Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прогнозирование процессов подтопления при строительном освоении территории на основе аналитических расчетов геофильтрации на ЭВМ

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование процессов подтопления при строительном освоении территории на основе аналитических расчетов геофильтрации на ЭВМ"

г? 1 ' 5 t

Госстрой РСФСР

rao "строшзыокания"

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПНЮШС)

На правах рукописи УДК 556.3.06:681.3.06

КбЛЕСОВ Андрей Александрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОДТОПЛЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬНОМ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ НА ЭВМ

(04.00.06 - гидрогеология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

(шагстккн&к

ИИШЕКА

оси Госстрой РСФСР

ьМДгша НПО "СТРОЙМЗЫСКАКИЯ"

Отдел^ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ У^^-ЖСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

(ЮТИИС)

На правах рукописи УДК 556.3.06:681.3.06

КйЛЕСОВ Андрей Александрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОДТОПЛЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬНОМ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИИ НА ОСНОВЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ НА ЭВМ

(04.00.06 - гидрогеология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве Госстроя РСФСР.

Научный руководитель - доктор технических наук

Ведущая организация - институт УкрвостокГШНТИЗ (г.Харьков).

Защита состоится уу Декабря 1990 г. в _«сов на

заседании специализированного совета К 033.11.01 Производственного и научно-исследовательского института по инженерным изысканиям в строительстве (ПНШИС) Госстроя РСФСР по адресу: 105058, Москва, Окружной проезд, д. 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Е.С.Дзекцер.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор А.Ж.Муфтахов (ВНИИ ВОДГЕО), кандидат геолого-минералогических наук, А.Л.Петров (МГУ).

Автореферат разослан

ноября 1990г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минералогических наук О.В.Слинко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы вопрос инженерной защиты застраиваемых территорий от опасных инженерно-геологических процессов становится все более острым и актуальным. Среди таких опасных процессов наибольшее распространение имеет подтопление территорий грунтовыми водами. В результате преобразования природных условий и действия техногенных факторов формируется искусственный режим подземных вод, происходит интенсивный подъем их уровня и возникает подтопление территорий городов и населенных пунктов, промышленных площадок.

• Наиболее эффективным путем борьбы с подтоплением является предотвращение его появления за счет реализации на начальных этапах строительства соответствующих мероприятий и средств инженерной защиты, гидрогеологическое обоснование которых основывается на достоверном' прогнозе развития процессов подтопления. Учитывая специфику прогнозирования подтопления при строительном освоении территорий (недостаток исходной информации, вероятностный характер техногенных нагрузок и т.д.), прогноз, отвечающий современным техническим требованиям, должен основываться на количественных оценках с применением вариантных проработок различных расчетных схем изучаемого объекта и их последовательным уточнением в ходе исследования в зависимости от характера решаемых задач на разных этапах работы и по мере получения дополнительной информации об объекте.

Один из наиболее распространенных на практике количественных методов прогноза основывается на применении аналитических решений диффёренциальных уравнений, описывающих процесс подтопления для различных расчетных геофильтрэционных схем. Однако су-цествующая технология расчетов вручную, которая основана на представлении сложных интегральных функциональных р.амсимостей в зиде таблиц и графиков, имеет ряд существенных недостатков - ог-эаниченный круг расчетных схем, невысокая точности и большая трудоемкость расчетов. Это снижает возможности применения аналитических моделей при решении практических задач, сд«ржиьз«т проведение вариантных прогнозов, которые являются осноьой оптимизм-щи при создании системы инженерной защиты.

Целью выполненных исследований является создание методов фогнозов подтопления на псниьо аналитических расчетов геофиль-'рации на ЭВМ, реализация которой обеспечивает повышение качест-

ва прогнозов ка базе вариантных проработок, снижение затрат вре-мет и ресурсов, возможность широкого внедрения в практику инженерных изысканий и проектирования.

