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 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 15 |

«3 Оглавление О ГЛАВ Л ЕН И Е ...»

-- [ Страница 7 ] --

Размер детальных моделей составляет от 500 до 1500 км2, определя ется величиной области формирования потока. Сеточная разбивка мо делей детального уровня обычно – 250 м. Слойность и тип слоев опре деляются строением гидрогеологического разреза. Детальные модели содержат от 5 до 8 расчетных слоев.

Как правило, калибровка моделей (решение обратных задач) осуще ствляется на три периода времени при существующих гидродинамиче ских условиях;

при решении эпигнозной задачи на год максимального водоотбора и при моделировании естественных условий (без эксплуа тационного водоотбора).

Калибровка геофильтрационной модели осуществляется по уровням (до наилучшего совпадения модельных и фактических) и по расходам (замыкающий гидрометрический створ и расходы по частным водо сборным бассейнам). Соотношение между модельными и фактическими уровнями до достижения удовлетворительной сходимости. Довери тельный интервал и среднеквадратичное отклонение определяются дос товерностью входной информации.

Прогнозное гидродинамическое моделирование заключается в рас чете производительности водозаборных узлов с учетом потребности на расчетный срок эксплуатации – 25 лет;

количественной оценке источ ников формирования запасов подземных вод;

оценке ущерба поверхно стным водам и оценке воздействия на окружающую среду.

По результатам моделирования прогнозируются понижения уров ней подземных вод.

214 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Миграционное моделирование – расчет зон санитарной охраны Зоны санитарной охраны второго и третьего поясов – зоны захвата для скважин на заданный расчетный период времени. Зона захвата – это область, ограниченная изохронами распространения потоков подземных вод по расчетным линиям тока. В многослойной среде зона захвата – трехмерная область. Совокупность линий тока, замыкающихся на кон кретную скважину, – зона захвата для данной скважины. Совокупность всех линий тока скважины можно определить путем моделирования кон вективного переноса консервативного трассера.

Для расчета ЗСО моделируется массоперенос для инвертированной геофильтрационной задачи. Для расчета необходимо предусмотреть в модели дополнительные параметры: расчетное время продвижения микробного загрязнения Tм – для расчета второго пояса ЗСО (200 или 400 суток в зависимости от защищенности водоносных горизонтов);

расчетное время продвижения химического загрязнения Tх – для расче та третьего пояса (10 000 суток);

картограммы абсолютных отметок кровель всех расчетных слоев;

эффективная пористость водовмещаю щих отложений.

Требования к материалам математического моделирования, представляемым на государственную экспертизу По результатам решения обратных задач должны быть представле ны таблицы сопоставления модельных и фактических данных;

баланс моделей на все моменты калибровки;

карты модельных и фактических отметок (понижений) уровней;

карты гидрогеологических параметров по всем слоям модели.

По результатам решения прогнозных задач: карты прогнозных от меток (понижений) уровней с указанием степени осушения водоносных горизонтов;

баланс модели и его изменение в сравнении с ненарушен ным и существующим режимом.

Использование математического моделирования помогает в реше нии широкого спектра различных задач, в том числе:

• для количественной оценки запасов подземных вод;

• оценки источников формирования запасов;

• для прогноза качества воды;

• расчета зон санитарной охраны;

• оценки влияния водоотбора на окружающую природную среду.

Литература 1. Крашин И.И,. Пересунько Д.И. Оценка эксплуатационных запасов под земных вод методом моделирования (методическое руководство), М., «Недра», 1976.

М.Г. Храмченков 2. Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации, М., «Недра», 1976.

3. Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии, в 3 т., М., Изд-во МГГУ, 1998.

4. Шаманский В.Е. Численное решение задач фильтрации грунтовых вод на ЭЦВМ, Киев, «Наукова думка», 1969.

О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И МАССООБМЕНА В ГОРНЫХ ПОРОДАХ М.Г. Храмченков Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, 420008, ул. Кремлевская, 18, тел. (843) 2337427, факс (843) 2337161, mkhramch@ksu.ru Процессы массообмена, протекающие в горных породах и сопрово ждаемые существенными деформациями пород, представляют значи тельный теоретический и практический интерес для исследователей.

В качестве примеров таких процессов, имеющих к тому же важное гид рогеологическое значение, можно указать следующие [1].

1. Дегидратация океанической коры в зоне субдукции 2Mg 6 [Si4 O10 ](OH)8 +CaCO 3 +164 кал/моль серпентин кальцит 5Mg 2SiO4 +MgSiO3 +MgCaSi 2O6 +8H 2O+CO оливин энстатит диопсид 2. Гидратация основных силикатов в условиях зеленокаменного ме таморфизма 4Mg 2SiO 4 +6H 2 O 2Mg 6 [Si 4 O10 ](OH)8 + 2Mg(OH) 2 + 33ккал/моль форстерит серпентин брусит 4Mg 2SiO4 +4H 2O+2CO2 2Mg6 [Si4O10 ](OH)8 + 2MgCO3 + 65,05ккал/моль форстерит серпентин магнезит 2CaAl2Si 2O8 +4H 2O+2CO2 2Al4 [Si 4O10 ](OH)8 + 2CaCO3 + 110,54ккал/моль анортит каолин кальит 3. Гидратация железистых минералов Fe2SiO4 + 3Mg2SiO4 +5H2O 2Mg6 [Si4O10 ](OH)8 + Fe2O3 + H2 + 21,1ккал/моль фаялит форстерит серпентин гематит 4Fe2SiO4 + 12Mg2SiO4 +18H 2 O+CO фаялит форстерит 4Mg6 [Si 4 O10 ](OH)8 + 4Fe2 O3 + CH 4 + 183, 4 ккал/моль серпентин гематит 216 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) В океанических водах в присутствии сульфат-иона идет реакция с горячими породами, например 4Fe 2SiO 4 + 3Mg 2SiO 4 +H 2 O+CaSO фаялит форстерит 5MgSiO 3 + 4Fe 2 O 3 + H 2 S + CaMgSi 2 O 6 + 33,0 ккал/моль энстатит гематит диопсид Описание процесса фильтрации в пористых средах переменной массы. Среди компонентов многокомпонентного вещества твердой фа зы, как правило, есть такие, которые способны вступать в реакции об мена с аналогичными компонентами фильтрующихся флюидов. Пусть химически инертные компоненты твердой фазы обладают плотностью s и занимают объем Vs в представительном объеме V пористой среды.

Запишем уравнение баланса массы (переноса массы) флюида в порис той среде переменной:

( mS) / t + div( mSV ) = j. (1) Здесь m – доля объема транспортных пор пористой среды;

S – на сыщенность транспортных пор пористой среды флюидом, который уча ствует в обмене массой с пористым скелетом;

– плотность этого флюида;

V – скорость движения флюида в пористой среде;

j – источ ник/сток вещества между флюидом и твердой фазой.

Запишем теперь уравнение баланса массы (переноса массы) твердо го вещества пористого скелета грунта [(1 m ) sf ] / t + div[(1 m) sf W ] = j. (2) Здесь sf есть общая плотность вещества твердой фазы, W – ско рость движения вещества твердой фазы. При этом для массы твердой фазы грунта имеем M s = sVs + a [(1 m)V Vs ], sVs = M = const. (3) Здесь V, M s есть объем представительного элемента пористой сре ды и масса твердой фазы в представительном объеме соответственно, s – плотность не участвующего в реакциях массообмена вещества твердой фазы, a – плотность абсорбированных твердой фазой в ходе массообмена компонентов флюида.

Определим дилатацию = (V V0 ) / V0. (4) Здесь V0 – значение V в начальный момент времени. Заметим, что в случае уменьшения объема при деформации определение (4) совпада М.Г. Храмченков ет с определением относительной усадки. Используя предположение о малости коэффициента объемного расширения, будем с достаточной точностью полагать V = V0 exp, V0 = V ( = 0). (5) Тогда, используя (5), запишем (3) в виде M s = M (1 ) + a (1 m )V, = a / s 1.

Дифференцируя последнее уравнение по времени, получим M s m = M + (1 m )V a + (1 m ) aV aV. (6) t t t t t Выразим общую плотность твердой фазы sf, а также источник/сток j:

M (1 ) M s / t Ms sf = = a +, j=.

(1 m)V (1 m )V V Проводя дифференцирование в (2), получаем M (1 ) M s / t M (1 ) (1 m )a + +div (1 m )a + W = V. (7) t V V Используя (6) и проводя последовательные дифференцирования в (7), имеем в итоге / t = divW. (8) Далее, вводя относительную скорость движения флюида в грунте (скорость фильтрации) q = ms( V W ), запишем на основании уравне ний (1) и (8) mS / t + S m / t + mS / t + div(q) + div(mSW ) + j = 0. (9) Преобразуя последнее уравнение и пренебрегая по тем же причинам, что и выше, членами второго порядка малости qgrad, Wgrad( m), по лучим m S M s / t mS 1 +S +m + divq + mS = (10).

t t t t V Факт малости последнего членов qgrad, Wgrad( m) объясняется следующим образом. Из известного соотношения Терцаги P = f + p, где P – внешняя нагрузка на почво-грунт, f – эффективное напряже ние, p – давление в жидкости, следует, что для gradP = 0 справедливо grad f = gradp. Поскольку пористость m и плотность s являются функциями аргументов f и p, то, с учетом последнего соотношения, член Wgrad[(1 m)] в уравнении (10) пропорционален произведению 218 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Wgradp, следовательно, с учетом закона Дарси, произведению скоро сти W и скорости фильтрации q. Механика пористых сред изучает процессы, протекающие с малыми скоростями, поэтому член, содержа щий вторую степень скорости, может быть отброшен.

С учетом (6) сомножитель правой части уравнения (10) переходит в уравнение M s / t M 1 m 1 m m = a / t a / t + a. (11) V V t t После обозначения a / = имеем для (10) с учетом (11) mS 1 / t + S m / t + mS / t + divq + mS / t = M m (12) (1 m) 1a / t (1 m) / t + =.

