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 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 15 |

«3 Оглавление О ГЛАВ Л ЕН И Е ...»

-- [ Страница 8 ] --

7. Султанходжаев А.Н., Зиган Ф.Г. Методические рекомендации к гидро геосейсмологическим исследованиям. Ташкент: ФАН, 1980, 52 с.

8. Wang C.-Y., Manga M. Earthquakes and Water. Springer Heidelberg Dord recht London New York, 2010, 225 p. DOI 10.1007/978-3-642-00810-8.

254 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ НА ТЕРРИТОРИИ СТРОЯЩЕЙСЯ РОГУНСКОЙ ГЭС НА р. ВАХШ, ТАДЖИКИСТАН Л.Н. Рожнова1, Н.Н. Кондратьев1, Л.М. Медведева1, И.А. Расторгуев ОАО «Институт ГИДРОПРОЕКТ», 125993, г. Москва, Волоколамское ш., д. 2, тел.: 8(926)5994444, факс: 8(499)1586023, e-mail: lyubovrozhnova@yandex.ru НИЦ «Курчатовский институт», 123182, г. Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, тел.: 8(499)1969489;

факс: 8(499)196-94-09, e-mail: stiar@mail.ru Введение Строящаяся Рогунская ГЭС на р. Вахш в республике Таджикистан является на данный момент одним из самых сложных объектов в гидро энергетике.

В состав сооружений ГЭС по проекту входят:

• каменно-набросная плотина высотой 335 м из местных материалов;

• строительные и эксплуатационные тоннели;

• подземное здание ГЭС, включающее машинный зал (длина 220 м, ширина 22 м, максимальная высота 78 м) и помещение транс форматоров (2002040 м), которое располагается практически в верхнем бьефе, на глубине 280 м и более от дневной поверхности.

Геофильтрационная модель участка Рогунской ГЭС создаётся для выполнения на ней фильтрационных исследований, целью которых яв ляется прогнозная количественная оценка изменения существующих гидрогеологических условий на участке основных сооружений ГЭС на разных этапах возведения и эксплуатации плотины.

В результате проведенных исследований дана прогнозная оценка воздействия фильтрации на подземные сооружения напорно-станцион ного узла, определены размеры фильтрационных потерь из водохрани лища в основании и обход плотины, и сделано заключение о достаточ ности и эффективности запроектированных противофильтрационных и дренажных мероприятий.

Построение и калибровка геофильтрационной модели Основой для построения геофильтрационной модели послужили геологические и гидрогеологические материалы ТЭО Рогунской ГЭС 1973 г., технического проекта 1978 г., рабочей документации 1992– 1993 гг. и результаты исследований последних лет 2005–2012 гг. [2, 3, 4, 5].

Район строящейся Рогунской ГЭС находится в пределах Таджик ской депрессии, характеризуется высокогорным, сильно расчлененным рельефом и высокой сейсмичностью.

Л.Н. Рожнова, Н.Н. Кондратьев, Л.М. Медведева, И.А. Расторгуев На участке основных сооружений ГЭС развиты отложения четвер тичного (распространены фрагментарно), верхнеюрского и мелового возраста. Верхнеюрские и меловые отложения представлены толщей переслаивающихся песчанников, алевролитов и аргиллитов, залегаю щих на участке плотины и подземной ГЭС моноклинально под углом 65–75°. Моноклинальное залегание пород осложнено разрывными на рушениями и крупными тектоническими трещинами.

В скальном массиве на участке основных сооружений выделены 4 инженерно-геологические зоны сохранности пород, в которых разли чия физико-механических свойств у пород одинакового литологическо го состава обусловлены различной интенсивностью разгрузки естест венных напряжений и воздействия экзогенных процессов:

I зона – зона сильного выветривания и разгрузки;

II зона – зона выветривания и разгрузки;

III зона – зона разгрузки;

IV зона – зона практически неизмененных пород.

Разделение массива на указанные зоны выполнено с учетом резуль татов опытных нагнетаний воды в разведочные скважины, пройденные с дневной поверхности и из подземных горных выработок, и геофизи ческих исследований.

Гидрогеологические условия на участке основных сооружений ГЭС характеризуются наличием порово-пластовых вод в грубообломочном русловом и пойменном аллювии р. Вахш и трещинных вод в коренных породах.

Основным и практически единственным источником питания под земных вод, развитых на участке основных сооружений ГЭС, являются атмосферные осадки. Среднегодовое количество осадков в районе строи тельства по данным многолетних наблюдений составляет 750–900 мм.

Выпадают они в виде снега (в середине и конце зимы) и дождя (весной и в начале лета).

В условиях крутого, сильно расчленённого рельефа большая часть атмосферных осадков расходится на поверхностный сток, что обуслав ливает весьма слабую обводнённость скального массива.

Скальный массив пород характеризуется совершенной сетью тре щин, формирующих блочную структуру и определяющих водопрони цаемость массива.

При геофильтрационной схематизации скального массива приня та статистическая модель трещиноватости, приводимая на модели к сплошной среде.

Различия в интенсивности и характере трещиноватости стратигра фических комплексов пород в выделенных инженерно-геологических зонах сохранности скального массива, и в пределах каждой из этих зон, 256 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) а также зоны разрывных нарушений рассматриваются при этом как фактор, обуславливающий фильтрационную неоднородность массива.

Данная модель позволяет рассматривать трещинные воды в зоне полного водонасыщения скального массива (вблизи реки это II, III и IV зоны сохранности, в районе напорно-станционного узла – это IV зона сохранности) как условный водоносный горизонт с условной общей депрессионной поверхностью и условным водоупором.

В структуре модели учтены только крупные разрывные нарушения Ионахшский и Гулизинданский разломы II порядка и номерные разло мы III порядка 35, 28 и 367 (местоположение их показано на рис. 1).

Рис. 1. Схематизация гидрогеологических условий участка Рогунской ГЭС Дискретизация модели осуществлялась с учетом пространствен ной фильтрационной неоднородности скального массива и введенных в модель сооружений: плотины, подземных сооружений напорно станционного узла и его дренажной системы.

Выделенные в скальном массиве зоны сохранности пород заданы на модели в качестве расчетных гидрогеологических слоев, характери зующихся той или иной степенью фильтрационной неоднородности.

По вертикали модель разбита на 11 слоёв:

– 1 слой – на момент эксплуатации необходим для воспроизведения топографии плотины. Вне плотины этот слой задан малой мощностью;

Л.Н. Рожнова, Н.Н. Кондратьев, Л.М. Медведева, И.А. Расторгуев – 2 слой – соответствует мощности I зоны сохранности пород (ин тенсивного выветривания и разгрузки);

– 3 слой – соответствует мощности II зоны сохранности пород (выветривания и разгрузки);

– 4 слой – соответствует мощности III зоны сохранности пород (зона разгрузки);

– 5–11 слой – IV зона относительно неизменённых пород (вне влияния экзогенных процессов).

Зона относительно неизменённых пород разбита на 7 слоёв для уче та геометрии введенных в модель подземных выработок напорно станционного узла (НСУ), а также 3-х уровней кольцевой системы дре нажа вокруг них.

При разработке 3-мерной геофильтрационной модели использована конечно-элементная дискретизация, реализуемая в программном ком плексе WASY FEFLOW version 6.1 [6].

Границы модели приняты на основании представлений о гидрогео логических условиях района (см. рис. 1). Внешние боковые границы мо дели выделены по водораздельным линиям и по линии Гулизинданско го разлома, шовная часть которого представлена глинкой трения с низкими значениями водопроницаемости. На них заданы условия 2-го рода (Q = 0 м3/сут). Нижняя граница модели задана на абс. отметке 850 м. Внутри модели задавались граничные условия 1-го рода по руслу р. Вахш, а при решении прогнозных задач – на участке под водохрани лищем.

При решении прогнозных задач фильтрации особые условия возни кают при задании трёх уровней дренажной системы вокруг НСУ, кото рые воспроизведены на модели как условие 1-го рода с ограничением на максимальный расход (Qmax = 0 м3/сут).

Уровень верхнего бьефа задавался для разных этапов заполнения водохранилища на отметках 1055 м, 1100 м, 1290 м. Уровень нижнего бьефа на модели был принят 985 м (для отметок НПУ = 1055 м и 1100 м) и 980 м (для НПУ = 1290 м).

На модели учитывалась величина инфильтрационного питания, ко торая принималась равной 15% от годовой величины атмосферных осадков, т.е. 135 мм/год (3.710–4 м/сут).

Модель имеет размеры в плане 32502770 м2. Конечно-элементная дискретизация представляет собой разбивку на 726 770 элементов и 399 528 узлов.

Геофильтрационные параметры модели были приняты на осно вании результатов гидравлического опробования скважин опытными нагнетаниями.

258 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) В качестве математической основы геофильтрационной модели используется дифференциальное уравнение стационарной пространст венной фильтрации, которое имеет следующий вид:

h h h kx + k y + k z ± Q = 0, x x y y z z где x, y, z – пространственные координаты (м);

h – напор подземных вод (м);

kx, ky и kz – коэффициенты фильтрации в направлении осей координат (м/сут);

Q – величина удельного расхода для источника (со знаком «+») или стока (со знаком «–») (1/сут), описывающая работу дренажных систем [1].

Величина инфильтрации задается отдельно в виде условия на сво бодной поверхности.