Основные задачи исследований:

- обоснование аналитических методов прогнозирования на базе анализа спешфики прогнозов подтопления при строительном освоении территорий;

- систематизация и обоснование комплекса расчетных геофильтрационных схем и соответствующих функциональных зависимостей для автоматизации прогнозов подтопления, разработка технологии построения расчетной схемы территории;

- разработка алгоритмов численной реализации расчетных функциональных зависимостей, верификация исходных функэдганальных зависимостей и алгоритмов с помощью комплексного тестирования расчетных схем на ЭВМ;

- разработка программного и информационного обеспечения выполнения расчетов на ЭВМ, включая создание компьютерных средств поддержки методического обеспечения;

- исследование влияния параметров геофильтрационных схем на результаты расчетов (подъем УГВ) в типовых природных условиях и разработка рекомендаций по применению расчетных схем;

- апробация методики при выполнении прогнозов на конкретных объектах.

Научная новизна работы:

- предложена технология описания геофильтрационной схемы территории на базе унифицированного комплекса исходных расчетных схем, полученного в результате обобщения и систематизации известных ранее, а также разработанных автором функциональных зависимостей;

- разработаны оптимальные математические алгоритмы, обеспечивающие надежную численную реализацию на ЭВМ сложных интегральных функциональных зависимостей на всем диапазоне изменения исходных параметров с заданной точностью;

- проведен анализ динамики процесса подтопления в различных природно-техногенных условиях и даны количественные оценки погрешности отдельных расчетных схем;

- разработана компьютерная методика выполнения прогнозов подтопления с использованием аналитических моделей геофильтрации, основанная на возможности проведения многовариантных расчетов на ЭВМ в режиме "дружественной вычислительной среды".

Защищаемые положения:

- возможность и эффективность применения автоматизированных методов аналитических расчетов геофильтрации при решении широкого класса практических задач, связанных с прогнозами подтопления при строительном освоении территорий;

- технология описания и исследования геофильтрационной схемы территории на базе унифицированного комплекса расчетных зависимостей;

- математические алгоритмы численной реализации сложных интегральных функциональных зависимостей и программное обеспечение выполнения расчетов в режиме диалога на персональных ЭВМ;

-.рекомендации по применению расчетных схем с учетом нелинейности .процесса подтопления и погрешности схематизации источников питания в плане, в условиях формирования техногенного горизонта в сухих грунтах и др.

Практическая значимость работы. Реализация предложенной технологии автоматизированных прогнозных расчетов позволяет повысить качество исследований за счет расширения состава геофиль-[■рационных схем и проведения многовариантных проработок. Созда-ше программной системы для персональных ЭВМ, включающей расчет-шй и демонстрационно-обучающий комплексы, обеспечивает возмож-гость массового внедрения методики прогнозирования при инженерии изысканиях и проектировании".

Внедрение. Результаты исследований были использованы в НШИС при прогнозах подтопления для ряда объектов, в том числе, :а площадке ПО "Атоммаш". Разработанная методика и программное беспечение переданы и внедрены в институтах "Гипротюменнефте-аз" (Тюмень, 1987 г.), "Челябинскгравданпроект" (Челябинск, 988 г.), "Казахский Водоканалпроект" (Алма-Ата, 1990 гГ), "Гип-окоммунстрой" (Москва, 1990 г.). Материалы работы демонстриро-ались на ВДНХ СССР в 1986г.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссер-ации докладывались и обсуждались на научно-техническом семинаре Математическое моделирование гидрогеологических процессов" (Но-эсибирск, апрель, 1984 г.), научно-технической конференции мо-эдых специалистов ВСЕГИНГЕО. "Методические аспекты решения гид-эгеологических и инженерно-геологических задач" (Москва, прель, 1984 г.), научно-технической конференции молодых специа-лстов ПНШИС "Совершенствование методов инженерных изысканий в гроительстве" (Москва, апрель, 1985 г.), научно-техническом се-

минаре "Графический диалог с ЭВМ при обработке и интерпретации геолого-геофизической и гидрогеологической информации" (Ташкент, октябрь, 1985 г.). Содержание основных положений диссертации отражено в 8 опубликованных работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографии из 115 наименований, 10 таблиц, 35 рисунков, 2 приложений. Общий объем работы 194 страницы, в том числе 126 страниц основного текста и 8 страниц приложений.