V t t Приводя общие члены в уравнении (12), получаем mS 1 / t + (1 m)a 1a / t + mS / t + divq + M m. (13) +[mS + (1 m)] / t = + ( S ).

V t t Рассмотрим случай однофазной фильтрации S = 1;

, = const.

Тогда уравнение (13) примет вид M m divq + [m + (1 m)] / t = + ( 1). (14) V t t Считая a = const и учитывая, что при этом 1 M s m = m, получим aV t t t t ( 1) M s divq + / t =. (15) aV t В одномерном случае для вертикального сжимающего напряжения zz в пористой среде имеем в соответствии с теорией упругости zz = ( K + G ) + p. (16) Полагая вертикальную нагрузку постоянной и используя для скоро сти фильтрации закон Дарси, получаем из (15) и (16) с учетом обозна чения L = K + G М.Г. Храмченков ( 1) M s / t = div( D ) +, =. (17) aV t Здесь – вязкость флюида, k – проницаемость, и введено обозна чение kL / = D. Поскольку, как правило, проницаемость зависит от изменения объема среды, то можно считать D = D ( ). Рассмотрим да лее ряд следствий из уравнения (17).

Поромеханика горных пород с пористым скелетом постоянной массы. В этом случае массообменный поток j равен нулю, зависимо стью проницаемости от пористости, а, следовательно, и усадки можно пренебречь, и уравнение (6) с учетом того, что a = s, s (1 m) exp = M s / V0 = const, в этом случае примет вид / t = D 2 / z 2, D = const. (18) Это классический вид уравнения одномерной фильтрационной кон солидации, имеющего многочисленные приложения в механике грунтов.

Поромеханика набухающих горных пород. В этом случае a =, = 1, однако пренебрегать зависимостью проницаемости от по ристости, а, следовательно, и усадки нельзя, и на основании (17) мы в этом случае имеем / t = div( D ), D = D( ) (19) В таком виде уравнение для набухающих глинистых грунтов было получено и исследовано в [3].

Общий случай уравнения поромеханики. В случае, когда источ ник в уравнении (17) не равен нулю, мы имеем общий случай фильтра ции в пористой среде с пористым скелетом переменной массы. Этот случай отвечает многим геологическим процессам, в частности, про цессам дегидратации или гидратации горных пород [1]. Для большин ства приложений можно принять = ( ), (20) где – значение усадки на стационарной стадии процесса. В этом случае мы приходим к нелинейному уравнению теплопроводности с источником решение уравнения (17) с источником вида (20) в соответ ствии с [2] дает соотношение для скорости движения границы зоны трансформации следующего вида V = 2 D. (21) 220 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) В качестве основного вывода работы можно сказать, что предложе но уравнение, которое при подходящем выборе параметров и замы кающих соотношений, определяемых в ходе исследования, может быть использовано для количественного описания многих геологических процессов, сопровождающихся массообменом и деформированием гор ных пород.

Литература 1. Сорохтин О.Г., Чилингар Дж.В., Сорохтин Н.О. Теория развития Земли:

происхождение, эволюция и трагическое будущее. М., Институт компьютер ных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010.

2. Трубецков Д.И., Мчеллова Е.С., Красичков Л.В. Введение в теорию само организации открытых систем. М., Физматлит, 2005.

3. Храмченков М.Г. Элементы физико-химической механики природных пористых сред. Казань., Казан. матем. об-во, 2003.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОТКАЧКИ И ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В.М. Прилепин Tetra Tech, Inc., 2969 Prospect Park Drive, Suite 100 Rancho Cordova, CA Тел: 916-85-4560 Факс: 916-852-0307 vladimir.prilepin@tetratech.com Введение Загрязнение подземных вод, обнаруженное под бывшим хранили щем отходов в районе Лос-Анджелеса, может распространиться в ни жележащий водоносный горизонт, используемый для питьевого водо снабжения. В результате проведенных исследований по реабилитации загрязненной территории хранилища отходов, система откачки и очист ки подземных вод (СООПВ) была выбрана в качестве наиболее эффек тивной меры для предотвращения миграции загрязнения в подземных водах. Вдоль контура хранилища, лежащего вниз по течению и суммар ной длиной до 1600 метров, планировалась установить барьер из отка чивающих скважин на глубину до 30 метров от поверхности.

На первом этапе проектирования СООПВ были выполнены опытно фильтрационные работы на трех различных участках хранилища, вклю чающие откачки с постоянным дебитом в течение одних-двух суток с одновременной очисткой воды с применением системы фильтров и камер гранулированного активированного угля. Результаты опытно-фильтра ционных работ использовались для: (1) определения параметров водо вмещающих отложений;

(2) оценки эксплуатационных характеристик В.М. Прилепин откачивающих скважин;

и (3) предварительных расчетов количества скважин, расстояния между ними и суммарного дебита, необходимых для эффективного перехвата загрязненных подземных вод, вытекающих с территории хранилища. Предварительные расчеты показали, что для СООПВ достаточно 17–30 скважин, расположенных на расстоянии от до 100 метров друг от друга. Однако, эти расчеты рассматривали зоны захвата подземных вод только в плане и не учитывали гетерогенности водовмещающих отложений и сложного характера потока в трех измере ниях. Таким образом, для анализа трехмерных зон захвата загрязненных подземных вод откачивающими скважинами было выполнено численное моделирование.

Построение трехмерной гидродинамической модели было выполнено с помощью программы MODFLOW [1], применяемой для моделирования стационарной и нестационарной фильтрации. Миграция загрязнений мо делировалась с использованием программы MODPATH [2], рассчиты вающей траектории частиц в потоке подземных вод. Обе программы интегрированы в комплексе Visual MODFLOW Pro [3]. Модель исполь зовалась для анализа различных сценариев перехвата загрязненных под земных вод, протекающих под хранилищем, и прогноза изменений гид рогеологических условий при эксплуатации СООПВ в будущем.

Построение численной модели фильтрации Модель участка площадью 44 км2 включила территорию бывшего хранилища отходов в 65 гектаров, северная часть которого показана на рис. 1. В период с 1959 по 1965 гг. в хранилище принимались твердые бытовые и промышленные отходы. После заполнения ячеек хранилища, вырытых в глинистых покровных отложениях, слой отходов перекры вался изолирующим слоем из суглинков и глин толщиной от 1,2 до 10 м. Толщина слоя отходов в заполненных ячейках хранилища дости гала 16 метров. Ненарушенные отложения непосредственно под храни лищем – в основном слабопроницаемые или водоупорные (см. табл. 1).

Однако на глубине 15 метров от поверхности находится слой водона сыщенных песков и супесей, вдоль которого преимущественно и про исходит миграция токсичных загрязнений (растворенных хлорорга нических веществ, бензола, тяжелых металлов и др.), попадающих в подземные воды как из самого хранилища, так и других источников загрязнения, расположенных вверх по течению.

Для характеристики подземных вод производилось детальное буре ние с отбором проб из водонасыщенных пластов, а по периметру хра нилища было установлено 35 скважин мониторинга. Результаты иссле дований показали, что глубина залегания уровня подземных составляет 8–11 м от поверхности, а преобладающее направление потока подзем 222 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) ных вод – на юго-восток. Питание подземных вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и ирригационных вод, а также утечек из канала и коллекторов канализации. По расчетам водного ба ланса на верхний комплекс Белфлауэра приходится 16% от общего рас хода подземного потока, а на более проницаемые пески среднего Бел флауэра – 83%.

Рис. 1. Схема гидрогеологической модели Таблица Слои гидрогеологической модели Гидрогеологический Слои модели комплекс (средняя мощность) 1 – покровный (1,2 м) 2 – отходы (13 м – в пределах хранилища) Верхний Белфлауэр 3 – глины и тяжелые суглинки (15 м) 4 – песок, супесь (10 м) 5 – суглинок (5 м) Средний Белфлауэр 6 – песок (19 м) Непроницаемая граница модели – вдоль контаста Нижний Белфлауэр с тяжелыми глинами Водоносный горизонт Не включен в состав модели Гейдж Схематизация гидрогеологических условий описана в табл. 1. Ком плексы отложений, подстилающие хранилище, были представлены в геофильтрационной модели шестью слоями, включая слой отходов.

В плане, исходная дискретизация модели на блоки проводилась по рав номерной сетке 2121 м. Для более детального моделирования подзем В.М. Прилепин ного потока под хранилищем и вблизи скважин сетка сгущалась, с раз мерами блоков в центральной части модели 99 м, а вблизи скважин – 1,51,5 м. Граничные условия I рода задавались на верхнем и нижнем по течению краях модели на расстоянии около 2 километров от храни лища, чтобы уменьшить их влияние на численное решение уравнений геофильтрации в области хранилища. Непроницаемые границы задава лись по западному и восточному краям модели (по направлению регио нального потока подземных вод) и в основании модели (вдоль контак та с 15-метровым слоем глин нижнего Белфлауэра). На поверхности земли задавалось постоянное среднегодовое инфильтрационное пита ние 710–5 м/сут, а в районах площадок для гольфа – 1,410–4 м/сут. Ка нал вблизи хранилища моделировался с помощью пакета «Река» (гра ничные условия III рода). Заданные величины напоров на границах и расходы потока через дно канала варьировались в процессе калибровки модели.

Геофильтрационные параметры для модели были получены по опубликованным данным, результатам опытно-фильтрационных работ и лабараторных определений. В табл. 2 приводятся исходные пара метры модели по каждому слою. Используя данные по скважинам, область фильтрации разбивалась на кусочно-однородные зоны в каж дом слое кроме двух верхних. В процессе калибровки модели варьи ровались величины коэффициента фильтрации и размеры зон, пока не было достигнуто соответствие рассчитанных на модели напоров на блюденным.