Верификация (калибровка) модели – это многовариантные расчеты с последовательным перебором фильтрационных параметров и условий на границах модели таким образом, чтобы добиться соответствия фак тических и модельных уровней подземных вод.

Для калибровки модели использовались данные о положении уровней подземных вод на участке основных сооружений ГЭС в строи тельный период в условиях водоотлива (по показаниям пьезометров, установленных в строительных подземных выработках, и ПДС (преоб разователи давления струнные), установленных за бетонной обделкой подземных сооружений).

Калибровочные расчеты показали, что заданные на модели условия на боковых границах модели и значения фильтрационных параметров приемлемы для выполнения прогнозного моделирования.

Результаты прогнозного моделирования Прогнозное моделирование, в задачи которого входило определение параметров фильтрационного потока из водохранилища на участках основных сооружений ГЭС и оценка эффективности и достаточности запроектированных дренажных и противофильтрационных мероприя тий выполнено для трёх отметок НПУ водохранилища: 1055 м, 1100 м и 1290 м.

В результате проведённых расчетов было получено, что эффектив ность запроектированной дренажной системы сооружений подземной ГЭС – высокая. Избыточное давление на сооружения НСУ даже при отметке НПУ 1290 м при осуществлении дренажных мероприятий бу дет снижено до 0–20 т/м2 – на свод сооружений и до 0–40 т/м2 – на пол.

Для снятия остаточного гидростатического давления на бетонную обделку помещений машинного и трансформаторного залов, превы Л.Н. Рожнова, Н.Н. Кондратьев, Л.М. Медведева, И.А. Расторгуев шающего 10 т/м2, в проекте предусмотрено устройство в обделке этих помещений шпурового дренажа.

Прогнозная величина суммарного водопритока в дренажную систе му машинного и трансформаторного залов составляет порядка 15 л/с при максимальном уровне НПУ.

Прогнозная величина общих фильтрационных потерь из водохрани лища на участке плотины при НПУ=1290 м будет около 3 м3/с, что со ставляет примерно 0.5% от величины среднегодового многолетнего расхода р. Вахш.

Заключение В заключение хотелось бы отметить, что моделирование такого ро да объектов является трудоёмкой и непростой задачей, так как при соз дании модели приходится сталкиваться с большим количеством слож ных вопросов, как с точки зрения геологического строения, так и с точки зрения проведения математического моделирования. Однако дальнейшее использование созданной модели позволяет значительно сократить время для решения прикладных задач геофильтрации, будь то приток в дренажные системы, утечки из водохранилища или распре деление уровня в бортах основания плотины и др.

Литература 1. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика: учебник, – М.: КДУ, 2009.

2. Отчет. I этап Технического проекта – ТЭО. г. Ташкент, 1972.

3. Отчет. Рогунская ГЭС на реке Вахш. Технический проект. Часть I.

Природные условия. Книга 3. Инженерно-геологические условия. Министер ство энергетики и электрификации СССР. ГЛАВНИИПРОЕКТ. Проектно изыскательский и научно-исследовательский институт им. С.Я. Жука. Таш кент, 1978.

4. Отчет. Фильтрационные исследования на пространственной гидрогеоло гической модели участка основных сооружений Рогунской ГЭС. ОАО «Про ектно-изыскательский и научно исследовательский институт «Гидропроект им. С.Я. Жука»», Москва, 2012.

5. Рабочая документация 1.1 Сравнительная оценка инженерно-геологиче ских и сейсмологических условий. 1079-Т32 Геология, Гидропроект, Ташкент, 1992.

6. http://www.feflow.info/about.html.

260 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) ИЗУЧЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ И АДАПТАЦИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ТРЕЩИНОВАТЫХ МАССИВОВ ГОРНОСКЛАДЧАТОГО УРАЛА П.А. Рыбников1, Л.С. Рыбникова1, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, 620019 г. Екатеринбург. ГСП-936, ул. Мамина-Сибиряка, д. 58.

Тел. (343)350-50-35 ф.(343)350-46-19 ribnikoff@yandex.ru, luserib@mail.ru Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 23.

Тел./факс (343) 374 26 Проблемы создания адекватных математических моделей трещин но-карстовых водоносных комплексов вызваны сложностью их пара метрического насыщения. Информационная обеспеченность моделей не соответствует фильтрационной структуре потока в трещиноватой среде.

Возможность использования модели сплошной среды для крупно масштабных задач осложняется тем, что на локальных моделях должны быть учтены зоны трещиноватости, приуроченные к тектоническим на рушениям или контактам пород, причем количественная характеристика их параметров отсутствует. Для решения практических задач (оценка запасов, обоснование дренажа) используются геофизические методы (в первую очередь сейсмопрофилирование) плюс балансовые по фактиче ским длительным рядам режимных наблюдений сети мониторинга [1].

C использованием геофизических методов была изучена фильтра ционная неоднородность и выполнена адаптация геофильтрационных моделей трещинно-карстовых водоносных комплексов для Серовского месторождения силикатного никеля (Свердловская область) и Моло дежного медно-колчеданного месторождения (Челябинская область).

Молодежный подземный рудник. При строительстве подземного рудника на медно-колчеданном месторождении Молодежном, распо ложенном в Верхнеуральском районе Челябинской области, при про ходке восходящей части вспомогательного уклона на глубине 80 м под земной выработкой была вскрыта водообильная зона. Расход воды, откачиваемой из зумпфа карьера Молодежный, увеличился более чем в два раза и составил 4500–4700 м3/сут. Проектом доработки запасов ме сторождения подземным способом предусмотрено, что месторождение вскрывается из карьера автотранспортным уклоном, который является одновременно и вентиляционной выработкой, а также штольнями. Про П.А. Рыбников, Л.С. Рыбникова ектом не предусматривалось расширение дренажной сети и увеличение водопритока по сравнению с существовавшим в процессе отработки месторождения карьером.

Предполагалось, что инженерно-геологические условия проходки благоприятные. Однако проходка осложнялась низкой устойчивостью кровли выработки – наличие в коре выветривания крупных блоков известняков привело к вывалам и образованию купола в кровле выра ботки. Проходческие работы на вентиляционной выработке были оста новлены. Тем не менее, шахта была введена в строй, а вентиляция осу ществлялась по временной схеме.

Возникшие проблемы обусловили необходимость проведения в конце комплекса буровых, геофизических и гидрогеологических работ, направленных на оценку инженерно-геологических и гидрогеологиче ских условий проходки вспомогательного уклона в отметках 400– для решения следующих задач:

1) уточнение геологического разреза по трассе вспомогательного уклона;

2) оценка инженерно-геологических условий проходки выработки;

3) оценка гидрогеологических условий проходки, максимального водопритока;

4) обоснование дебита водопонижения, мест заложения дренажных скважин и режима их работы;

5) оценка влияния планируемых дренажных мероприятий на под земные и поверхностные воды района.

Для уточнения геологического разреза было выполнено бурение че тырех разведочных скважин с поинтервальным отбором монолитов.

Для оценки инженерно-геологических условий были выполнены лабораторные испытания монолитов, что позволило определить основ ные инженерно-геологические характеристики горных пород, слагаю щих разрез по трассе выработки.

Также был выполнен комплекс геофизических работ – сейсмотомо графия и сейсмопрофилирование, направленных на определение ослаб ленных тектонических зон, расположенных по трассе выработки и ин тегральную инженерно-геологическую оценку условий проходки [2].

Выполненные работы позволили сделать следующие выводы.

1. Изученный по трассе горной выработки массив горных пород ха рактеризуется сложными инженерно-геологическими условиями, кото рые определяются:

• наличием в нижней части разреза сильно закарстованных, текто нически нарушенных, сильно обводненных известняков с суглинистым заполнителем;

262 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) • наличием в верхней части разреза специфических элювиальных обводненных грунтов, характеризующихся средней водоустойчиво стью, со значениями угла внутреннего трения от 15 до 27°, участками обводненных.

2. На участках пересечения горными выработками установленных тектонических зон необходимо предусмотреть технологические решения, обеспечивающие опережающее крепление кровли горных выработок.

3. На период строительства и эксплуатации транспортных тоннелей необходимо выполнить работы по снижению уровня грунтовых вод.

Методами вариантного математического моделирования на локаль ной модели установлено, что оптимальным вариантом осушения трассы «вспомогательного уклона» является восстановление действовавшей ранее дренажной скважины и бурение дополнительной скважины в районе разворота наклонного съезда. Суммарный дебит этих скважин в 3000 м3/сут обеспечит оперативное решение задачи осушения выработ ки. При этом уровень подземных вод водоносного комплекса за 6 меся цев снизится на 35 м до абсолютной отметки 405 м в районе разворота выработки, уровень подземных вод в покровных отложениях снизится на 40 м и будет залегать в отметках 423–420 м.

Эти рекомендации не были реализованы. Попытка продолжить про ходку без дренажа и опережающего крепления кровли горных вырабо ток привела к аварии: прорыву водонасыщенной горной массы в выра ботку, оседанию земной поверхности, разрушению автомобильной дороги.

В дальнейшем была предпринята попытка осушить водонасыщен ные глинистые породы с помощью установки вакуумного водопониже ния, без запуска в эксплуатацию вертикального дренажа. Вакуумное водпонижение не оказало существенного эффекта на осушение глини стых пород, так как их обводненность связана с локальным напором в известняках. На попытки осушения вакуумным водопонижением было потрачено семь месяцев. За это время усугубилась проблема с устойчи востью кровли выработки, произошло несколько вывалов, приведших к травмам горняков, возникла вероятность разрушения железной дороги, прорыва кислых вод из усреднительных прудков. В результате выра ботка была введена в эксплуатацию с отставанием от проекта в два с половиной года.