Автор благодарен доктору технических наук Е.С.Дзекцеру, коллегам, сотрудникам ПНИИИС, за помощь в изучении проблем математического моделирования процессов подтопления и кандидату гео-лого-.минералогических наук С.П.Позднякову за внимание, советы и замечания при подготовке диссертации. Автор выражает свою при-, знательность коллегам по сектору "микроэвм" за помощь при оформлении работы и моральную поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается обзор методических и теоретических основ прогнозирования процессов гюдтоплзнкя, рассматривается общая характеристика прогнозов подтопления при строительном освоении территорий к методов их выполнения, приводится обоснование возможности применения аналитических моделей геофильтрации и перспективы их применения.

Изучение процессов подтопления самым непосредственным образом связано с различными направлениями гидрогеологических исследований, среди которых следует выделить:

- анализ основных закономерностей подтопления, систематизация его причин, источников и факторов, стадий развития, оценки последствий (С.К.Абрамов, М.Т.Адиков, В.Е.Аншлов, В.И.Бабенко, Е.С.Дзекцер, А.Ж.Муфтахов, Я.С.Садыков, Р.А.Смирнов);

- моделирование геофильтрационных процессов (И.К.Гавич, И.И.Крашин, И.С.Пашковский, В.М.Шестаксв) с использованием численных методов (В.В.Веселов, В.С.Зильберг, В.М.Лившиц, К.Р.Раш-тон, А.А.Рошаль и др.) и. аналитических расчетов (Ф.М.Бочевер, Н.Н.Веригин, Н.П.Куранов, А.Ж.Муфтахов, В.К.Рудаков и др.);

- разработку средств инженерной защиты территорий (Н.Н.Веригин, Б.Н.Дегтярев, Е.С.Длекцер, Н.П.Куранов, А.Ж.Муфтахов и др.);

- проблемы оптимального планирования инженерных изысканий

(И.К.Гавич, Д.А.Манукьян, В.В.Перцовский, М.В.Рац и др.);

- вопросы автоматизации исследований с применением ЭВМ (В.Кгацельбах, И.И.Ляшко, А.А.Плетнев, А.А.Рошаль и др.).

Специфика прогнозов подтопления определяется особенностями гидрогеологических процессов при строительном освоении территорий. В рамках решения этой задачи проводится анализ условий формирования процесса, классификация причин, факторов и источников, выделение стадий и этапов развития подтопления.

Методологической основой выполнения прогнозов является моделирование (проведение модельного эксперимента) - целенаправленное изучение и прогноз развития реального гидрогеологического процесса на его модели. Выбор модели и метода выполнения прогнозов определяется требованием к точности и детальности прогноза, т.е. конкретной прогнозной задачей, полнотой и достоверностью исходной информации о территории. При этом необходимо учитывать известный инженерный принцип - точность получаемых результатов должна соответствовать точности задания исходных данных.

Специфика прогнозов подтопления при строительном освоении территорий характеризуется неполнотой знания о существующих факторах (природных и техногенных) подтопления и неопределенностью состава и количественных значений будущих факторов (как правило, техногенных), т.е. прогноз носит сугубо вероятностный характер. В этих условиях повышение качества прогнозов возможно в рамках многовариантных проработок решаемо? задачи.

В настоящее время для выполнения прогнозов подтопления получили наибольшее распространение методы аналитических расчетов-и численного моделирования.

Численное моделирование позволяет проводить исследование сложных прирсдно-технических геофилътрационных систем. Однако возможность применения этих методов подразумевает высокие требования к квалификации исследователей и наличие мощных вычислительных средств. Это создает серьезные трудности в использовании численных методов на инженерном уровне.

Аналитические методы геофильтрационных расчетов при выполнении прогнозов подтопления получили значительно более широкое распространение среди гидрогеологов-практиков. В то же время существующая технология ручных расчетов уже не удовлетворяет современным требованиям к прогнозам.

Перспективы развития аналитических методов связаны, в первую очередь, с их автоматизацией на основе применения ЗВМ, в

рамках которой должны быть решены следующие задачи - повышение качества прогнозов на базе реализации расширенного комплекса геофильтрационных схем и проведения многовариантных расчетов; снижение трудоемкости расчетов; создание методики прогнозирования более доступной для массового потребителя; снижение сроков ее освоения и внедрения в практику.