Таблица Исходные значения параметров модели Упругая емкость Гравитационная по горизонтали Эффективная Коэффициент Коэффициент водоотдача Sy пористость nэ по вертикали отложений Ss пористость n Слой модели фильтрации фильтрации Kh (м/сут) Kv (м/сут) Общая (1/м) 1 0.04 0.004 0.06 3.3E-06 0.06 0. 2 0.85 [4] 0.85 [4] 0.2 3.3E-06 0.2 0.42 [4] 3 0.04 0.004 0.06 3.3E-06 0.06 0. 4 0.79 0.079 0.2 9.2E-06 0.2 0. 5 0.15 0.015 0.16 2.7E-05 0.16 0. 6 14 1.4 0.25 3.3E-05 0.25 0. 224 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Послойное распределение кусочно-однородных зон водопроводи мости, полученное в процессе калибровки стационарной модели, ис пользовалось при построении нестационарной модели. Последняя при менялась для прогноза подъема уровней подземных вод, наблюдаемого в регионе вследствие мероприятий по контролю интрузии соленых вод (с закачиванием отработанных пресных вод системой скважин вдоль побережья океана). С помощью нестационарной модели также прово дилась оценка эффективности СООПВ с учетом повышения уровней подземных вод. Кроме этого, для оценки зон захвата индивидуальны ми скважинами была откалибрована модель, использующая данные 48-часовой откачки с постоянным дебитом. На этой локальной модели оценивались трехмерные зоны захвата подземных вод для различных дебитов откачки. Во всех случаях калибровка моделей считалась за вершенной, когда величина нормализованной среднеквадратической ошибки не превышала 10% (по четвертому слою модели, представлен ному большинством скважин) и 15% (по всем слоям вместе).

Оценка трехмерных зон захвата подземных вод По достижении калибровки стационарной и нестационарной мо делей выполнялся анализ трехмерных зон захвата подземных вод от качивающими скажинами. Для анализа использовалась программа MODPATH [2], позволяющая рассчитать траектории частиц в потоке подземных вод. Частицы помещались вдоль верхнего по течению края хранилища на расстоянии 9-15 метров друг от друга под слоем отходов (в третьем и четвертом слоях модели) и прослеживались по потоку в направлении откачивающих саважин. На рис. 2 показаны пути мигра ции загрязнений с территории хранилища, рассчитанные на стационар ной модели для сценария без откачивающих скважин. Как показано в разрезе, частицы пересекают слой глин и суглинков (третий слой моде ли), путешествуют субгоризонтально по слою песков (четвертый слой модели) и через слой суглинков попадают в более проницаемый слой песков (шестой слой модели).

Откалиброванная стационарная модель далее использовалась для по лучения базового варианта размещения откачивающих скважин, при ко тором достигался полный перехват загрязненых подземных вод. Резуль таты опытно-фильтационных работ показали, что дебиты откачивающих скважин в долгосрочном плане не будут превышать 5,5 м3/сут (кроме скажин, расположенных на северо- и юго-западном сегментах гранично го контура). Cистема скважин, качающих с дебитом 1.4 м3/сут каждая, оказалась неэффективной для перехвата всех выпущенных частиц, по этому был выбран вариант с дебитами скважин от 3 до 5,5 м3/сут. Вклю чая или выключая скважины на модели, или изменяя расстояние между В.М. Прилепин ними, был получен базовый вариант эффективного перехвата загряз ненных подземных вод 29 скважинами с суммарным дебитом 80 м3/сут.

На рис. 3 показаны траектории частиц в плане и разрезе, которые эф фективно перехватываются откачивающими скважинами. Этот базовый вариант далее использовался для анализа чувствительности модели к изменениям величин параметров.

Рис. 2. Моделируемые траектории миграции загрязнений при отсутствии откачивающих скважин Рис. 3. Моделируемые траектории миграции загрязнений при эксплуатации откачивающих скважин Анализ чувствительности модели В этом исследовании анализ чувствительности модели проводился путем комбинированного использования программ MODFLOW и MODPATH. При этом оценивалось влияние изменяемых входных пара метров на способность барьера из откачивающих скважин обеспечить полный перехват загрязненных подземных вод.

226 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) В процессе моделирования трехмерных зон захвата подземных вод были выявлены следующие параметры, контролирующие эффективность перехвата откачивающими скважинами: коэффициент фильтрации (как по горизонтали, так и по вертикали), градиент напора (по величине и направлению) и интенсивность питания подземных вод. Влияние этих параметров исследовалось на стационарной модели. Влияние других параметров, включая коэффициенты гравитационной водоотдачи и уп ругой емкости отложений, оценивалось на нестационарной модели. Как на стационарной, так и нестационарной модели в качестве начального, по параметрам, использовался базовый вариант, при котором был дос тигнут полный перехват загрязненных вод 29 скважинами с общим де битом 80 м3/сут.

При изменении одного из исследуемых параметров модели (в рам ках характерных значений), нарушалась эффективность перехвата за грязненных вод, достигнутая в базовом варианте, как показано на рис. траекториями частиц, обошедших скважины. Тогда для получения пол ного перехвата, на модели менялись дебиты откачивающих скважин и (или) расстояния между ними. В результате, влияние отдельного пара метра можно выразить количественно тремя переменными: (1) общим дебитом откачки, (2) числом скважин и (3) расстоянием между ними.

В табл. 3 приводятся результаты выполненного таким образом анализа чувствительности модели.

Самое большое отклонение от базового варианта было получено при изменении на порядок величин коэффициента фильтрации и интен сивности инфильтрационного питания. Результаты анализа показывают, что в случае более высокой проводимости водовмещающих отложений под хранилищем и повышенной интенсивности питания для полного перехвата загрязненных вод может потребоваться от 33 до 40 откачи вающих скважин с общим дебитом от 380 до 680 м3/сут. Несмотря на детальное опробование и результаты опытно-фильтрационных работ, нельзя исключать присутствия под хранилищем и на его нижнем по течению контуре зон с более высокой водопроводимостью (по сравне нию с используемыми на откалиброванной модели). Однако 10-кратное увеличение инфильтрационного питания в районе хранилища в течение ближайших двадцати лет представляется маловероятным, особенно ес ли учесть планируемое перекрытие поверхности хранилища водоне проницаемым слоем.

Влияние других параметров на моделируемую эффективность пере хвата загрязненных вод относительно слабее, либо модель нечувстви тельна к их изменению. Хотя градиент напора подземного потока (по величине и направлению) является третьим по значимости параметром, существеннное его увеличение или изменение направления в будущем В.М. Прилепин не ожидается, особенно если учесть наметившееся замедление темпа подъема уровней подземных в районе хранилища.

Рис. 4. Анализ чувствительности модели: проскоки частиц вследствие изменения величин параметров Таблица Результаты анализа чувствительности модели Изменение Полный перехват достигнут величины если:

Оцениваемые общий минималь- расстояние параметры Множи- Диапа дебит ное число между сква тель зон (м3/сут) скважин жинами (м) Базовый вариант 1 1 80 29 30– Коэффициент Kh0,1 70 25 40– фильтрации по гори Kh10 380 40 20– зонтали – Kh (м/сут) Коэффициент Kv0,1 70 27 40– фильтрации по вер Kv10 100 33 30– тикали – Kv (м/сут) 0.00160,5 80 27 30– Градиент напора – i 0.00165 140 35 30– 228 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Продолжение таблицы Изменение Полный перехват достигнут величины если:

Оцениваемые общий минималь- расстояние параметры Множи- Диапа дебит ное число между сква тель зон (м3/сут) скважин жинами (м) Интенсивность 10,1 60 22 30– инфильтрационного 110 680 31 20– питания (м/сут) С–Ю 100 33 30– Направление потока – подземных вод СВ–ЮЗ 100 34 30– Ss0,01 80 29 30– Упругая емкость 10 отложений – Ss Ss100 80 29 30– Sy0,56 80 29 30– Гравитационная 2, водоотдача – Sy Sy1,30 80 29 30– Из результатов анализа чувствительности модели следует, что СООПВ должна включить от 22 до 40 скважин с общим дебитом от 60 до 680 м3/сут. Однако с учетом факторов, обсуждавшихся выше, в качестве основного рассматривался вариант с 29 скважинами и общим дебитом 80 м3/сут. Вдоль южного контура хранилища оптимальное размещение скважин ограничивается присутствием объектов инфраструктуры и скважин системы контроля биогаза. В результате некоторые из скважин окажутся на расстояниях, превышающих оптимальные, что можно ком пенсировать увеличением их дебита. Таким образом, окончательный ва риант включил 29 откачивающих скважин с общим дебитом 95 м3/сут.

Заключение С целью предотвращения миграции загрязнений в подземных водах с территории бывшего хранилища отходов в районе Лос-Анджелеса предполагается использовать систему откачки подземных вод с их по следующей очисткой. Для поддержки проектирования этой системы было выполнено численное моделирование с подробным анализом трехмерных зон захвата загрязненных подземных вод откачивающими скважинами. Анализ чувствительности откалиброванной модели к из менению значений параметров позволил оценить эффективность захва та загрязненных подземных вод путем варьирования количества сква жин, их дебита и расстояния между ними. В результате был выбран вариант, использующий 29 скважин с общим дебитом в 95 кубометров в сутки, расположенных на растоянии 30–150 метров друг от друга.

Л.Н. Синдаловский, А.М. Никуленков После того как скважины будут установлены и система запущена, будет проводиться мониторинг подземных вод. В дальнейшем планиру ется дополнительная калибрация и верификация геофильтрационной модели с учетом данных по эксплуатации откачивающих скважин.

Уточненная модель будет использоваться для выработки рекомендаций по оптимизации СООПВ.

Литература 1. Harbaugh A.W. MODFLOW-2005, the U.S. Geological Survey Modular Ground-Water Model – the Ground-Water Flow Process: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-A16. 2005.