Серовский никелевый карьер. Участок № 7 Серовского месторо ждения никелевых руд расположен на восточном склоне Коло Еловского массива, в Сосьвинской депрессии. Карьер по добыче нике левых руд находится на стыке двух крупных гидрогеологических П.А. Рыбников, Л.С. Рыбникова структур (Коло-Еловского серпентинитового массива и Сосьвинского артезианского бассейна), водоносные системы которых вскрыты, соот ветственно, в его западном и восточном борту.

Существующая система водопонижения не обеспечивает безопас ную отработку карьера. Все действующие дренажные скважины обору дованы на палеозойский водоносный горизонт и не оказывают влияния на режим уровней подземных вод толщи аргиллитов с прослоями пес чаников и палеогенового водоносного горизонта. В результате смачи вания контакта коры выветривания серпентинитов и толщи аргиллитов в восточном борту карьера интенсивно развиваются оползневые про цессы. Для решения возникших проблем необходимо проведение упре ждающих дренажных мероприятий за контуром карьера.

Для нормализации ситуации с осушением карьера были выполнены геофизические исследования методами электро- (для уточнения геоло гического разреза и условий обводненности горных пород) и сейсмо разведки (для определения трещиноватости и поиска ослабленных тек тонических зон).

Комплексные геофизические исследования в пределах восточного борта Серовского карьера позволили достаточно четко установить гра ницы литологических комплексов, слагающих разрез месторождения:

• кровля песков в основании четвертичных отложений;

• кровля опок;

• кровля аргиллитов;

• кровля коры выветривания;

• кровля скальных пород;

• подошва зоны дезинтеграции.

В процессе интерпретации полученной сейсмической информации выделены три тектонические зоны, которые отражают структурные особенности пород палеозоя.

На изученном участке выделено пять перспективных участков для заложения дренажных скважин.

Учитывая особенности геологического строения восточного борта карьера – плавное погружение палеогенового водоносного горизонта с запада на восток, представляется целесообразным проводить осушение оползненопасного борта скважинами на опоки, обеспечивающими сни жение уровня подземных вод до требуемой отметки (65 м – поверх ность скольжения).

Для определения необходимого дебита водопонижения и времени, за которое уровни подземных вод будут снижены до отметки 65 м, была создана математическая модель палеогенового водоносного горизонта района восточного борта карьера.

264 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) При решении прогнозных задач установлено, что для осушения па леогенового водоносного горизонта до отметки 65 м целесообразно ис пользовать скважину V-Р (существующая скважина, может быть опера тивно включена в дренажную сеть) и скважины 13н и 11н с суммарным дебитом 8000 м3/сут. При таком дебите откачки требуемое понижение будет достигнуто за 2–2,5 года. Дебит скважин целесообразно распре делить следующим образом: 6100 м3/сут скважина V-Р (дебит, достиг нутый при кустовой откачке) и по 1500 м3/сут скважины 11н и 13н (удельный дебит скважин, определенный на стадии разведки, гаранти рует возможность такого водоотбора).

Для уточнения фильтрационных и емкостных параметров и подтвер ждения возможности отбора необходимого количества воды необходимо проведение опытно-фильтрационных работ в два этапа: на первом этапе запускается в опытно-эксплуатационном режиме скважина V-Р, прово дятся наблюдения за развитием депрессионной воронки, уточняются фильтрационные и емкостные параметры;

на втором этапе дренажная сеть дополняется еще двумя скважинами (в районе скважин 11 и 13), по вторно проводится комплекс наблюдений и корректируется суммарный дебит водопонижения из палеогенового водоносного горизонта.

Заключение. В условиях расчлененного рельефа горноскладчатых областей обводненные тектонические структуры являются определяю щим типом гидрогеологических структур. Тектоника имеет определяю щее значение в формировании основных коллекторов подземных вод.

Комплекс геофизических методов (сейсмопрофилирование, томография и электроразведка) является эффективным инструментом параметриче ского насыщения геофильтрационных моделей, позволяет достаточно достоверно определять литологические разности и ослабленные тектони ческие зоны.

Литература 1. Фельдман А.Л., Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Гидрогеологические проблемы Урала. Первая Всероссийская конференция молодых ученных, по священная памяти Валерия Александровича Мироненко / Под ред. П.К. Коно савского, Р.А. Филина. – СПб.: С-Петерб. гос. ун-т, 2010. С. 140–148.

2. Фельдман А.Л., Рыбникова Л.С., Рыбников П.А., Дубейковский С.Г.

Обоснование безопасного ведения горных работ и минимизации экологическо го ущерба при проходке и эксплуатации линейных выработок в сложных гид рогеологических условиях. Материалы 1-го Уральского международного эко логического конгресса «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов». Екатеринбург, МАНЭБ 2007. С. 250–254.

М.Г. Храмченков, Э.М. Храмченков РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ БИО ДЛЯ ПОРИСТЫХ СРЕД С РАСТВОРЯЮЩИМСЯ СКЕЛЕТОМ М.Г. Храмченков, Э.М. Храмченков Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, 420008, ул. Кремлевская, 18, тел. (843) 2337427, факс (843) 2337161, mkhramch@ksu.ru Уплотнение пористых материалов, происходящее в связи с отжи мом поровой жидкости под действием внешней нагрузки, – широко распространенное явление в природных и технологических системах.

Как правило, генерируемые нагрузкой напряжения в пористой матрице и давление в поровой жидкости неоднородно распределены по объему пористой среды. Это приводит к появлению в пористом материале об ластей с разной степенью уплотненности. Задачи, возникающие в связи с необходимостью описания процесса фильтрации жидкости в ходе по добных процессов, традиционно являются объектом особого раздела механики насыщенных и ненасыщенных пористых сред – гидрогеоме ханики, давно и успешно развиваемой в казанской школе подземной гидромеханики. Основные концепции гидрогеомеханики, устоявшиеся к настоящему времени, изложены, например, в [1]. В последнее время наблюдается интенсивный интерес к новым постановкам задач механи ки горных пород и механики грунтов в связи с исследованиями геоэко логической направленности, а также с необходимостью моделирования комплексных процессов, связанных с извлечением нетрадиционных видов углеводородного сырья, и разработки нефтяных месторождений с так называемыми трудноизвлекаемыми запасами, требующими, в том числе, детализации либо обобщения классических концепций. Подоб ные процедуры имеют как чисто теоретический интерес, так и позво ляют по-новому взглянуть на традиционную информацию эксперимен тальных исследований свойств горных пород и грунтов и наметить направления ее более комплексного использования. Эти задачи, осо бенно в приложении к реальным природным или технологическим сис темам, очень сложны, поэтому на практике часто используют различ ные приближения. Конкретными примерами такого рода систем являются, прежде всего, различные природные пористые среды, дефор мации которых приводят к заполнению порового пространства этих сред мелкодисперсными фракциями вещества пористой среды. Так, на пример, ведут себя в ходе консолидации глинистые горные породы. В гидрогеомеханике подобные процессы протекают в почвах в ходе агро технических мероприятий различного характера, а также в горном деле в процессах, связанных с эксплуатацией горных выработок различного 266 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) типа (карьеры, шахты, рудники и др.). В технологии такие явления час то наблюдаются в ходе процессов жидкостной экстракции (в пищевой и фармакологической промышленности). Таким образом, возникает не обходимость анализа совместно протекающих процессов деформаций горных пород под действием нагрузок, вызванных либо весом вышеле жащих пород, либо тектоническими причинами, и возникающих при этом миграционных потоков химических веществ (геомиграции).

Реологические соотношения для пористых сред с пористым скелетом переменной массы. Обратимся теперь к случаю фильтрую щих сред с изменяющейся массой пористого скелета. Для массы веще ства пористого скелета имеем M s = sVs = (1 m ) sV0 exp. (1) Дифференцируя последнее соотношение по времени и считая те перь массу вещества скелета переменной, получаем 1 m 1 M s 1 s / t = +. (2) 1 m t t M s t s С учетом определения s = M s / Vs из (2) следует 1 s 1 Vs 1 M s = +. (3) s t Vs t M s t Из (2) и (3) следует 1 m 1 Vs =. (4) 1 m t t Vs t Вводя определение для коэффициента кубического расширения ве щества пористого скелета = (Vs Vs0 ) / Vs0, Vs0 = Vs (t = 0), получаем для правой части уравнения (4) 1 Vs 1 =. (5) Vs t 1 + t t Используя в (5) соотношения s = K, где s = (1/ 3) ii, K = s i [8], получаем из уравнения (4) 1 m = s. (6) 1 m t t t Полагая внешнюю нагрузку постоянной, запишем для (6) 1 m ( e f ) m =, e=. (7) 1 m t t t 1 m М.Г. Храмченков, Э.М. Храмченков Интегрируя (7), получаем 1 m = e f. (8) ln 1 m Используя в (8) для связи пористости и усадки приближенное соот ношение = m m0, рекомендуемое в [2], и полагая изменения порис тости малыми, запишем окончательно = f, (9) f = K. (10) Видно, что уравнение (9) полностью согласуется с уравнениями рео логии для пористых сред с химически инертным пористым скелетом. Для сдвиговых напряжений реологические соотношения следуют очевидным образом, после определения компонент тензора деформаций сдвига по ристой среды как умноженных на (1 m) соответствующих компонент тенора деформаций сдвига твердой фазы [1, 2]. Таким образом, можно получить полный набор реологических соотношений для фильтрующей пористой среды с пористым скелетом переменной массы вида.