Анализ показывает, что аналитические модели геофильтрации обеспечивают необходимую детальность схематизации при решении широкого класса практических прогнозных задач, особенно на ранних стадиях изысканий и проектирования, на локальных промплощад-ках.

Во второй главе рассматриваются методика построения комплекса расчетных геофильтрационных схем и набор соответствующих функциональных зависимостей, которые лежат в основе автоматизации аналитических расчетов и определяют технологию составления расчетной схемы территории и структуру алгоритмического обеспечения.

Наиболее общей для аналитических расчетов подтопления является схема двухслойного водоносного пласта с перетеканием. В случае фильтрационно-анизотропных грунтов движение подземных вод описывается уравнением гидродинамической теории фильтрации, которое в условиях плоско-параллельного потока имеет вид:

к„.-дг1\./дэ? + к гдгП./д2г = О „ I = 1,2 (1)

X1 ( I I

при линеаризированном граничном условии на свободной поверхности (А.Ж.Муфтахов):

+ (кг1/у.)-д1т.1/дг - ш/ц = 0 , при г = Пс (2)

При решении большинства практических задач и сравнительно однородных по вертикали пластах можно использовать гидравлическую теории фильтрации, в которой движение подземных вод представляется линеаризированным уравнением Буссинеска:

\i-01Vdt = кх-Ьс-дг11/дх? + хо - (к0М0)-(1г-Н0) (3

В уравнениях (1)-(3): Н - напор подземных вод; к„, к - коэффициенты фильтрации водоносных пород в вертикальном и горизонтальном направлениях; - коэффициент недостатка водонаснщения; к0, м0 - коэффициент фильтрации и мощность слабопроницаемого подстилающего слоя; Я0 - напор в нижележащем водоносном горизонте; т -интенсивность инфильтрации, Л - средняя мощность пласта.

Процесс формирования техногонного водоносного горизонта в первоначально сухих грунтах описывается нелинейным уравнением Буссинеска с краевым условием Н.П.Куранова на границе смачивания.

В качестве источников питания рассматриваются поступление дополнительной инфильтрации и растекание мгновенно образовавшихся куполов грунтовых вод; форма источников питания приводится к полосообразной, круглой или прямоугольной. В соответствии с этим описываются краевые условия уравнений для (1) - (2).

Используя возможность применения метода суперпозиции, строится иерархическая система расчетных схем (рис.1):

- базовая расчетная схема - описывает действие отдельного источника питания, находящегося в центре системы координат, в условиях неограниченного в плане пласта с постоянной во времени величиной питания;

- комплексная расчетная схема источника - соответствует действию отдельного источника питания при его произвольном расположении относительно системы координат, переменном во времени питании и при наличии граничных условий в плане;

- расчетная схема территории - включает одновременную работу нескольких независимых источников питания в общих природных условиях (строение и параметры водоносного пласта в разрезе, граничные условия в плане). •

Для каждого уровня системы разработаны соответствующие комплексы унифицированных расчетных зависимостей, которые являются алгоритмической базой автоматизации.

Реализацию одного прогнозного расчета (расчетного варианта) можно представить в формальном виде:

расчетный вариант = Р (БХУ.БТ.ЗР.БО, (Б11.....

где £ЖГ - набор координат точек территории; БТ - набор расчетных моментов времени; ЯР,5(3, (31^,... - описание геофильтраци-

онной схемы территории; N - количество источников питания.

Таким образом, описание природно-техногенных условий исследуемого объекта в виде расчетной схемы территории включает следующие элементы.

Природные условия 1. гр - фильтрационная схема водоносного пласта:

1) тип фильтрационной модели - гидравлическая (изотропная) и гидродинамическая (анизотропная);

^t'cJ .Система p.v'4'ттшх геифмльтргщкониых схем и функциональных ¡зависимостей.

2) строение пласта в разрезе - одно- и двухслойный пласт с перетеканием через нижележащий слабопроницаемый слой.

2. БС,- граничные условия в плане:

1) форма области фильтрации в плане - плоскость, полуплоскость, полоса, полуполоса, прямоугольник, клин;

2) тип границы области фильтрации - 1-го, 2-го (непроницаемая), 3-го и 4-го родов.