2. Pollock D.W. User’s Guide for MODPATH/MODPATH-PLOT, Version 3:

A Particle Tracking Post-Processing Package for MODFLOW, the U.S. Geological Survey Finite-Difference Ground-Water Flow Model: US Geological Survey Open File Report 94–464, 6ch. 1994.

3. Schlumberger Water Services. Visual MODFLOW v. 4.3 User’s Manual.

2008, 658 pp.

4. Schroeder P.R., Dozier T.S., Zappi P.A., McEnroe B.M., Sjostrom J.W. and Peton R.L. «The Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Model:

Engineering Documentation for Version 3», EPA/600/R-94/168b. US. Environmental Protection Agency, Risk Reduction Engineering Laboratory, Cincinnati, OH. 1994.

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ОПРОБОВАНИЙ Л.Н. Синдаловский, А.М. Никуленков Санкт-Петербургское отделение Института геоэкологии РАН, Геологический факультет СПБГУ, 199004, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д. 41, оф. 519, тел. (812) 324-12-56, E-mail: sleonid@hge.pu.ru Использование современных компьютерных программ позволяет качественно изменить возможности интерпретации опытно-фильтраци онных опробований аналитическими методами. В первую очередь, это касается учета дополнительных факторов, оказывающих влияние на из менение уровня в процессе опробования: несовершенство скважин и их емкость, наклон скважин, скин-эффект, анизотропия пластов, плановая неоднородность, перетекание в сложных слоистых системах, влияние емкости разделяющих пластов, воздействие зоны аэрации в безнапорных пластах, двойная пористость и многое другое. Получение фильтрацион ных параметров теперь стало возможным не только по изменению уров ня в основном водоносном пласте, но и по понижениям зафиксированных в смежных пластах, а также в слабопроницаемых слоях.

Совместное применение нестационарных, квазистационарных и ста ционарных решений, гибкое изменение расчетной схемы, учет различ 230 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) ных типов границ фильтрационного потока, использование аналитиче ских и численных вычислений, прямых и обратных методов – все это значительно повышает надежность и достоверность определяемых свойств опробуемых водоносных пластов.

В докладе, на примере программного комплекса ANSDIMAT, пока заны новые подходы к обработке опытно-фильтрационных опробова ний. Представлена программа аналитического моделирования скважин ных систем AMWELLS (СПбО Института геоэкологии РАН, 2012), предназначенная для гидрогеологов, занимающихся оценкой эксплуа тационных запасов подземных вод, проектированием крупных и мелких водозаборов в различных гидрогеологических условиях, оценкой влия ния действующих водозаборов на окружающую среду.

ОЦЕНКА ЗАЩИЩЕННОСТИ ВОДОЗАБОРА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПОСЛЕ РАЗЛИВА УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА А.В. Расторгуев, О.В. Афанасьева, С.Ю. Серов, А.Е. Преображенская, В.А. Иванов МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии Для защиты подземных водозаборов от загрязнения устанавливают зоны санитарной охраны (ЗСО). При расчетах границ 2–3 поясов ЗСО как правило основываются на консервативных предпосылках не учитываю щих процессы самоочищения – защитные свойства зоны аэрации, дис персию, сорбцию, биоразложение и др. Для того что бы учесть эти эф фекты необходимо исходить из со става загрязняющих веществ. Ниже дана оценка возможности загряз нения водозабора из-за аварийного разлива на поверхности земли цис терны с нефтепродуктами. На рис. показана рассчитанная на основе ма тематического моделирования зо на захвата водозабора с положением возможного источника внутри нее.

Для оценки влияния поверхно стного разлива на качество подзем ных вод, отбираемых водозабором, необходимо оценить:

Рис. 1. Линии тока, зона захвата • Вертикальную миграцию уг водозабора, положение источника леводородов через зону аэрации от загрязнения (кружок с крестиком) А.В. Расторгуев, А.О. Васильевна, С.Ю. Серов и др. поверхности до уровня подземных вод в составе самостоятельной фазы и в растворенном виде.

• Латеральную миграцию углеводородной фазы в водоносном пла сте в области захвата водозаборных скважин.

• Латеральную миграцию растворенных в водной фазе углеводоро дов в области захвата водозаборных скважин.

Более полно постановка задачи многофазной фильтрации с учетом расширения двухфазного (вода–воздух) уравнения состояния Ван Ге нухтена на трехфазную (вода–воздух–нефть) дана в работах [2–3].

В реальных ситуациях нефтепродукты присутствуют не только в углеводородной фазе. В результате массообмена они оказываются так же в воде и воздухе. Следует отметить также, что нефтепродукты – это многокомпонентные смеси и каждая из компонент, как правило, харак теризуется своими индивидуальными свойствами, способностями к массообмену и переносу. Закон сохранения массы для компоненты фазы p может быть представлен следующим образом:

C S n p p = div( J p ) + Rp µ pCp, (1) t где C p – концентрация нефтяной компоненты в фазе p, выражается как масса на объем фазы [ ML3 ];

J pi – поток массы компоненты в составе фазы p [ ML2T 1 ] ;

Rp – скорость массообмена компоненты в единичном объеме порового пространства [ ML3T 1 ], содержащего фа зу p;

µ p – коэффициент деструкции первого порядка.

Массовый расход компоненты в фазе p переносимой потоком со скоростью v p и гидродинамической дисперсией Dp описывается как:

J p = Cp v p nS p Dp Cp. (2) Для учета адсорбции компоненты на твердой фазе система урав нений 2 должна быть дополнена уравнением:

CS = RS µ S CS, (3) t где CS – объемная концентрация компоненты на твердой фазе [ ML3 ];

µ S – коэффициент распада первого порядка на твердой фазе [T 1 ] ;

RS – скорость массообмена единичного объема твердой фазы [ ML3T 1 ].

Связь между содержанием компоненты в твердой и водной фазах определяется исходя из соотношения:

Cs = K d sCw, (4) 232 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) где Kd – коэффициент распределения между водой и твердой фазой, s – объемный вес породы, Kd = Koc foc, Koc коэффициент распределе ния между органическим веществом породы и раствором, f oc содержа ния органического углерода в породе.

Расчеты миграции в подземной гидросфере аварийно пролитого нефтепродукта В настоящее время существует ряд программных кодов для расче тов миграции углеводородов в подземной гидросфере: MOFAT [4], TOUGH2 [6]. Необходимые для расчетов миграции свойства нефтепро дукта, зоны аэрации и водоносного горизонта приведены в табл. 1–3.

Таблица Свойства нефтепродукта Параметр Значение Ед. измер.

кг/м Плотность Вязкость 0,0021 Па.сек Поверхностное натяжение 27 Дин/см Поверхностное натяжение на границе 48 Дин/см раздела нефтепродукт–вода Константа биодеструкции, µ сут– 0, Максимальная растворимость 0,1 г/л Таблица Расчетный разрез зоны аэрации и параметры влагопереноса на площадке аварийного разлива нефтепродуктов Параметры № Состав Интервал влагопереноса слоя отложений глубин, м -, м l k, м/сут 1 Супесчаная почва 0,0–0,2 0,806 1,621 0, 2 Суглинок 0,2–2,2 0,790 1,296 0, 3 Песок разнозернистый 2,2–23,4 0,590 1,555 4, Таблица Параметры определяющие миграцию нефтепродуктов Параметр Значение Ед. измер.

кг/м Объемный вес породы Пористость 0, Коэффициент фильтрации в горизонтальном 7 м/сут направлении Cодержания органического углерода в породе, f oc 0, Коэффициент распределения между органическим 83 л/кг веществом и породой, Koc А.В. Расторгуев, А.О. Васильевна, С.Ю. Серов и др. Параметры характеризующие сорбцию и биоразложение были взя ты согласно рекомендациям [5].

Расчеты вертикальной миграции нефтепродукта через зону аэрации При расчетах, в соответствии с условиями в месте возможной утеч ки, мощность зоны аэрации была принята равной 23,4 м. Начало коор динат на модели соответствует положению уровня подземных вод. Там было задано условие первого рода – насыщенность порового простран ства водой Sw = 1.

На поверхности земли принято условие второго рода, инфильтра ционное питание равное W = 62 мм/год, определенное согласно мето дике [1].

Расчеты вертикальной миграции проводились в следующей после довательности:

– воспроизведение начальной влажности, соответствующей пара метрам влагопереноса и инфильтрационному питанию;

– моделирование миграции массы загрязнения (60 т) через сечение площадью 100 м2 до уровня подземных вод.

Результаты расчетов миграции через зону аэрации свободных неф тепродуктов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Результаты расчета миграции нефтепродуктовой фазы а через зону аэрации 234 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Результаты расчетов показывают, что в данном случае время ми грации разлитого нефтепродукта с поверхности до уровня подземных вод прогнозируется равно 2.1 года.

Расчеты горизонтальной миграции нефтепродуктов Расчет горизонтальной миграции нефтепродуктов от зоны аварий ного разлива нефтепродуктов для ВЗС был сделан на основе трехмер ной модели. Моделирование миграции нефтепродуктов было разбито на 2 этапа:

1. Воспроизведение установившихся условий фильтрации и влаго переноса.

2. Моделирование поступления нафтила заданной массы (60т) на уровень подземных вод и расчеты миграции нефтепродукта от места аварийного разлива.

Результаты расчетов латеральной миграции свободных и раство ренных нефтепродуктов приведены на рис. 3, 4. На этих рисунках пока заны предельные положения углеводородного загрязнения. В после дующие моменты времени, насыщенности углеводородной фазой будут менее 0,001 (при таких насыщенностях свободные нефтепродукты пе рейдут в неподвижное защемленное состояние), содержание растворен ных углеводородов будет ниже ПДК (0,0001 г/л).