Описание процесса фильтрации в пористых среда с химически активным материалом пористого скелета. Среди компонентов мно гокомпонентного вещества твердой фазы, как правило, есть такие, которые способны вступать в реакции обмена с аналогичными компо нентами фильтрующихся флюидов. Пусть химически инертные компо ненты твердой фазы обладают плотностью s и занимают объем Vs в представительном объеме V пористой среды. Запишем уравнение ба ланса массы (переноса массы) флюида в пористой среде переменной:

( mS) / t + div( mSV ) = j. (11) 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. (12) 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. (13) 268 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) 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. (14) Здесь V0 – значение V в начальный момент времени. Заметим, что в случае уменьшения объема при деформации определение (14) совпа дает с определением относительной усадки. Используя предположение о малости коэффициента объемного расширения, будем с достаточной точностью полагать V = V0 exp, V0 = V ( = 0). (15) Тогда, используя (15), запишем (13) 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. (16) 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 (1 ) M s / t (1 m) a + +div (1 m)a + W = V. (17) t V V Используя (16) и проводя последовательные дифференцирования в (17), имеем в итоге / t = divW. (18) 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. (19) Преобразуя последнее уравнение и пренебрегая по тем же причинам, что и выше, членами второго порядка малости qgrad, Wgrad( m), получим m S M s / t mS1 +S +m + divq + mS = (20).

t t t t V М.Г. Храмченков, Э.М. Храмченков 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 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 (16) сомножитель правой части уравнения (20) переходит в уравнение M s / t M 1 m 1 m m = a / t a / t + a. (21) V V t t После обозначения a / = имеем для (20) с учетом (21) mS 1 / t + S m / t + mS / t + divq + mS / t = M m (22) (1 m)1a / t (1 m) / t + = V t t Приводя общие члены в уравнении (22), получаем mS 1 / t + (1 m) a1 a / t + mS / t + divq + M m. (23) +[mS + (1 m)] / t = + ( S ) V t t Рассмотрим случай однофазной фильтрации S = 1;

, = const.

Тогда уравнение (23) примет вид M m divq + [m + (1 m)] / t = + ( 1). (24) 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 =. (25) aV t 270 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Случай подземного выщелачивания. В случае, когда источник в уравнении (25) не равен нулю, мы имеем общий случай фильтрации в пористой среде с пористым скелетом переменной массы. В случае, ко гда плотность материала твердой фазы остается постоянной в ходе хи мического взаимодействия, мы имеем следующую систему уравнений, дополненную уравнением для концентрации активного компонента в растворе для реакции подземного выщелачивания (фильтрационного растворения):

m / t = (1 m ) / t [V0 (1 + )]1 Vs / t m / t + m / t + div = 0, = kµ 1( p + gz ) (26) ( mc ) / t + [V0 (1 + )]1 Vs / t + mc / t = div ( Dc c ), [V0 (1 + )]1 Vs / t = ( c c0 ) k ;

, k, c0 = const Реологические соотношения заимствуются из модели Био. Вязкость раствора полагается постоянной, а проницаемость – зависящей от по ристости в соответствии с формулой Арчи.

Ниже приведены некоторые результаты вычислительного экспери мента для закачки растворяющего агента в однородный пористый пласт.

Рис. 1. Концентрация. Рис. 2. Смещения по оси Z.

Время: 16 часов Время: конец процесса Литература 1. Николаевкий В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М., Недра, 1996.

2. Coussy O. Poromechanics. Wiley, 2004.

Л.И. Аузина ПРОГНОЗ ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ УСТЬ-ИЛИМСКОГО РАЙОНА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ БОГУЧАНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА Л.И. Аузина ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», 664074 Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Тел. (3952)405108, e-mail: auzina@istu.edu Один из самых длительных долгостроев советского времени – Богу чанская ГЭС (БоГЭС) – запустил свои первые гидроагрегаты. БоГЭС входит в Ангарский каскад ГЭС (рис. 1) и является четвертой, наиболее крупной его структурой.

Сооружение БоГЭС должно иметь большое значение для экономиче ского развития Сибирского экономического региона, с одной стороны, и уже сейчас наносит непоправимый экологический ущерб – с другой.

Место расположения ГЭС – город Кодинск Кежемского района Красноярского края. Водохранилище располагается в бассейне нижнего течения р. Ангара, в основном на территории Красноярского края и, частично, (около 16% площади зер кала) на территории Усть-Илим ского района Иркутской области.

Расчетный суммарный ущерб от создания Богучанской ГЭС и за полнения водохранилища до НПУ 208 м составил 68 млрд. рублей, без учета почти 18 млрд. рублей – за возможные потери от уничтожения объектов археологического насле дия. При этом Красноярский край несет 82,3% потерь, Иркутская об ласть – 17,7%. Однако, практически весь объем финансовых компенса ций (составляющий около10% от расчетной суммы ущерба!), а также значительные социально-экономи ческие дивиденды получает Крас ноярский край, а Иркутской облас ти достаются большие проблемы, Рис. 1. Схема расположения БоГЭС решать которые придется за счет в Ангарском каскаде ГЭС наших налоговых средств. (исследуемый участок) 272 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Основные вопросы, решение которых повлечет за собой дополни тельные (и весьма значительные) расходы, связаны с рядом аспектов.

Во-первых, рассмотрение ОВОС, разработка которого начата в 2007 г.

ведущими научными организациями г.г. Красноярск и Иркутск, так и не дошло до государственной экспертизы и общественных слушаний, в рамках которых существовала реальная возможность обосновать объем ущерба при заполнении чаши до отметки 208.0 м (изначально предпола гавшаяся отметка уровня 185 м). Во-вторых, переселение людей из зато пляемых территорий до сих пор не завершено, да и затопляемые и подто пляемые территории требуют корректировки, на что направлена данная работа. В-третьих, около 10 млн. куб. м ангарской древесины (почти часть от объема ежегодного экспорта), которая будет затоплена при достижении НПУ, десятки лет, перегнивая, будет отравлять воды водо хранилища. В-четвертых, значительный социальный ущерб связан с тем, что будут затоплены архитектурные и археологические памятники, воз раст которых в некоторых случаях составляет несколько тысяч лет [1].

При этом инвесторы отказались обсуждать вопрос о создании запо ведных территорий на прилегающих к водохранилищу территориях.

В-пятых, в процессе затопления не уничтожены скотомогильники, кото рые созданы практически около всех населенных пунктов региона.

Необходимость решения перечисленных проблем предопределила проведение детальных исследований по выделению подтопленных и затопленных территорий с целью оптимизации мероприятий, направ ленных на преодоление последствий этих процессов.

В представленной работе произведено районирование территории Иркутской области, находящейся в зоне влияния БоГЭС, по степени под топления. Работы, проводящиеся ранее и ставшие основой для экологической экспер тизы, заключались в определении зоны зато пления. Однако, в зоне риска находятся и другие территории с положением уровня подземных вод (УПВ) не более 2-х м от по верхности земли, что соответствует сезон ными колебаниями уровня. В связи с этим по ключевым участкам исследуемой террито рии (п.п. Кеуль, Тушама, Невон, г. Усть Илимск – рис. 2) сделан прогноз изменения УПВ при заполнении БоГЭС до отметки 208 м. По результатам расчетов и на основа нии составленных схем уровенных поверх Рис. 2. Расположение ностей (в программе Surfer 8.0) проведено ключевых участков районирование территории в соответствии в долине р. Ангара Л.И. Аузина со СНиП 2.06.15-85 [2,3 ] и выделены затопленная, сильно подтопленная, подтопленная, условно и потенциально подтопленная зоны (рис. 3).

Рис. 3. Гидрогеологический разрез по ключевому участку Кеуль – супесь, суглинок, – валуны, – гравий, галька, песок Зоны: 1 – затопленная, 2 – сильно подтопленная, 3 – подтопленная, 4 – условно подтопленная, 5 – потенциально подтопленная Описываемая территория расположена в южной части Средне Сибирского плоскогорья в пределах трех крупных структурных элемен тов Сибирской платформы – Тунгусской и Тасеевской синеклиз и зоны Ангарских складок. Абсолютные отметки территории изменяются в широких пределах: от 300 до 800 м. В тектоническом отношении терри тория, прилегающая к БоГЭС, относится к юго-западной окраине Си бирской платформы, располагаясь к востоку от складчатой области Енисейского кряжа. Район сложен породами различного литологиче ского состава и возраста: от нижнего отдела каменноугольной до чет вертичной систем. На территории исследований широко развиты интру зии основного состава, различные как по морфологии, так и по степени дифференциации, относящиеся к позднепалеозойско-раннемезозойской формации сибирских траппов.

Переформирование уровня подземных вод происходит преимуще ственно в горизонте аллювиальных четвертичных образований (aQIV), которые распространены по всей площади исследований и в общем имеют двухслойное строение (рис. 3): верхняя часть разреза представ лена супесями и суглинками мощностью от 0,8 до 13,9 м, среднее зна чение 4,6 м, ниже залегают песчано-гравийно-галечные отложения с включением валунов мощностью от 0,5 до 10,5 м, составляя в среднем 4,47 м. Уровень порово-пластовых подземных вод в основном вскрыва 274 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) ется на глубине 3–5 м, в редких случаях уменьшаясь до 0,6 м или уве личиваясь до 11–12 м, в среднем расчетное значение составляет 6,37 м.