Техногенные условия

3. 51 - источники питания, описание каждого источника включает:

1) вид питания - инфильтрация и растекание бугров подземных вод (включая график изменения питания во времени);

2) форма источников питания - полоса, круг, прямоугольник.

Выражение (4) показывает принципиальную особенность технологии прогнозирования с применением аналитических моделей геофильтрации - независимость подготовки и коррекции каждого структурного элемента расчетного варианта, что определяет возможность оперативного и гибкого управления ходом проведения прогнозного эксперимента.

В третьей главе рассмотрены вопросы численной реализации на ЭВМ расчетных зависимостей базового набора геофильтрационных схем, которые представляют собой сложные интегральные выражения.

Проведенный анализ показал неэффективность применения традиционного для ручных расчетов метода использования табулированных значений интегральных функций. В связи с этим необходимо было разработать оптимальные алгоритмы численной реализации расчетных зависимостей, обеспечивающие надежное получение результатов с заданной точностью во всем диапазоне изменения исходных данных в автоматическом режиме. Создание таких алгоритмов потребовало учета особенностей исходных функциональных зависимостей, в том числе, преобразования их в вид, удобный для численного решения, представления в унифицированном по составу исходных данных виде. Особое внимание было уделено вопросу оптимизации процесса численного интегрирования - уменьшения временных затрат.

При описании исходных зависимостей для гидравлической модели геофильтрации был использован предложенный В.К.Рудаковым метод решения уравнения (3), в соответствии с которым функции и ьН30 подъема УГВ под действием инфильтрации и ири растекании бугра высоты Э0 связаны между собой выражением:

В свою очередь растекание бугра при наличии слабопроницаемого разделяющего слоя описывается (В.К.Рудаков):

^еО = 30-Рр-е~7°'* <6>

где £0=к0/т0, Рр - функция подъема УГВ при растекании бугра грунтовых вод единичной высоты на непроницаемом водоупоре, которая имеет вид для источников различной формы (А.Ф.Бочевер, Н.Н.Веригин, В.К.Рудаков):

полоса: Р = О.БЧегГО^) - егГ(ихЛ (Т)

кру- - им-^-) ^га

о

прям-к: ^ = 0,25-Гегi(ux) - ег!(ьх))-(ет!(иу) - ег!(иу)) (9)

где их,их=(х ± Ъх)/а; ± Ъу)/а; г = г/г0;

I - функция Бесселя мнимого аргумента; Ъх, ,г0 - линейные размеры источника питания.

Расчетные зависимости для схем гидродинамической модели фильтрации (1), (2) получены А.Ж.Муфтаховым для источников различного типа питания и формы в плане. Для случая инфильтрацион-ного питания они могут быть представлены в виде:

2-и>'7, ? Ф* л»

полоса: дЛ = • \з1п(Ь-и)-соз(х-и)-ц^-(1-ехр(рк))^ (10)

21 Л м.

о

г •ш-7, г (К

круг: дП = —'^/^.^.^Гг.^.^.Г^дрГр^Л-йи (11)

где:

21

Р\=~ Ц'7) 'Ф^. 1Ю7'А' 'г• :Ч\=°7-А4'Аз+А2■(а1+А 1}:

А^АЭ-А4;Аг=А5/и;А3=т(и-А6);А4=т(и-А7);А5=Хг ■ '\г;А6=(По~М2, ;

V67' Лг^Ъ-К,) ;ь2=ьо/(то-кг2) П^кг/кх1,4=1,г.

При разработке алгоритмов численной реализации определенных и несобственных интегралов, входящих в состав расчетных формул (5) -(11), основной проблемой явилась увязка воедино двух противоположных задач:

- обеспечение необходимой точности расчетов;

- снижение времени вычисления значения интеграла. Численное решение определенных интегралов (5), (8) выполнялось с автоматической коррекцией Еременного шага интегрирования с учетом специфики подынтегральных функций.

Характерной особенностью несобственных интегралов (10)-(11) является наличие периодических знакопеременных подынтегральных функций. В соответствии с этим был разработан алгоритм автоматического определения конечного предела интегрирования (приведения в определенному интегралу) при заданной точности и выбора шага интегрирования, равного минимальному периоду колебания функций.