Рис. 3. Максимальное перемещение Рис. 4. Максимальное перемещение линзы нефтепродуктов ореола растворенных нефтепродуктов с насыщенностью So = 1 0.001 с концентрацией 0,0001 г/л (14 лет с момента разлива) (17 лет с момента разлива) Выводы Приведенные расчеты показывают целесообразность учета процес сов самоочищения подземной гидросферы от углеводородов при обос новании защищенности подземных водозаборов.

Авторы благодарны компании ГИДЭК за предоставленные мате риалы, Гриневскому С.О. за помощь в обосновании параметров ин фильтрационного питания и влагопереноса.

И.В. Капырин, Ю.В. Василевский, А.В. Расторгуев Литература 1. Гриневский С.О., Поздняков С.П. Принципы региональной оценки ин фильтрационного питания подземных вод на основе геогидрологических моде лей // Вод. ресурсы. 2010. Т. 37, № 5. С. 1–15.

2. Расторгуев А.В., Куранов П.Н. Гидравлические и гидродинамические модели многофазной фильтрации для обоснования защиты подземных вод от загрязнения. Сборник докладов конференции посвященной 50-летию кафедры гидрогеологии, 2003, с. 171–183.

3. Румынин В.Г. Геомиграционные модели в гидрогеологии. СПб., Изд-во Наука, 2011.

4. Katyal, A.K., J.J. Kaluarachchi, and J.C. Parker MOFAT: A two-dimen sional finite element program for multiphase flow and multicomponent transport, program documentation and user’s guide, EPA-600/2-91-020, NTIS PB91-191692, U.S.EPA, R.S. Kerr Environ. Res. Lab., Ada, OK, 1991, 109 pp.

5. Newell C.J., Gonzales J. and McLeod R.K. BIOSCREEN Natural Attenuation Decision Support System., 1996, EPA/600/R-96/087. U.S. EPA, Center for Sub surface Modeling Support, Ada, OK.

6. Pruess, Karsten and Battistelli, Alfredo. TMVOC, A Numerical Simulator for Three-Phase Non-Isothermal Flows of Multicomponent Hydrocarbon Mixtures in Saturated-Unsaturated Herogeneous Media. Berkeley, CA, USA: Earth Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, April 2002.LBNL-49375.

РАСЧЕТНЫЙ КОМЛЕКС GeRa ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ И ГЕОМИГРАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ И.В. Капырин1, Ю.В. Василевский2, А.В. Расторгуев Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, 115191, г. Москва, ул. Большая Тульская, 52, ivan.kapyrin@gmail.com Институт вычислительной математики РАН, 119333, г.Москва, ул. Губкина, 8, yuri.vassilevski@gmail.com МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, 119991, г. Москва, Ленинские горы, alvr9@mail.ru В настоящее время ИБРАЭ РАН совместно с ИВМ РАН и учеными из других организаций (МГУ им. М.В. Ломоносова, Вычислительный центр РАН, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, НИИ «Водгео» и др.) ведется разработка программного комплекса GeRa (Geomigration of Radionuclides) для расчета трехмерных задач гео фильтрации и геомиграции загрязнений. С его помощью в перспективе должны быть решены как задачи оценки безопасности конкретных за хоронений РАО, так и задачи по выработке оптимальных технологиче ских решений при замыкании ядерного топливного цикла (ЯТЦ) с точ 236 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) ки зрения образующихся РАО, определены требования, накладываемые условиями захоронения РАО, на отдельные стадии ЯТЦ и их характе ристики.

Функционал GeRa нацелен на реализацию полной цепочки гидро геологического моделирования. Моделирование начинается с построе ния геологической модели по данным полевых и лабораторных иссле дований. Затем создается расчетная сетка и задаются необходимые граничные и начальные условия, а также параметры модели. Произво дится выбор расчетной модели и наиболее эффективных методов чис ленного решения, выполняется расчет и визуализируются его результа ты. Последним шагом является оценка достоверности результатов и подбор оптимальных параметров модели (калибровка), в определении которых присутствуют неопределенности. Перечислим основные функ ции расчетного комплекса GeRa, которые должны быть реализованы:

• Интерактивное создание геологической модели по картографиче ским данным, колонкам скважин и результатам полевых исследований.

• Адаптивное создание расчетных сеток с возможностью управле ния шагом сетки по горизонтали и вертикали, сетки должны отражать локальные особенности расчетных областей.

• Возможности учета в моделях следующих физических и химиче ских процессов:

1. фильтрация: насыщенная и насыщенно-ненасыщенная, в поро вой среде и по системе трещин;

2. многокомпонентный перенос: адвекция, диффузия, гидроди намическая дисперсия;

3. радиоактивный распад;

4. химические взаимодействия в системе вода-порода (равновес ные и неравновесные модели геохимических процессов);

5. теплоперенос;

6. тепловая и плотностная конвекция;

7. двухфазная фильтрация раствор–газ.

• Возможность параллельного запуска с целью решения больших задач (десятки-сотни миллионов неизвестных) на суперкомпьютерах;

• Эффективное хранение исходных данных (параметры сред, ре жимы эксплуатации, климатические условия и др.), данных мониторин га, результатов расчетов, параметров моделирования.

• Визуализация расчетной сетки и решения, графический анализ результатов расчетов.

• Калибровка моделей, оценка достоверности получаемых резуль татов.

И.В. Капырин, Ю.В. Василевский, А.В. Расторгуев Все функции объединеняются в едином пользовательском графиче ском интерфейсе. Комплекс имеет модульную структуру, что обеспечи вает удобство в проектировании, программировании и расширении его функционала. GeRa ориентирован как на работу на персональной ЭВМ, так и на многопроцессорной ЭВМ.

Программная реализация комплекса нацелена на достижение трех важнейших качеств: точности, скорости и применимости для макси мально широкого круга задач. Так, сеточный генератор предполагает использование наиболее общего класса расчетных сеток – неструктури рованных многогранных сеток, ячейками в которых могут быть произ вольные многогранники. С одной стороны, этот класс включает в себя широко используемые гексаэдральные и тетраэдральные сетки. С дру гой – позволяет строить сетки с разным типом ячеек. В настоящий мо мент в GeRa реализованы два метода построения сеток – треугольно призматические сетки и многогранные сетки из «сколотых» гексаэдров на основе восьмидеревьев. Предлагаемые методы рассчитаны на слои стые геологические среды и позволяют адаптировать шаг сетки к тре бованиям задачи (локальное сгущение). Использование неструктуриро ванных локально сгущающихся сеток позволяет, во-первых, получить высокую точность в подобластях, где это наиболее критично, и, во вторых, обеспечить вычислительную эффективность за счет малого числа ячеек в тех областях, где высокая детализация не требуется. В перспективе возможно динамическое перестроение сеток, адаптирую щихся к решению.

Одним из ключевых достоинств разрабатываемого комплекса должно стать применение наиболее современных методов дискретиза ции задач. Речь идет о методах дискретизации основных операторов, входящих в уравнения фильтрации и переноса, методах решения нели нейных задач, схемах численного решения «мультифизичных» задач (со множеством взаимосвязанных процессов).

В первую очередь, необходима разработка методов дискретизации основных операторов: диффузии (также необходимо для решения зада чи фильтрации) и адвекции. К этим дискретизациям предъявляются следующие требования:

• Консервативность, т.е. сохранение массы вещества. Желательно, не только глобальная консервативность, но и локальная консерватив ность на ячейках сетки.

• Возможность работы на неструктурированных трехмерных сетках с произвольными многогранными ячейками.

• Высокая точность, желательно, порядок точности по пространст ву не ниже второго.

238 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) • Робастность, то есть, применимость для максимально широкого диапазона входных параметров: неоднородных и анизотропных коэф фициентов фильтрации, диффузии-дисперсии.

• Низкая численная диффузия для дискретизации оператора пере носа. Минимизация численной диффузии необходима для точного пе реноса фронтов радионуклидного загрязнения.

• Неотрицательность получаемых решений. Данное требование связано с часто встречающимся нарушением свойств монотонности решений большинством расчетных схем при расчетах на нерегулярных сетках определенного вида (к примеру, не удовлетворяющих свойству Делоне) или при анизотропии коэффициентов.

• Достаточная степень локальности, то есть, шаблон дискретизации каждого оператора на заданной ячейке должен включать только саму ячейку и ее соседние ячейки (через грань, либо через вершину). Это позволит при параллельных обменах пересылать между процессорами только один сеточный слой.

• Удовлетворительное число обусловленности матриц, создавае мых в процессе дискретизации. Возникающие большие системы линей ных уравнений должны эффективно решаться используемыми в коде GeRa итерационными методами с переобуславливанием.

Исходя из вышеперечисленных требований, для построения дис кретизации выбраны методы конечных объемов (МКО). МКО позво ляют в явном виде вычислять фильтрационные потоки через грани сетки, что важно при сопряжении задач фильтрации и переноса. Дис кретизации пространственных операторов являются базовыми мето дами, используемыми при решении любой задачи геофильтрации и геомиграции. В комплексе GeRa реализован ряд новых методов дис кретизации основных операторов в задачах фильтрации и геомигра ции: монотонный нелинейный МКО, схема переноса с кусочно линейным восстановлением на ячейках сетки. Нелинейный МКО га рантирует неотрицательность расчетной концентрации веществ, что важно, в первую очередь, для корректных расчетов геохимических реакций. Новая схема переноса обеспечивает второй порядок точно сти и низкую численную диффузию, что особо актуально в задачах с четко выраженными фронтами. Оба метода применимы для произ вольных коэффициентов задач и геометрии расчетной области, на сет ках с многогранными ячейками.

Вторым этапом развития методов дискретизации является расшире ние спектра численных моделей и соответствующая разработка числен ных схем, реализующих эти модели. В частности, предполагается раз работка следующих моделей высокого уровня сложности:

И.В. Капырин, Ю.В. Василевский, А.В. Расторгуев • Модель насыщенно-ненасыщенной фильтрации (на основе урав нения Ричардса) и переноса в зоне аэрации. Предполагает решение сильно нелинейных задач. Требует разработки специальных методов для аппроксимации граничных условий разных типов.