Фильтрационные характеристики водовмещающих отложений разно образны и в основном зависят от физических свойств грунта. Средние значения коэффициента фильтрации: суглинисто-супесчаных отло жений – 2,15м/сут, валунно-гравийно-галечниковых отложений – 11,63 м/сут. Состав подземных вод по всему разрезу однороден, воды гидрокарбонатные натриевые. Минерализация изменяется от 0,32 до 0,85 г/дм3. Питание подземных вод преимущественно осуществляется за счет атмосферных осадков, от режима выпадения которых зависит режим порово-пластовых вод. Разгрузка вероятнее всего происходит в поверхностные воды р. Ангара и ее притоков, с которыми, судя по имеющимся данным [4, 5], существует гидравлическая взаимосвязь.

При моделировании задача рассматривалась как плановая нестацио нарная. Прогноз нестационарного процесса заключается в построении депрессионных кривых на различных стадиях его развития [6]. Завер шающая стадия наполнения водохранилища – конец 2013 г. За началь ную стадию принят май 2012 г.

Основные параметры водохранилища характеризуются следующи ми показателями:

– отметка нормального подпорного уровня (НПУ) – 208 м;

– отметка форсированного подпорного уровня (НПУ) – 209,5 м.

Для решения задачи подпора ПВ вблизи водохранилища Миронен ко В.А. рекомендовал использование одномерного варианта уравнения Лапласа [7]:

2 H H a 2= (1) x t При решении уравнения задавались следующие граничные условия:

Левая граница – ГУ 1 рода (река Ангара), при х = 0:

H(0,t) = He(0) + H0 (2) Правая граница стремится к бесконечности – х, описывается выражением:

H(x,t) = He(x) (3) Уравнение (1) принимает следующий вид:

2 ( H ) ( H ) = (4) a x 2 t Краевые условия для функции Н выглядят следующим образом:

H(0,t) = H0;

H(,t) = 0;

H(x,0) = 0 (5) Л.И. Аузина При этих краевых условиях уравнение 4 имеет следующее реше ние [3]:

H = H0erfc(), (6) x =, (7) 2 at где H – изменение УПВ в расчетном сечении на расстоянии х от уреза водохранилища на расчетный период t ( t = 670 сут.), м;

H0 – измене ние уровня воды в водохранилище (зависит от расчетного сечения и изменяется от 2,2 до 14,6 м);

erfc() – табличная функция;

a – коэффи циент уровнепроводности водовмещающих отложений: валунно-гра вийно-галечных (нижняя часть разреза) – 219,1–294,5 м2/сут, для супес чано-суглинистых (верхняя часть разреза) – 60–128,2 м2/сут.

При наполнении водохранилища до отм. 208 м максимальный подъем уровня произойдет в районе пос. Кеуль (рис. 2) и ниже по течению, в меньшей степени – на территориях г. Усть-Илимск и пос. Невон. Такие же закономерности соответствуют развитию зон затопления и подтопле ния: наибольшее влияние будет ощущаться на прибрежных территориях, сложенных скальными терригенными и терригенно-карбонатными поро дами, в наименьшей степени скорость развития депрессионной кривой и, следовательно, ширина зоны подпора соответствуют территориям, пред ставленными суглинками и супесями. Зона подпора возрастает в направ лении от г. Усть-Илимск к п. Кеуль, что соответствует геологическому строению берегов: преимущественно супеси и суглинки, в меньшей сте пени – галечник по левому борту долины р. Ангара в районе г. Усть Илимск и пос. Невон, сменяющиеся гравием в районе пос. Тушама и преимущественно скальными породами на территории, прилегающей к пос. Кеуль. Правый берег р. Ангара на протяжении от г. Усть-Илимск до пос. Невон представлен в основном галечными образованиями, сменяю щимися известняками, в меньшей степени – суглинком.

По предварительному анализу более 45% исследуемой территории может оказаться затопленной, 27% сильно подтопленной и подтоплен ной. Ширина зоны риска на ключевых участках увеличится следующим образом:

– п. Кеуль: с 137 до 258 м, – п. Тушама: с 112 до 183 м, – г. Усть-Илимск и п. Невон: с 74 до 120 м.

По результатам моделирования общая территория, находящаяся в зоне риска затопления, возрастает в среднем на 58,6% по сравнению с рассчитанной ранее и положенной в основу финансовых и экологиче ских оценок. А с учетом величины сезонного колебания УПВ (2 м) в 276 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) зоне риска затопления окажется 72% оцениваемой территории Усть Илимского района Иркутской области.

Литература 1. Корытный Л.М. История работ над ОВОС Богучанской ГЭС по Иркут ской области. Интернет-ресурс http://www.plotina.net/experts/boges-korytny/.

2. СНиП 2.06.15-85. Инженерная защита территории от затопления и под топления. Госстрой СССР. – М., 1988. 17 с.

3. Справочное пособие к СНиП 2.06.15-85 «Прогнозы подтопления и рас чет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях». – Моск ва: Стройиздат, 1991.

4. Тржцинский Ю.Б., Козырева Е.А., Верхозин И.И. Инженерно-геологиче ские особенности Иркутского амфитеатра. Иркутск: ИрГТУ. 124 с.

5. Овчинников Г.И., Павлов С.Х., Тржцинский Ю.Б. Изменение геологиче ской среды в зонах влияния Ангаро-Енисейских водохранилищ. – М.: Недра, 1999. 254 с.

6. Методические рекомендации по расчетам подпора грунтовых вод, под топления земель и потерь воды на фильтрацию в районах каналов и водохрани лищ. – М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1980.

7. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. – М.: МГУ, 2005. 519 с.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНЫХ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННЫХ И ГЕОМИГРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ В НЕОДНОРОДНЫХ ВОДОНОСНЫХ ТОЛЩАХ В.А. Бакшевская ИВП РАН, 119991, Москва, ул. Губкина, д. 3, тел. 8(499)1355385, факс 8(499)1355615, bakshev@mail.ru Введение Одним из способов длительной изоляции токсичных жидких отхо дов является их захоронение в глубокозалегающие геологические фор мации. В 60-х годах в России были созданы полигоны глубинного захо ронения жидких радиоактивных отходов (ПГЗ ЖРО). Самым крупным из них является полигон Сибирского химического комбината (СХК) (г. Северск), пласты – коллекторы которого сложены неоднородными песчано-глинистыми породами. Для оценки безопасности последствий подземного захоронения ЖРО необходимы численные региональные модели, с помощью которых выполняются долговременные прогнозы миграции компонентов ЖРО в подземной гидросфере.

Надежность миграционных прогнозов в неоднородных средах во многом зависит от детальности описания геофильтрационных свойств водовмещающих отложений [5]. Трудности детальной характеристики В.А. Бакшевская фильтрационной неоднородности, связанные с недостатком информа ции о проницаемости, ограничивают точность и реалистичность фильт рационных и миграционных моделей в неоднородных геологических средах. В то же время часто имеется информация по скважинам о лито логии изучаемого разреза, полученная с помощью геофизических мето дов исследования, которая может использоваться для построения де тальных трехмерных (3D) моделей литологической неоднородности. Из существующих методов построения 3D моделей геологической неодно родности наиболее подходящим по ряду параметров является TP/MC метод [1]. Метод позволяет включать характерные размеры и объемные доли категорий, а также учитывать сложные пространственные взаимо отношения между различными категориями. В качестве категорий мо гут рассматриваться гидрофации – единицы, выделяемые на основе геологических или геофизических характеристик, имеющие сходные геофильтрационные свойства, значимые для целей гидрогеологических исследований и моделирования геофильтрации и геомиграции [12]. Па раметрами геостатистической модели TP/MC являются: число катего рий, объемные доли и характерные размеры для каждой категории, а также взаимная корреляция, показывающая, как одна категория стре мится располагаться в пространстве относительно другой категории.

Используемые в модели параметры могут быть оценены или эмпириче ски через прямые измерения (керн, данные каротажа скважин) или с помощью качественной геологической интерпретации (например, ана лиза условий осадконакопления или выходящих на поверхность пород аналогов). TP/MC метод активно используется для создания разного масштаба моделей геологической неоднородности отложений, сформи рованных в самых разных обстановках осадконакопления [8, 9, 13].

С помощью TP/MC метода можно создать среднемасштабную модель (модель, созданную для моделирования распространения фильтрата отходов в пределах территории полигонов, и представляющую не сколько водоносных горизонтов, разделенных водоупорными слоями).

Для описания долговременных геоэкологических последствий исполь зуют региональную модель, представляющую всю осадочную толщу района расположения полигона [2]. Однако локальная мелкомасштаб ная неоднородность не может быть явно представлена в модели регио нального масштаба, т.к. для этого требуется очень тонкое разрешение численной модели, которое приводит к высоким вычислительным на грузкам. Поэтому возникает необходимость в разработке методик оцен ки эффективных геофильтрационных и геомиграционных параметров для региональных моделей массопереноса.