Формирование техногенного водоносного горизонта в первоначально сухих грунтах описывается расчетными зависимостями (Н.П.Куранов):

источник-полоса:

_ [ %.(ЪЪ-а?) , при < I

пЧ » Т.п-т)2 <12>

[ Ъ-Ч^Г1 . при |*| >1

(13)

источник-круг:

2 \ - Ъ -чр»

П2=\ -Г-Го ° (14)

О

R-Zïf-r2 - r2o.lg((^f + R)/ro) = /ц (15)

Предложенный алгоритм решения уравнения (15) позволяет вычислять значения радиуса растекания R(t) за 3-4 итерационных шага. Для ручных расчетов можно использовать линейную аппроксимацию функции R(t), полученную автором.

Разработанные алгоритмы обеспечивают время расчетов в одной пространственно-временной точке около 0,1 сек для ЭВМ ЕС-1022.

В четвертой главе представлены результаты анализа работы некоторых расчетных геофильтрационных схем и предложены рекомендации по их практическому применению, полученные на основе проведенного вычислительного эксперимента на ЭВМ.

Проблема гидрогеологической схематизации изучаемой территории и выбора эффективных значений параметров расчетной схемы рассматривается многими исследователями (Н.Н.Веригин, Е.С.Дзек-цер, И.С.Зеленин, В.К.Рудаков, И.С.Пашковский, В.М.Шестаков и др.). При этом часто отсутствуют не только количественные, но и качественные оценки погрешности схематизации (например, к завышенным или заниженным результатам приводит та или иная аппроксимация), что является совершенно естественным, так как величина

погрешности часто зависит сразу от нескольких параметров схемы, характер такой зависимости проанализировать в общем случае не всегда представляется возможным.

Такое положение делает необходимым наряду с учетом рекомендаций общего характера проведение оценки погрешности схематизации в каждом нетривиальном случае (И.К.Гаьич, В.К.Рудаков и др.). Разработанные средства автоматизации аналитических расчетов делают возможной практическую реализацию такого подхода. В соответствии с этим проведенный автором вычислительный эксперимент следует рассматривать, в первую очередь, как пример применения новой технологической системы прогнозирования для структурного анализа расчетной схемы. Использование ЭВМ позволило рассмотреть особенности функционирования расчетных схем для различного литологиЧеского состава водовмещающих пород на широком диапазоне изменения прогнозного расчетного времени - от 1 года до 25 лет, для источников питания площадного и линейного типа.

По результатам тестовых расчетов была проведена оценка влияния отдельных гидрогеологических параметров на динамику процесса подтопления, определены количественные, значения скоростей подъема УГВ для различных природно-техногенных условий.

Исследование влияния и взаимозависимости линейных размеров источников питания и величины инфильтрации показало, что основным фактором, определяющим характер процесса подтопления е условиях неопределенности размеров площади питания, является суммарное, а не удельное значение инфильтрации. Из этого можно сделать важный для планирования инженерных изысканий практический вывод о том, что для составления прогноза подтопления требуется, прежде всего, достоверная информация о суммарных водопотерях на территории и только потом - данные о ее детальном распределении по площади. Показано, что характер процесса подтопления для источников полоссобразной формы практически не зависит от их линейных размеров, т.е. их можно рассматривать как линейные источники. Получены простые эмпирические зависимости' для учета влияния линейных размеров источников на подьем УГВ в центре источника (вне источника подъем УГВ от них не зависит).

Исследование линейных и нелинейных по водонасыщенной мощности геофильтрационных схем (аналитических и численных) позволило определить количественные оценки погрешности, определяемой линейностью аналитических моделей геофильтрации. Автором проведен критический анализ некоторых методов (А.Ж.Муфтахов) учета

нелинейности процесса подтопления - выбора эффективного значения hc (средняя мощность пласта) - и предложен собственный способ. Его основу составляет проведение расчетов в два этапа: на первом используется /гс1= hQ (начальная мощность), на втором -

ft„ + Ah. /2, где &.h. - максимальное значение подъ-

C2 О 1, max " 1, max

ема УГВ, полученное на первом этапе.