• Модель геофильтрации-геомиграции с учетом плотностной и теп ловой конвекции, процесса переноса тепла. Необходимы устойчивые и вычислительно эффективные алгоритмы сопряжения расчетных моде лей фильтрации и переноса.

• Модель геофильтрации-геомиграции с учетом кинетики химиче ских реакций в системе вода–порода.


Также вышеперечисленные модели могут комбинироваться между собой, что еще более усложняет задачу. Для расчета геохимических взаимодействий в системе вода-порода предполагается интеграция нахо дящейся в свободном доступе и получившей широкое мировое признание программы PHREEQC (Американская геологическая служба USGS).

С целью обеспечения эффективной параллелизации комплекса GeRa разрабатывается программная платформа MSPP (Mesh and Solver Parallel Platform) для выполнения операций с распределенными сетками и дан ными. Платформа основана на стандарте межпроцессорного обмена MPI и помимо оптимизации расчетов призвана также минимизировать усилия разработчиков при переходе от написания последовательных программ к параллельным. Для разбиения сеток используются сторонние пакеты Zoltan (лаборатория Сандии, США) и ParMetis (университет Миннесоты, США). Параллелизация программы позволяет за приемлемое время ре шать «большие» задачи с десятками-сотнями миллионов неизвестных, что важно для обеспечения точности расчетов. Отметим, что вычис лительно затратные расчеты химических превращений выполняются локально на каждой ячейке, и, следовательно, они эффективно и легко параллелизуются. Наибольшую сложность для параллелизации представ ляет решатель линейных систем. В комплексе GeRa будет использована свободно распространяемая библиотека параллельных итерационных решателей PETSc (разработка Аргонской национальной лаборатории США), а также решатель собственной разработки.

Дальнейшее развитие комплекса предполагает дополнение средст вами оценки достоверности и неопределенности в результатах, а также калибровки параметров моделей. Для калибровки может быть исполь зована программа PEST, находящаяся в открытом доступе.

Таким образом, при разработке программного комплекса GeRa ис пользуется сбалансированный подход. С одной стороны, предполагает ся максимально возможное использование существующих свободно распространяемых программных средств, получивших признание спе 240 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) циалистов. С другой стороны, разработчиками делается упор на те об ласти, в которых возможно достижение высоких результатов за счет использования новых технологий (численные методы, методы построе ния геологических моделей, параллельность, сложные «мультифизич ные» модели). Такой подход позволяет сэкономить ресурсы, сохранить компетенцию в области современных расчетных средств анализа безо пасности, обеспечить гибкость комплекса при создании моделей для уникальных российских объектов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ 11-01-00971-а и 12-01-33084.

Литература 1. Василевский Ю.В., Коньшин И.Н., Копытов Г.В., Терехов К.М. INMOST – программная платформа и графическая среда для разработки параллельных численных моделей на сетках общего вида. Издательство Московского универ ситета, 2012. – 138 с.

2. Danilov A., Vassilevski Yu. A monotone nonlinear finite volume method for diffusion equations on conformal polyhedral meshes // Russ. J. Numer. Anal. Math.

Modelling. 2009. Vol. 24, no. 3. Pp. 207–227.

3. Nikitin K., Vassilevski Yu. A monotone finite folume method for advection diffusion equations on unstructured polyhedral meshes in 3D // Russ. J. Numer. Anal.

Math. Modelling. 2010. Vol. 25, no. 4. Pp. 335–358.

4. Aavatsmark I. An introduction to multipoint flux approximations for quadrilateral grids. Computational Geosciences. №6. 2002. Pp.405–432.

ПРОФИЛЬНЫЕ МОДЕЛИ БЕЗНАПОРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В ЗАДАЧАХ ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ (ПРОГРАММЫ PERFIL, 1WELL, SINK) М.В. Лехов Геологический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова, Ленинские горы, Москва, ГСП-1, 119991, lehov@mail.ru Расчеты несовершенных скважин, подпора, дренажа, подтопления сооружений и склонов в инженерно-гидрогеологических исследованиях крупного масштаба нередко нуждаются в разработке профильных мо делей. В некоторых задачах гидрогеомеханики, которая является теоре тической базой инженерной гидрогеологии, неприменима предпосылка Дюпюи-Форхгеймера о постоянстве напоров и их градиентов в верти кальном сечении. Она лежит в основе гидравлического подхода в тео рии фильтрации [4], используемого в большинстве аналитических ре шений и схемах планового моделирования.

М.В. Лехов Главной особенностью профильных моделей безнапорной фильтра ции является неявное условие на свободной поверхности и на границах (например, на фильтре скважины, на затопленном участке). Ситуация осложнена тем, что она пересекает разнородные слои, подтапливает сооружения, водоемы, поверхность земли, существенно влияет на из менение характеристик грунтов и горных пород при рассмотрении на пряженно-деформированного состояния, на ней формируется баланс водоотдачи, инфильтрации и испарения. Во многих случаях этими яв лениями с определенной погрешностью пренебрегают, и используют гидравлический подход. Но при значительных градиентах и несовер шенных внутренних границах моделирование потока в разрезе дает возможность детального изучения особенностей, недоступных в плано вой постановке.

В специфических задачах профильной фильтрации обилие нели нейных факторов требует специального, программного моделирования, опирающегося на совокупность теоретических знаний, численных ме тодов и средств визуализации. Представленные в докладе модели реа лизуются в виде программ с решением уравнения фильтрации методом конечных элементов МКЭ, более эффективного при плавающей грани це, чем метод конечных разностей МКР. Треугольные элементы дают аппроксимацию свободной поверхности и границ слоев в виде ломаной линии, более высокого порядка, чем ступени блоков в МКР. Узлы с на порами располагаются на границах элементов (и на свободной поверх ности), а не в центре блоков. Минимизация балансовой невязки сеточ ного уравнения производится с помощью сплайн-взвешивания, а матрица коэффициентов системы линейных уравнений в 2-х мерном случае имеет семь диагоналей в отличие от пяти в МКР.

Далее рассмотрены основные позиции разработки программных моделей для решения трех профильных задач фильтрации – по ленте тока в разрезе (PERFIL), осесимметричной в окрестности скважины (1WELL), вертикальной в консолидируемой среде (SINK).

Профильная модель фильтрации по ленте тока PERFIL Модель используется в гидродинамических расчетах потока в окре стности подземного сооружения, несовершенного дренажа, выявления заболачивания, подпора или отрыва свободной поверхности от дна во доема, потоков в предгорных и оползневых склонах. Задачи требуют уче та сложной геометрии границ в разрезе. В большинстве задач инженер ной гидрогеологии рассматривается стационарная фильтрация. Случаи нестационарные вполне обосновано могут использовать метод смены стационарных состояний. В методологическом отношении не следует забывать, что профильный расчет фильтрации применим к ленте тока 242 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) постоянной ширины 1 м. Примеры – фильтрация под плотиной, транзит под несовершенным линейным дренажем, поток в склоне. Для потока планово-непараллельного переменная ширина ленты тока по потоку должна быть приведена к постоянной путем коррекции латеральной ко ординаты. Наглядный пример – задача обходной фильтрации из водохра нилища. В этом случае нестационарная постановка задачи применима с ограничениями, так как изменчивой может стать структура потока.

Рис. 1. Экранная копия модели PERFIL фильтрации в оползневом склоне Днестровской ГАЭС. Под свободной поверхностью выделены трансформированные элементы. На штрих-пунктирной оси – эпюра напоров Поток описывается уравнением (1.1) в координатах разреза x, z с ко эффициентами фильтрации kx(x, z), kz(x, z) и упругоемкости *(x, z) H H * H + kz = kx. (1.1) x x z z t Упругий режим редко встречается в практических задачах. Свойст ва пород в программе моделирования задаются по слоям (кусочно однородная схема), что позволяет, меняя значение k, изменять все поле их проницаемости. Свободная поверхность определяется ее положени ем H = z, инфильтрацией w(x) и гравитационной водоотдачей µ(x, z) в виде кинематического условия [4] 2 H H H H + kz kz + w=µ. (1.2) kx x z z t На верхней границе области в зависимости от условий залегания мо жет быть задана непроницаемая граница в основании фундамента;

гра ничное условие ГУ 1 или 3 рода при подпоре водоема;

инфильтрация из водоема при отрыве. В случае подзаболачивания поверхности земли Z3 на участке может быть задано или ГУ1 H = Z3 или ГУ3 с сопротивлением фиктивного (почвенного) слоя. На подстилающем криволинейном водо М.В. Лехов упоре задается непроницаемая граница или перетекание из нижележаще го горизонта путем задания ГУ3 с параметром перетока.

Профильный поток ограничен вертикальными границами – питания с одной стороны и разгрузки с другой, – на которых задается известный напор или известный (например, по модулю стока, по результатам рас четов) расход или их комбинация. Возможны случаи, требующие зада ния на границе несовершенного водоема. Дренаж внутри области моде лируется как ряд неограниченного простирания вкрест разрезу. Это может быть горизонтальная дрена точечной или реальной ширины.

В последнем случае может быть задано сопротивление лотка дрены как параметра ГУ3. Вертикальный дренаж моделируется заданием в интер вале фильтров ГУ3 с сопротивлением, определяемым по известным для ряда скважин формулам, исходя из шага и диаметра.

Сеточная разбивка области осуществляется вертикальными и гори зонтальными или наклонными линиями, что позволяет учитывать вы клинивание слоев, наклон поверхности земли и потока. Полученные четырехугольные блоки программа делит на треугольники. Параметры задаются по их площади, напоры в узлах, характеристики ГУ3, расхода, питания на сторонах треугольников.

Метод конечных элементов состоит в расчете напоров при условии минимизации интеграла балансовой невязки уравнения (1.1), взвешен ной в области прилегающих к узлам элементов с использованием сплайн функции. Сплайн также используется для аппроксимации функ ции в пределах элементов, равен 1 в узле и 0 на их внешних границах (метод Галеркина).