278 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Методика Для определения эффективных геофильтрационных и геомиграци онных (для нейтрального компонента) параметров неоднородных пес чано-глинистых отложений предлагается следующая методика:

– построение 3D детальной модели литологической неоднородности водовмещающих отложений с помощью TP/MC метода;

– преобразование литологической модели в среднемасштабную модель геофильтрационной неоднородности с помощью задания харак терного значения коэффициента фильтрации в каждую ячейку в зави симости от того, какая гидрофация была в ней смоделирована геостати стическим методом [9]. Значения коэффициентов фильтрации для гидрофаций могут быть получены из литературных данных, данных грансостава пород, а затем уточнены путем калибрации геофильтраци онной модели;

– решение стационарной фильтрационной задачи на полученной модели геофильтрационной неоднородности;

– по результатам моделирования расчет значения эффективного ко эффициента фильтрации по формуле:

QL keff = (1), ( H1 H 2 ) где Q [м3/сут] расход потока, L [м] длина пути фильтрации, H1 и H2 [м] заданные напоры на границах модели, [м2] площадь попе речного сечения потока;

– моделирование конвективного переноса нейтрального компонента из неточечного источника на полученной модели с помощью метода прослеживания случайного блуждания частиц (random walk particle tracking method);

– пересчет времени прибытия для частиц, прибывших на контроль ную плоскость, в безразмерную концентрацию;

– получение выходных кривых и оценка с их помощью коэффици ента макродисперсии для горизонтального и вертикального переноса.

Значения действительной скорости фильтрации U и коэффициента макродисперсии D могут быть получены из временных моментов экс периментальных выходных кривых [11]:

x U= (2) M µ 2U D= (3) 2x где x [м] – расстояние между местом запуска частиц и контрольной плоскостью, µ2– второй центральный временной момент (описывает В.А. Бакшевская среднеквадратичное отклонение значений вокруг среднего значения).

Расчетная пористость neff определялась по формуле:

V neff = (4), U где средняя скорость фильтрации (полученная по результатам гео Q фильтрационного моделирования) V = keff I =, I, Q и – градиент, расход и площадь поперечного сечения фильтрационного потока.

Продольная дисперсивность L рассчитывалась по формуле:

D L =. (5) U Эта методика была опробована на примере неоднородных песчано глинистых водовмещающих отложений ПГЗ ЖРО СХК.

Определение параметров для моделей В работе были использованы данные детального литологического расчленения разрезов 295 скважин, расположенных в районе СХК, по лученные по результатам бурения и геофизического каротажа скважин.

Разрешимость расчленения 0,5 м.

На основе статистического анализа данных и учитывая характерные значения проницаемости пород все литологические типы, встреченные в выбранном для моделирования интервале разреза, были отнесены к одной из гидрофаций: песок, песок глинистый, глина песчанистая и глина (табл. 1). Таким образом, вся толща отложений была представле на как состоящая из четырех гидрофаций. С помощью пакета программ T-PROGS [6] на основе данных по скважинам рассчитывались эмпири ческие и теоретические вероятности перехода, которые позволили по лучить характерные вертикальные и горизонтальные размеры гидрофа ций (табл. 1), а затем была построена 3D модель литологической неоднородности водовмещающих отложений района СХК [3].

Трехмерная модель литологической неоднородности водовмещаю щих отложений района СХК, построенная TP/MC методом, имела раз меры 43003500130 м (размер блока: 25250,5 м). Преобразование литологической модели в модель геофильтрационной неоднородности осуществлялось с помощью задания значений коэффициентов фильтра ции для каждой гидрофации (табл. 1), в соответствии с их характерны ми значениями, определенными для условий полигона захоронения ЖРО СХК [4] и по результатам обработки данных по гранулометриче скому составу проб песка 66 скважин, расположенных в пределах ПГЗ.

Пористость среды для всей области моделирования принималась рав ной 0,2.

280 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Таблица Средняя мощность прослоев гидрофаций и параметры, используемые для моделей литологической и геофильтрационной неоднородности L, [м] mср, k, Гидрофация p, [-] [м] [м/сут] вертикальный горизонтальный Песок 4,99 4,5 243 0,42 Песок 4,3 3,8 109 0,15 0, глинистый Глина 3,2 2,7 87 0,03 0, песчанистая Глина 5,5 6,1 287 0,40 0, Примечание: mср – средняя мощность прослоев, рассчитанная по скважинам;

L – характерный размер гидрофации;

p – доля гидрофации в изучаемом разрезе;

k – коэффициент фильтрации.

Результаты По вышеописанной методике проводилось определение эффектив ных параметров для выбранного интервала разреза ПГЗ ЖРО СХК. На полученной модели геофильтрационной неоднородности моделирова лась стационарная фильтрация с помощью MODFLOW-2000-2005 [10].

Для моделирования транспорта и для вычисления траектории и времени движения частиц в конвективном потоке использовалась программа PMPATH [7]. В каждом численном эксперименте 4500 частиц помеща лись на границу с большим значением напора в ячейки модели, имею щие значение коэффициента фильтрации больше 0,002 м/сут, либо на нижнюю грань области моделирования (для вертикальной миграции), либо на правую (для горизонтальной миграции).

По результатам оценки эффективных коэффициентов фильтрации можно сделать вывод о значительной гидравлической анизотропии:

эффективный горизонтальный коэффициент фильтрации на 2 порядка больше вертикального (табл. 2).

Таблица Рассчитанные эффективные параметры Направление L, D, [м2/сут] neff, [-] keff, [м/сут] потока [м] Вертикальная 0,0015 0,005 0,48 Горизонтальная 0,29 1,02 0,14 Примечание: keff – эффективный коэффициент фильтрации по формуле (1), D – коэффициент макродисперсии по формуле (3), neff – расчетная пористость по формуле (4), L – дисперсивность по формуле (5).

В.А. Бакшевская На рис. 1 приведены экспериментальные выходные кривые и фун даментальное решение конвективно-дисперсионного уравнения (КДУ) для одномерного линейного переноса нейтрального мигранта из мгно венного источника [11]:

( x Ut ) x C f ( x, t ) = f f ( x, t ) = exp (6), 2 Dt 3 4 Dt где C f – текущая концентрация растворенного вещества, f f ( x, t ) – функция плотности вероятности времени прибытия.

Рис. 1. Сравнение выходных кривых концентраций, вычисленных по времени прихода частиц на контрольную плоскость, для вертикального и горизонтального переноса t V Безразмерное время =, где t [сут] – время прихода частицы Ln С помощью временных моментов выходных кривых были рассчи таны значения макродисперсии, расчетной (эффективной) пористости и дисперсивности для вертикального и горизонтального направления пе реноса (табл. 2). Из табл. 2 видно, что значения продольной макродис персивности отличаются на порядок в зависимости от направления по 282 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) тока (табл. 2), т.е. макродисперсивность зависит от направления потока по отношению к простиранию гидрофаций.

При региональном моделировании геомиграции компонентов ЖРО в районе СХК можно предложить использовать значение вертикальной дисперсивности для зоны разгрузки подземных вод, а значение гори зонтальной дисперсивности – для зоны транзита. Однако необходимо заметить, что форма выходных кривых не точно описывается с помо щью аналитического решения уравнения макродисперсии (рис. 1). Кро ме того, значения рассчитанной эффективной пористости получаются не истиннными (табл. 2). Это связано с тем, что в формуле расчета эф фективной пористости (4) используется значение действительной ско рости фильтрации U, полученной по формуле (2), в которой задается расстояние от места запуска частиц до контрольной плоскости. Однако в действительности при таком неоднородном строении среды это рас стояние точно не может быть определено, т.к. частицы проходят изви листый путь.

Выводы С помощью трехмерной среднемасштабной модели геофильтраци онной неоднородности высокого разрешения, построенной на основе TP/MC метода, были получены эффективные геофильтрационные и геомиграционные параметры.

Значения эффективной проницаемости, полученные по предложен ной методике, могут быть использованы при создании региональных моделей геомиграции компонентов отходов в неоднородной водовме щающей среде.

Для получения эффективных геомиграционных параметров регио нальных моделей для случая исследуемых неоднородных песчано глинистых водовмещающих отложений района СХК необходимо разра батывать более сложные модели массопереноса, не основанные на стандартном макродисперсионном подходе. Разработка таких моделей может служить направлением дальнейших исследований.

Литература 1. Бакшевская В.А., Поздняков С.П. Методы моделирования геофильтрацион ной неоднородности осадочных отложений // Геоэкология. 2012. № 6, с. 528–538.

2. Данилов В.В. Математическое моделирование глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов (на примере Сибирского химического комби ната) / Автореферат дисс. канд. г.-м.наук. Томск, 2010.

3. Поздняков С.П., Бакшевская В.А., Крохичева И.В., Данилов В.В., Зуб ков А.А. Влияние схематизации неоднородности осадочных отложений на про гноз миграции загрязнения // Вестн. Московского университета. Сер. 4. Геоло гия. 2012. № 1, с. 40–48.

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

А.А. Зубков, В.В. Данилов, А.А. Куваев, Е.В. Захарова 5. Шестаков В.М. Учет геологической неоднородности – ключевая про блема гидрогеодинамики // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 2003. № 1, с. 25–28.


6. Carle S.F. T-PROGS: Transition Probability Geostatistical Software. Versi on 2.0. Davis, California: University of California, 1998. 76 p.

7. Chiang W.H., Kinzelbach W. 3D-Groundwater modeling with PMWIN.

Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2001.

8. Engdahl N.B., Vogler E.T., Weissmann G.S. Evaluation of aquifer hetero geneity effects on river flow loss using a transition probability framework // Water Resources Research. 2010. Vol. 46. doi:10.1029/2009WR0079032010, 13 p.p.

