона – водо канал г. Подольска (территория Верхнедеснянского и Пахринско-Дес нянского месторождения), водоканал г. Раменского (территория Моск ворецко-Гжелкинского) месторождения.

Средние водопользователи – суммарный водоотбор которых не более 10 тысяч м3/сут, количество водозаборных узлов – менее 5. Гид рогеологические условия по участкам недр и соответственно по всей территории Московского региона определяются чередованием карбо натных и глинистых отложений. Месторождения в Московском регио не, как правило, относятся ко 2 группе сложности.

По результатам полевых и камеральных работ и с учетом архивных данных разрабатываются детальные геофильтрационные модели.



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 15 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.