Решение системы линейных уравнений, которая получается в ре зультате интегрирования, включается в итерационный процесс, связан ный с нелинейностью условий. Решающее значение для автоматизации имеет алгоритм трансформации элементов на свободной поверхности, условий на границах. Он обеспечивает неразрывное перемещение узлов по сторонам треугольников и изменение их площадей. Результатом ре шения является поле напоров, скоростей и расходов с визуализацией эпюр, свободная поверхность и подтопленные участки на геофильтра ционном разрезе (рис. 1). Результаты экспортируются для расчетов, на пример, устойчивости склонов и сооружений или массопереноса.

Профильно-радиальная модель притока к скважине 1WELL В задачах скважинной гидродинамики почти всегда приходится иметь дело с неоднородностью фильтрационных и емкостных парамет ров слоистых или зональных систем, нестационарным осушением пород при водопонижении или их подтоплением при наливах. Известные ана литические модели слоистых пластов по сути – модели однородного по 244 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) тока с перетеканием, основанные на предпосылке Дюпюи. При условии корректного применения они могут дать обобщенные параметры неодно родного пласта. Но потребность в изучении неоднородности пласта заставляет искать возможности соответствующего планирования экспе римента и его интерпретации. И тот, и другой этап нуждается в модели ровании с учетом разнородных слоев, выявленных при изучении разреза.

Возможности опытно-фильтрационного опробования могут существенно расшиться при использовании кустовых длительных опытов, в которых проявляется динамика гетерогенной емкости и перетекания. Неоднород ность, емкость и перетекание – те факторы, которые определяют верти кальную составляющую потока. Отсюда – необходимость разработки модели нестационарного потока, двухмерного в разрезе.

Еще одна причина разработки модели – необходимость исследова ния особенностей гидравлики потока, осложняющих реакцию опытной скважины и, возможно, ближайших наблюдательных. Особенно эти вопросы приобретают актуальность в изыскательской практике, где по следнее время для изучения параметров применяются одиночные крат ковременные и экспресс откачки и наливы. Кольматация, нависание потока над фильтром, высачивание, несовершенство в неоднородном пласте делают данные необрабатываемыми с помощью известных ана литических приемов. Опасность с собой несет, например, мнимое про явление квазистационарности с прямолинейным участком графика S– lgt, расчет по которому дает иногда на порядок заниженную проводи мость, поскольку во многих случаях искажен работой емкости ствола.

Еще более безысходным видится применение экспресс опытов. Анали тические приемы их обработки исходят из невыполнимых предпосы лок, имеет место также ложное проявление характерных участков на графиках, расчет по которым этими приемами дает существенно зани женные параметры (рис. 2). Все одиночные опыты искажены кольмата цией фильтра и быстрым осушением ствола.

В основе модели – уравнение (1.1) в цилиндрических координатах [3] 1 H H * H + kz = kxr. (1.3) r r r z z t Численное моделирование основано на МКЭ. В программе 1WELL обеспечено задание параметров по слоям, положения фильтра. Осуше ние при откачках и подтопление при наливах реализуется с помощью алгоритма автоматической трансформации элементов для периодов опыта и восстановления.

Кроме поиска свободной поверхности с условием (1.2) в программе реализовано условие реального стока на скважине [1]. При заданном дебите напор для реального стока, участок высачивания, сработка ем М.В. Лехов кости ствола заранее неизвестны, что определяет их итерационный подбор, как и подбор свободной поверхности. Итерации производятся для ГУ на фильтре – 1 или 3 рода, в зависимости от кольматации.

Рис. 2. Модель 1WELL фильтрации в слоистом пласте при откачке из несовершенной скважины с высачиванием и кольматацией фильтра Помимо классических задач модель может использоваться в таких задачах, как влияние инфильтрации-испарения, емкости ствола, за держки реакции наблюдательной скважины, степени вскрытия пласта, изменения дебита и прочих случаях, аналитическое решение для кото рых найти затруднительно. График на рис. 3, например, показывает несоответствие аналитическому решению [3] восстановления после экспресс налива в несовершенную скважину. Из моделирования сле дует, что одиночные опыты нуждаются в неформальном отношении к их проведению и интерпретации.

Рис. 3. Аналитическое и численное решение для экспресс налива в несовершенную скважину l/m = 1/4, d108 мм в пласте мощностью m = 16 м, k = 0,5 м/сут, *= 0,0005 м- 246 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) В программе имеется блок работы с натурными опытными данными, их обработки на основе известных эталонных решений для схем с пере теканием, упругой и гравитационной емкостью, сравнения с моделью.

Модель вертикальной фильтрации в консолидируемой среде SINK Моделирование фильтрационной консолидации является инстру ментом прогноза деформации, дренажа и изменения свойств массивов грунтов и горных пород. Задача актуальна для сжимаемых пород, тех ногенных грунтов и интересна для изучения фильтрационных явлений.

Процесс уплотнения при накоплении осадка аналогичен конечной стадии седиментогенеза. Происходит в условиях обводнения, разуплот нения и взвешивания. Определяющим является возрастание веса, от жим фильтрата из порового пространства. Процесс сопровождается ростом напоров, уменьшением эффективных напряжений и неравно мерным изменением свойств. Следствием является торможение уплот нения и оттока фильтрата. Консолидация иловых грунтов после накоп ления длится десятки и даже сотни лет.

Модель консолидации имеет практическое значение для прогноза осадочных деформаций, дренажа фильтрата [2] и опирается на законы компрессии и фильтрации. Нелинейность модели определяется взаимо зависимостью плотности, пористости, проницаемости, сжимаемости, осложняется изменением размера области решения, подвижной свобод ной поверхностью (рис. 4). Процесс требует адекватной схематизации граничных условий на подошве и на кровле с учетом изменения внеш них факторов, технических и природных.

Рис.4. Эпюры эффективных напряжений (слева) и проницаемости (справа) в вертикальном сечении z консолидируемого слоя для двух моментов (модель SINK) Г.Н. Копылова Численное решение нелинейного дифференциального уравнения фильтрации в упругой деформируемой среде рассматривает одномер ный случай 1.1 с нелинейностью по всем коэффициентам, так как упру гоемкость определяется меняющимися коэффициентами пористости и сжимаемости, а проницаемость – меняющейся плотностью или порис тостью. Модель реализована в виде компьютерной программы SINK на основе метода конечных элементов. Процесс явно-неявного моделиро вания сопровождается пересчетом на каждом шаге коэффициентов и скоростей фильтрации, пористости, сжимаемости, плотности, осадок, напряжений, а также координат узлов и границ в зависимости от де формации среды. Имитация процесса сопровождается визуализацией эпюр гидродинамических и геомеханических характеристик в верти кальном сечении толщи. Моделирование показывает значимость пара метров и самих эмпирических законов фильтрации и компрессии, кото рые используются в математической модели.

Модель и программа при соответствующей схематизации позволя ют также рассматривать и другие процессы осадки поверхности земли, в частности, при строительном водопонижении, опытной откачке, а так же ряд задач упругой фильтрации в деформируемых средах.

Литература 1. Лехов М.В. Моделирование откачек из несовершенных скважин на сеточ ных интеграторах. В сб. «Региональная геология некоторых районов СССР». М.:

Изд-во МГУ, 1976. С. 120–124.

2. Лехов М.В. Исследования фильтрационной консолидации в проекте де понирования илового осадка. Мат-лы VI Общерос. конф. изыскательских орга низаций. М., «Геомаркетинг», 2011. С. 189–192.

3. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Теория и методы интерпретации опыт но-фильтрационных работ. М., «Недра», 1978. 325 с.

4. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М., «Нау ка», 1977. 664 с.

ГИДРОГЕОСЕЙСМОЛОГИЯ:

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ Г.Н. Копылова Камчатский филиал Геофизической службы РАН, 683006, г. Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, д. 9, тел. +7(4152)431-849, факс +7(4152)431-850, e-mail: gala@emsd.ru Гидрогеосейсмология – научное направление, развивающееся на стыке гидрогеологии и сейсмологии с 70-х гг. XX в. В качестве основ ной задачи гидрогеосейсмологии выдвигалось изучение сейсмических явлений методами гидрогеологии, включая вопросы прогноза времени 248 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) сильных землетрясений [7]. Главными научно-методическими задачами гидрогеосейсмологических исследований являются создание специали зированных сетей гидрогеологических наблюдений в сейсмоактивных районах, получение многолетних временных рядов параметров режима подземных вод, систематизация изменений в гидрогеосфере под воз действием сейсмичности и разработка методов сейсмического прогноза с использованием гидрогеологических данных. Основными объектами гидрогеосейсмологии являются гидрогеологические (гидрогеодинами ческие, гидрогеохимические и гидрогеотермические) предвестники землетрясений, представляющие режимные отклонения в подземных водах перед землетрясениями, и аномальные изменения параметров подземной гидросферы во время и после землетрясений [1].

В [3] предложено называть изменения параметров режима подзем ных вод под влиянием землетрясений гидрогеосейсмическими вариа циями и разделять их на гидрогеологические предвестники, косейсми ческие и постсейсмические эффекты. Такое разделение производится в соответствии с факторами сейсмического воздействия, вызывающими соответствующие отклики в режиме подземных вод. В качестве факто ров сейсмического воздействия рассматриваются процессы подготовки землетрясений, изменения статического поля напряжений при образо вании разрывов в очагах сильных землетрясений и динамическое воз действие сейсмических волн на подземные водоносные системы.

В мировой научной литературе вопросам гидрогеосейсмологии уде ляется большое внимание. В обобщающей работе [8] представлены дан ные о гидрогеосейсмических вариациях в режиме скважин, источников, гейзеров, грязевых вулканов, рек и ручьев, главным образом, по данным наблюдений в США, Китае, на о. Тайвань и в Японии;

также рассматри вается явление разжижения грунтов при сейсмических сотрясениях (liquefaction).