9. Fogg G.E., Carle S.F., Green C. Connected-network paradigm for the alluvial aquifer system / in Zhang D., and Winter C.L., eds., Theory, Modeling, and Field Investigation in Hydrogeology: A Special Volume in Honor of Shlomo P.

Neuman’s 60th Birthday: Boulder, Colorado, Geological Society of America Special Paper, 2000. Vol. 348, p. 25–42.

10. Harbaugh A.W, Banta E.R., Hill M.C., McDonald M.G. MODFLOW-2000, the US Geological Survey Modular Ground-Water Model – User Guide to Modularization Concepts and the Ground-Water Flow Process. U.S. Geological Survey Open-File Report 00-92, Reston, 2000. 130 p.

11. Jury W.A. Transfer functions and solute movement through soil: theory and applications. Boston, Berlin, Birkhauser: Birkhauser Verlag Basel, 1990.

12. Koltermann C.E., Gorelick S.M. Heterogeneity in sedimentary deposits A review of structure-imitating, process-imitating, and descriptive approaches // Water Resources Research. 1996. Vol. 32, N 9. p. 2617–2658.

13. Sun A.Y., Ritzi R.W., Sims D.W. Characterization and modeling of spatial variability in a complex alluvial aquifer: Implications on solute transport // Water Resources Research. 2008. Vol. 44. doi:10.1029/2007WR006119, 16 p.p.

СОЗДАНИЕ ВНЕШНИХ БАРЬЕРОВ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫВОДЕ ИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ И КОНСЕРВАЦИИ РАДИАЦИОННО-ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ СИБИРСКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА А.А. Зубков1, В.В. Данилов1, А.А. Куваев2, Е.В. Захарова ОАО «Сибирский химический комбинат», Факс: (3822)72-44-46, E-mail: shk@seversk.tomsknet.ru ФГУГП «Гидроспецгеология»

ИФХЭ РАН ОАО «Сибирский химический комбинат» проводит работы по вы воду из эксплуатации и консервации радиационно-опасных объектов:

приповерхностных хранилищ жидких и твердых РАО. В связи с этим в пределах и за пределами хранилищ создаются инженерные барьеры (внутренние и внешние), которые совместно с вмещающими хранилище породами формируют многобарьерную защитную систему.

284 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Консервируемые радиационно-опасные объекты располагаются в песчаных грунтах террасовых отложений р. Томь. При выходе за пре делы хранилищ радионуклиды попадают вначале в ненасыщенные во дой грунты, а затем мигрируют к первому от поверхности водоносному горизонту. При отсутствии контроля и управления этим процессом воз можно радиационное загрязнение р. Томь или водозаборов хозяйствен но-питьевого водоснабжения г. Северска. Создание многобарьерной защитной системы предотвращает неконтролируемое попадание в ок ружающую среду радионуклидов в течение времени сохранения их по тенциальной опасности.

В настоящее время на комбинате проводятся работы по сооруже нию внешних барьеров безопасности вокруг приповерхностных храни лищ жидких РАО. Барьеры должны обладать как противофильтрацион ными, так и противомиграционными свойствами, то есть снижать скорости фильтрации подземных вод и увеличивать сорбционные свой ства геологической среды. Для создания таких барьеров возможно ис пользование различных по составу композиций, что определяется ти пом грунтов, глубиной постановки барьера и решаемыми задачами.

В условиях СХК барьеры необходимо сооружать в песчаных и пес чано-глинистых частично обводненных грунтах на глубине первых де сятков метров от поверхности. Барьеры планируется создавать не только в хорошо проводящих прослоях среднезернистых песков, но и относи тельно плохо проводящих прослоях мелко- и тонкозернистых песков с примесью глинистого материала. При этом барьер должен быть соору жен без нарушения сплошности геологической среды. Сооружение барь ера в таких условиях возможно с использованием инжекционных мето дов – путем нагнетания растворов, формирующих гели, в зоне создания барьера.

К гелеобразующим растворам предъявляются следующие требова ния:

– низкая вязкость в широком температурном диапазоне;

– слабая чувствительность к разбавлению;

– регулируемое время полимеризации;

– высокая адгезия к породам;

– высокие сорбционные свойства по отношению к радионуклидам;

– приемлемая стоимость, доступность, пожаро-взрывобезопасность и низкая токсичность компонентов.

На практике широкое распространение получили гелеобразующие растворы на основе жидкого стекла. Введение в такие растворы соеди нений алюминия целесообразно из-за высокого химического сродства Si и Al. Это положительно влияет на структуру геля и способствует его взаимодействию с алюмосиликатными минералами песков.

А.А. Зубков, В.В. Данилов, А.А. Куваев, Е.В. Захарова Добавление щавелевой кислоты в композицию позволяет регулиро вать время полимеризации и снизить синерезис образовавшегося геля.

Кроме того, в состав композиции входит модифицирующая добавка, повышающая сорбционные свойства геля по отношению к актинидам и снижающая их десорбцию.

Таким образом, в качестве оптимальной, выбрана композиция, со держащая жидкое стекло, соединение алюминия, щавелевую кислоту и солевые модифицирующие добавки.

Гели, в состав которых входит модифицирующая добавка, обладают значительно большей сорбционной способностью по сравнению с не модифицированными гелями (рис. 1). Это проявляется не только по от ношению к плутонию и урану, но и америцию и нептунию.

Сорбция [%] 239 Pu мод. гель Pu гель 233 40 U мод. гель U гель 0 2 4 6 8 Время [сутки] Рис.1. Сорбция плутония 239 и урана 233 на алюмосиликаных гелях, модифицированных и не модифицированных Коэффициенты распределения актинидов на гелях изменяются в диапазоне (0,8–1,1)104 см3/г, при этом модифицированные гели не проявляют селективности по отношению к актинидам. Разработка барь ерного материала, обладающего сорбционными свойствами по отноше нию к актинидам, являлась одним из обязательных требований при со оружении барьера.

Результаты оптической и электронной микроскопии позволили оце нить изменение структуры порового пространства песков после образо вания алюмосиликатного геля (рис. 2).

Максимальный размер пор в ненарушенном образце после пропит ки гелем (фиксируется структура порового пространства) достигает 50 мкм при эффективной пористости 15% (рис. 2,а). После введения гелеобразующего раствора образовавшийся гель заполнил поровое про странство (рис. 2,б). По результатам растровой электронной микроско 286 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) пии был определен размер максимальных пор в образующемся геле. Он достигает ~5 мкм, при этом эффективная пористость составляет менее 1% (рис. 2,в). В результате лабораторных экспериментов было установ лено снижение проницаемости системы гель-порода, коэффициент фильтрации составил Кф (5,4–8,6)10-5 м/сут.

а б в Рис. 2. Оптическая микроскопия, образец ненарушенной породы (а);

оптическая микроскопия, гель заполнил поровое пространство (б);

растровая электронная микроскопия, образец геля (в) По результатам мониторинга и предварительных изысканий было ус тановлено, что первый от поверхности водоносный горизонт загрязнен радионуклидами вследствие фильтрации растворов через дно хранилища, горизонт перекрывается и подстилается глинисто-суглинистыми слоями, коэффициент фильтрации обводненных песков – 5–1.610–1 м/сут.

В 2011 г. впервые на СХК на одном из консервируемых хранилищ жидких РАО, конструкция которого показана на рис. 3, был сооружен внешний барьер безопасности.

Рис. 3. Конструкция хранилища жидких РАО, схематизация геологического разреза А.А. Зубков, В.В. Данилов, А.А. Куваев, Е.В. Захарова Сооружался перехватывающий барьер подковообразной формы в первом от поверхности водоносном горизонте. Открытая часть барьера развернута против направления потока подземных вод. Длина барьера составила 320 м (рис. 4). Гелеобразующий раствор вводился через скважины при небольшом избыточном давлении для предотвращения гидроразрыва пласта.

Рис. 4. Конфигурация защитного барьера (треугольниками показаны скважины, в которых проводились ОФР) Узел подготовки гелеобразующего раствора устанавливался на месте проведения работ. Подготовка композиции выполнялась по двухраствор ной схеме: раствор силиката натрия и солевой раствор (рис. 5). Измене нием концентраций солей регулировалось время полимеризации компо зиции;

соотношением жидкое стекло – солевой раствор регулировалась вязкость гелеобразующего раствора.

Рис. 5. Схема строения узла подготовки гелеобразующего раствора 288 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) Контроль качества заполнения гелеобразующим раствором водо носных песков выполнялся радиолокационным методом. По результа там георадарного обследования мощность созданного барьера изменя ется от 8 м в западной части до 5 м в северной и южной частях. Барьер характеризуется более высокой однородностью в западной части, кото рая несколько снижается в его краевых частях.

Для оценки фильтрационных характеристик барьера, после его соз дания, непосредственно в теле барьера, было пробурено 11 контроль ных скважин, в которых были проведены опытно-фильтрационные ра боты методом «мгновенного налива».

Для оценки коэффициента фильтрации использовалась формула Дюпюи для одиночной выработки:

0.366 Q 3.4 at K= lg.

M ( S0 ) r Расчетные значения коэффициента фильтрации по результатам вы полненных работ составили (2–5)10–4 м/сут в центральных частях барьера и (1–3)10–3 м/сут в его краевых частях. Таким образом, коэф фициент фильтрации обводненных песков снижен в краевых частях барьера на 2 порядка, а в центральных на 3 порядка. Оценка сорбцион ных свойств образцов, отобранных из тела барьера, показала, что коэф фициент распределения актинидов составил порядка 104 см3/г.