На Камчатке гидрогеосейсмологические исследования проводятся с 1977 г. Большой вклад в создание специализированной гидрогеологиче ской сети и методики исследований внесли сотрудники Института вулка нологии ДВНЦ АН СССР (В.М. Сугробов, Р.А. Шувалов), Камчатской опытно-методической сейсмологической партии (с 2005 г. Камчатский филиал Геофизической службы РАН, КФ ГС РАН) (Ю.М. Хаткевич, Г.В. Рябинин, А.А. Смирнов), ОАО «Камчатгеология» (Н.Н. Смолина).

Наблюдения за вариациями уровня воды с периодичностью 5 мин– 1 ч проводятся КФ ГС РАН и ОАО «Камчатгеология» на 6-ти пьезомет рических скважинах глубиной 100–800 м (рис. 1а) с использованием цифрового регистратор Кедр ДМ, ультразвукового датчика уровня воды и датчика атмосферного давления (ООО Полином, г. Хабаровск). Сис тема регистрации и обработки данных обеспечивает точность измере Г.Н. Копылова ний вариаций уровня воды ±0,1 см, атмосферного давления ±0,2 гПа.

Результаты измерений передаются в центры обработки по каналам со товой связи с периодичностью 6–12 часов.

Рис. 1. Схемы расположения пьезометрических скважин КФ ГС РАН (светлые кружки) и ОАО «Камчатгеология» (темные кружки), на которых проводятся уровнемерные наблюдения (а), и пунктов гидрогеохимических наблюдений КФ ГС РАН (б).

Звездами обозначены эпицентры упоминаемых в докладе сильных землетрясений, произошедших за время наблюдений Наблюдения за химическим составом воды и газа проводятся с пе риодичностью 1 раз в 3–6 суток на четырех пунктах (рис. 1б), вклю чающих 9 самоизливающихся скважин и 3 источника. В составе под земной воды определяются концентрации НСО3-, Cl-, SO42-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, H4SiO4, H3BO3. В составе растворенного и свободного газа определяются методом газовой хроматографии О2, N2, Ar, CH4, He, H2, углеводородные газы. Проводятся измерения дебита (объемным спо собом) и температуры воды. Данные многолетних наблюдений содер жатся в пополняемых базах данных в КФ ГС РАН и ОАО «Камчатгео логия».

Наиболее важными результатами многолетних исследований явля ются: (1) обнаружение среднесрочных гидрогеологических предвестни ков, проявляющихся в течение месяцев–недель в аномальных измене ниях уровня воды в скважинах, минерального и газового состава подземных вод перед землетрясениями с магнитудами М 6,6 на рас стояниях до 200–300 км от пунктов наблюдений;

(2) понимание того, что на стадиях подготовки землетрясения могут проявляться два про цесса в водовмещающих породах – их квазиупругое деформирование при развитии предсейсмических движений в области будущего очага и увеличение их емкости при развитии трещинной дилатансии [6].

250 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Впервые яркие проявления предвестников были зарегистрированы в изменениях химического состава воды самоизливающихся скважин на пунктах Пиначево и Морозная перед землетрясениями 06.10.1987 г., М = 6,6 и 02.03.1992 г., М = 6,9 (рис. 2) [4].

Рис. 2. Аномальные изменения химического состава воды и свободного газа на скв. ГК-1, Пиначево и скв. 1, Морозная в период землетрясения 2 марта 1992 г., М = 6, Момент землетрясения показан вертикальной стрелкой, расположение эпицентра см. рис. 1а Г.Н. Копылова Перед землетрясением 1992 г. в составе воды скв. 1 наблюдалось пропорциональное увеличение катионов Na+ и Ca2+ и перераспределение анионов за счет относительного роста концентрации SO42- и уменьшения концентрации НСО3-. Минерализация воды увеличилась на 25%. В тече ние двух месяцев перед землетрясением наблюдалось увеличение ампли туд колебаний концентраций свободных газов на скв. ГК-1, Пиначево (рис. 2). Также имели место постсейсмические изменения гидрогеохими ческих показателей в результате сейсмических сотрясений.

Гидрогеохимический предвестник в форме понижения концентра ции хлор-иона в воде скв. ГК-1 (см. верхний график на рис. 2) прояв лялся перед шестью сильными землетрясениями с М = 6,6–7,8 из 9-ти произошедших в 1987–1999 гг. на расстояниях до 300 км от скважины.

Отсюда оценка вероятности связи такого предвестника и сильных зем летрясений составляет p = 6/9 = 0,7.

Для обеспечения формализованного выделения гидрогеохимических аномалий применяется метод статистического анализа, направленный на выделение сигналов синхронизации в совокупных изменениях мно гомерных временных рядов концентраций компонентов химического состава воды на нескольких водопроявлениях (автор метода д.ф.-м.н.

А.А. Любушин, Институт физики Земли РАН). С использованием этого метода выделяются интервалы времени и частотные полосы, в которых происходит увеличение амплитуд или повышение стабилизации фаз от дельных спектральных компонент в изменениях всех или большинства временных рядов, составляющих многомерный ряд (пример см. рис. 3).

Сигналы синхронизации, проявляющиеся в коллективных измене ниях гидрогеохимических параметров перед сильными землетрясения ми Камчатки, указывают на развитие аномальных физико-химических состояний в подземных водоносных системах на стадиях подготовки таких событий.

Проведение уровнемерных измерений с высокой точностью и перио дичностью 5–10 мин. позволило получить новые данные о гидрогеосейс мических вариациях уровня воды на стадиях подготовки и реализации сильных землетрясений. Были обнаружены гидрогеодинамические пред вестники, косейсмические скачки порового давления при образовании разрывов в очагах местных сильных землетрясений;

разнообразные пост сейсмические изменения, вызванные прохождением сейсмических волн от местных и от сильных телесейсмических событий.

Перед Кроноцким землетрясением 05.12.1997 г., М = 7,8 (рис. 1а) в скважинах Е-1 и ЮЗ-5 обнаружен гидрогеодинамический предве стник в течение трех недель в виде синхронного понижения уровня во ды в обеих скважинах [6]. В связи с Олюторским землетрясением 252 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) 20.04.2004 г., М = 7,6 (рис. 1а), эпицентр которого находился на рас стоянии 750-1150 км от наблюдательных скважин, зарегистрированы разнообразные постсейсмические изменения уровня воды, вызванные прохождением сейсмических волн [5].

Рис. 3. Частотно-временные диаграммы эволюции статистик, характеризующих коллективное поведение 3-мерного ряда концентраций хлор-иона в воде двух источников и скважины ГК-1 станции Пиначево за 19 лет Вертикальные линии – моменты сильных землетрясений.

Сигналы синхронизации выделяются по увеличению амплитуд статистик (темные пятна на диаграммах) В скв. Е-1 регулярно проявляется предвестник в форме увеличения скорости понижения уровня воды перед землетрясениями с М 5,0 на расстояниях до 350 км [2]. По данным наблюдений 1996–2012 гг. оцен ка вероятности связи предвестника и последующих землетрясений со ставила р = 26/58 = 0,45;

отношение времени тревоги к общему времени наблюдений – 0,33, эффективность предвестника для прогноза I = 1,4.

Для землетрясений с М 5,9 параметры сейсмопрогностической полез ности этого предвестника возрастают: р = 8/11 = 0,73 и I = 2,2. На осно ве выявленных гидрогеологических предвестников предложены методы среднесрочного прогноза времени возникновения сильных землетрясе ний на Камчатке с заблаговременностью месяцы–недели [2, 4], которые Г.Н. Копылова используются в системе прогнозирования сейсмической опасности в Камчатском крае.

Перспективы развития гидрогеосейсмических исследований на Камчатке связаны с дальнейшим накоплением достоверных данных о гидрогеосейсмических вариациях, в первую очередь, о гидрогеологиче ских предвестниках и закономерностях их связи с параметрами силь ных землетрясений. Не менее значимым направлением также является исследование процессов формирования различных типов гидрогеологи ческих откликов на сейсмические воздействия на основе моделирова ния. Особенности проявления таких откликов определяются комплек сом локальных условий, включающих упругие и фильтрационные свойства водовмещающих пород, строение скважин, степень изолиро ванности контролируемого объема пород и состав порового флюида.

Литература 1. Киссин И.Г., Ясько В.Г., Пиннекер Е.В. Подземная гидросфера и сейсми ческие процессы / Основы гидрогеологии. Т. 4. Геологическая деятельность и история воды в земных недрах. Новосибирск: Наука, 1982, с. 57–78.

2. Копылова Г.Н. Изменения уровня воды в скважине Елизовская-1, Кам чатка, вызванные сильными землетрясениями (по данным наблюдений в 1987– 1998 гг.) // Вулканология и сейсмология. 2001. № 2, с. 39–52.

3. Копылова Г.Н. Сейсмичность как фактор формирования режима под земных вод // Вестник КРАУНЦ. Серия науки о Земле. 2006. № 1. Вып. № 7, с. 50–66.

4. Копылова Г.Н., Сугробов В.М., Хаткевич Ю.М. Особенности изменения режима источников и гидрогеологических скважин Петропавловского полиго на (Камчатка) под влиянием землетрясений // Вулканология и сейсмология.

1994. № 2, с. 53–70.

5. Копылова Г.Н., Смолина Н.Н. Изменения уровня воды в скважинах Кам чатки в период Олюторского землетрясения 20.04.2006 г., Мw = 7,6 // Вулкано логия и сейсмология. 2010. № 3, с. 36–49.

6. Копылова Г.Н., Болдина С.В. О механизме гидрогеодинамического пред вестника Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997 г., Мw = 7,8 // Тихоокеан ская геология. 2012. Т. 31. № 5, с. 104–114.



Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 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.