Для оценки долговременных последствий эксплуатации хранилища было выполнено компьютерное моделирование динамики поступления химического и радионуклидного загрязнения в водоносный горизонт из бассейна.

Моделирование осуществлялось в два этапа. На первом этапе реша лась эпигнозная задача с целью получения ореолов химического и радиа ционного загрязнения в грунтовых водах до начала работ по сооружению барьера. На втором этапе проводилось прогнозное моделирование, кото рое выполнялось по трем вариантам. При проведении модельных расче тов по первому варианту искусственный защитный барьер на пути ми грации фильтрата ЖРО отсутствовал. Остальные два варианта сценария подразумевали постановку защитных барьеров в первом от поверхности водоносном горизонте на пути фронта фильтрата ЖРО. При проведении расчетов по второму варианту, форма моделируемого барьера соответст вовала сооруженному, при моделировании по третьему варианту барьер задавался замкнутым (по всему периметру хранилища).

Проведенные расчеты показали, что без сооружения внешнего барь ера безопасности через 100 лет после консервации бассейна актиниды в концентрациях превышающих уровень вмешательства мигрируют на расстояние более 100 метров (рис. 6).

А.А. Зубков, В.В. Данилов, А.А. Куваев, Е.В. Захарова Рис. 6. Прогнозное распределение актиноидов в разрезе при отсутствии защитного барьера (по результатам моделирования) Прогнозные расчеты, выполненные по второму и третьему вариан там сценария, показали, что наличие барьера значительно изменит на правление миграции загрязнения.

Если при отсутствии барьера загрязнение распространяется в верх нем водоносном горизонте, то сооружение барьера приводит к тому что, непосредственно перед ним движение потока подземных вод при обретает преимущественно нисходящее направление и загрязнение пе ретекает в нижний горизонт через разделяющий слой слабопроницае мых суглинков (рис. 7, 8).

Рис. 7. Прогнозное распределение актиноидов в разрезе при сооружении подковообразного и кольцевого барьеров Рис. 8. Прогнозное распределение актиноидов в разрезе при сооружении кольцевого барьера 290 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) При этом значительная часть актиноидов сорбируется как в разде ляющем слое, так, частично, и на самом барьере. При сооружении барь ера подковообразной формы (рис. 6), нисходящая фильтрация перед ним протекает более интенсивно, что является следствием увеличения напора под дном бассейна из-за создаваемого барьером барражного эф фекта.

Таким образом, в результате выполненной работы была на практике реализована идея сооружения внешнего барьера безопасности вокруг радиационно-опасного объекта методом закачки самополимеризующе гося раствора. Проведенное численное моделирование показало эффек тивность созданного барьера.

В ходе дальнейших исследований необходимо выполнить оценку фильтрационных и миграционных свойств сооруженного барьера на основании данных мониторинга.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОСТОЙ ВОДНОБАЛАНСОВОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТОКА В ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЕ Т.В. Орехова1, О.А. Каримова Геологический институт БАН, Болгария, София, 1113, ул. «Акад. Г. Бончев», бл. 24, факс +359 2 8724 638, tvorehova@gmail.com ИВП РАН, Москва, olga@aqua.laser.ru Формирование водного баланса на земной поверхности происходит под влиянием множества факторов. J.D. Niemann и E.A.B. Eltahir (2004, 2005) предложили физически обоснованную модель, оценивающую различные компоненты водного баланса (речной сток, питание подзем ных вод и эвапотранспирацию) на основе информации о климате, почве и растительности. Модель учитывает пространственное и временное распределение влажности почв и позволяет разделить поверхностную и подземную компоненты стока. Мгновенные потоки влаги зависят от атмосферных осадков, потенциальной эвапотранспирации и влажности почвы, которые рассматриваются как случайные переменные. Локаль ные гидрологические потоки интегрируются по пространству и времени для определения средних значений.

Модель была создана для изучения водного баланса водосборного бассейна р. Иллинойс (США). Расчеты водного баланса по этой модели представлены также для Северной Болгарии и Южной России, где кли матические условия подобны, а снежный покров незначителен.

Т.В. Орехова, О.А. Каримова Модель позволяет регулировать плотность распределения вероятно стей почвенной влаги и, таким образом, может отражать климатическую изменчивость. Показано, как условия повышенного или пониженного увлажнения отражаются на соотношении компонентов водного баланса.

Введение Закономерности формирования водного баланса исследованы на основе модели (авторы J.D. Niemann и E.A.B. Eltahir), позволяющей разделить атмосферные осадки на эвапотранспирацию, поверхностную и подземную компоненты стока на основе информации о климате, поч ве и растительности [1, 2]. Процессы формирования снежного покрова и снеготаяние не рассматриваются. Модель основана на физическом описании процессов для всего водосборного бассейна.

Краткое описание районов исследования Модель была разработана для условий водосборного бассейна р. Иллинойс (69 264 km2) в США, который отличается относительно однообразным плоским рельефом, а климатические условия характери зуются как Dfa по классификации Кёппена [3] – климат умеренно хо лодный с равномерным увлажнением и жарким летом. Снежный покров незначительный. Преимущество этого бассейна – наличие множества данных по почвенной влаге, причем использованные данные относи лись к верхнем слою почвы толщиной 10 см, поскольку генерирование поверхностного стока наиболее тесно связано именно с этим интерва лом [1].

Другие районы исследований находятся в равнинных районах Се верной Болгарии (климаты Dfb и Dfa) и Южной России – Район Кавказ ских Минеральных Вод (КМВ) (климаты Dfa и Cfa), где климатические условия подобны, а снежный покров незначителен.

Годовая сумма осадков для всех трех описанных районов характери зуется значительной изменчивостью. В соответствии со степенью ув лажнения, меняется режим влажности почв и водный баланс.

Описание модели Модель, разработанная и представленная в [1, 2], одномерная и фо кусируется на зоне аэрации, а гидрологические процессы описываются в локальном масштабе. Водосборный бассейн разделяется на участки питания и разгрузки подземных вод (ПВ) (рис. 1). Преобладают участки питания ПВ, где осадки распределяются между поверхностным стоком и инфильтрацией влаги в почву. Просочившаяся в почву влага способ ствует ее насыщению. Из зоны аэрации вода может уйти вверх в атмо сферу через испарение или вниз – на питание ПВ. Во втором случае формируется подземный сток, который проявляется в участках разгруз 292 Гидрогеодинамика (памяти В.М. Шестакова) ки ПВ. В участках дренирования питания ПВ и инфильтрации влаги в почву не происходит.

Рис. 1. Принципиальная схема модели [1] Таким образом, инфильтрация и питание ПВ приурочены к участ кам питания, а для участков дренирования характерен вертикальный поток, приводящий к разгрузке ПВ.

Описание мгновенных потоков зависит от осадков, потенциальной эвапотранспирации (РЕТ) и влажности почвы, которые рассматривают ся как случайные переменные. Осредненные по пространству потоки определяются интегрированием локальных мгновенных потоков.

Локальные мгновенные потоки. Локальная мгновенная скорость инфильтрации определяется следующим образом [1]:

F = (1 s ) + K h Участки питания ПВ:

F =0, Участки разгрузки ПВ: (1) где – параметр инфильтрационной способности, описывающий уве личение скорости инфильтрации при ненасыщенной почве;

s – относи тельная насыщенность почвы влагой;

Kh – коэффициент фильтрации.

Локальная мгновенная интенсивность поверхностного компонента стока R может быть рассчитана как разность между выпадением осад ков P и скоростью инфильтрации F (интерцепция, т.е. захват влаги растительностью, а также формирование снежного покрова не учиты ваются):

P F, если P F R=. (2) если P F 0, Поверхностный компонент стока может формироваться в двух слу чаях: 1) степень насыщенности почвы значительна или 2) параметры Т.В. Орехова, О.А. Каримова и Kh имеют низкие значения. Последняя ситуация характеризует сток по Хортону, а первая соответствует стоку по Dunne [4].

Локальное мгновенное питание ПВ (G) описывается простой моде лью [5–6]:

G = Kh s.

Участки питания ПВ:

G =0, Участки разгрузки ПВ: (3) где – параметр, зависящий от механического состава почвы.

Локальная мгновенная эвапотранспирация определяется так:

E p s /, если 0 s E=, (4) если s Ep, где E p = PET, а – относительная насыщенность почвы, которая раз деляет условия эвапотранспирации (ограниченное влажностью почвы от ограниченного наличной энергией или возможностью переноса вла ги). Если s, эвапотранспирация зависит линейно от влагонасыщен ности почвы, т.е. ограничивается наличием влаги. При s фактиче ская эвапотранспирация равна потенциальной.

Потоки, осредненные по пространству. Переменные P, Ер и s рас сматриваются как случайные, пространственные изменения которых считаются независимыми друг от друга. В этом случае осредненные по пространству потоки могут быть определены интегрированием по их плотности распределения вероятностей (PDF). Пространственная PDF для атмосферных осадков fp описывается смешанным экспоненциаль ным распределением [1]:

µ f p = (1 µ ) ( P ) + e µP / P, (5) P где µ – доля района, получающая осадки;

() – дельта-функция Дира ка, P – средние по пространству осадки, включающие места с нулевы ми осадками. В принятой системе обозначений черта над переменной обозначает среднее по пространству значение [1, 2].



Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 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.