Расчетные зависимости (12) - (15), описывающие формирование техногенного водоносного горизонта в первоначально сухих грунтах, не являются точным решением исходных уравнений геофильтрации. Это, в частности, делает невозможным их практическое применение в начальные моменты времени действия источника питания. Оценка погрешности этой расчетной схемы была проведена, исходя из соображений водного баланса: количество поступившей воды из источника питания должно быть равьо количеству воды в сформирэ- ' ванном куполе (вычисляется по исходным расчетным формулам). В результате была разработана методика автоматического получения поправочных коэффициентов для расчетов УТВ и радиуса растекания купола грунтовых вод.

В пятой главе рассматриваются общие положения компьютерной методики выполнения прогнозов подтопления. Ее реализация базируется на разработке технологии по-элементного описаиия расчетной схемы территории, разработке алгоритмов численной реализации расчетных зависимостей, создании "дружественной вычислительной среды" на базе применения персональных ЭВМ. Таким образом решаются основные задачи автоматизации - повышение качества прогнозных исследований на основе многовариантных расчетов, расширение состава геофильтрационных схем, обеспечение необходимой для массового пользователя доступности, простоты освоения и эффективного применения.

Программное обеспечение компьютерной методики представлено -сомплексом, разработанным автором для персональных ЭВМ типа [ВМ PC XT/AT. Он состоит из двух частей • пакета демонстрационно -обучающих программ и пакета расчетных программ.

Первый пакет программ обеспечивает компьютерную поддержку ктодического обеспечения выполнения прогнозов с использованием цветных графических средств визуализации данных и включает сле-(ующие основные разделы:

- общие сведения о методике прогнозов;

- описание теоретических и математических основ аналитически расчетов с представлением списка используемой и рекомендуе-

мой для дополнительного изучения литературы;

- описание структуры и состава параметров расчетной схемы территории;

- примеры выполнения прогнозных расчетов на ПЭВМ, включая общую последовательность работ, технологию составления расчетной схемы, описание различных вариантов представления результатов.

Второй пакет программ предназначен непосредственно для проведения расчетов подъема УТВ. Он содержит следующие функциональные модули:

- управление базой данных;

- редактор исходных данных;

- расчетный модуль;

- вывод, исходных данных и результатов расчетов, построение карт подъема УГВ в изолиниях."

Создание эффективных инструментальных средств автоматизации расчетов обеспечило возможность проведения многовариантных проработок в виде прогнозного'модельного эксперимента на ЭВМ. В основе эксперимента лежит последовательное уточнение структуры и параметров расчетной схемы территории с целью повышения достоверности представления о развитии процесса подтопления в будущем. В рамках проведения прогнозного эксперимента можно выделить следующие основные этапы:

1) предварительный сбор, обобщение и оценка данных об изучаемой территории;

2) определение целей и задач эксперимента;

3) составление расчетной схемы, исследование адекватности схемы реальному объекту с точки зрения решения конкретной прогнозной задачи;

4) проведение прогнозных расчетов;

5) интерпретация результатов расчетов, составление прогноза.

Этапы' 3 и 4 непосредственно связаны с проведением многовариантных проработок на ЭВМ. Целью исследования сначала является общая структура модели объекта и ее элементы, описывающие., прежде всего, природные условия. На следующем этапе изучается функционирование построенной модели в условиях действия новых техногенных условий (дополнительного инфильтрационного питания), в том числе, с учетом возможного изменения параметров расчетной схемы.

При выполнении прогнозных исследований в условиях недостаточности и недостоверности исходных данных важным фактором повы-

шения качества их результатов является возможность применения многовариантных проработок. В этом случае, как показал проведенный сравнительный анализ, аналитические методы расчетов обладают определенными преимуществами по сравнению с численными. Это выражается в более низких затратах машинного времени, возможностью эффективного управления вычислительным процессом и простой процедурой коррекции структуры расчетной схемы изучаемой территории в ходе прогнозного модельного эксперимента на ЭВМ.

В шестой главе рассматривается пример применения методики прогноза подтопления на ПО "Атоммаш" с использованием аналитических расчетов на ЭВМ. Автор принимал непосредственное участие в этой работе, которая проводилась коллективом отдела гидрогеологических исследований ПНИШС под руководством Е.С.Дзекцера.

В соответствии с техническим заданием требовалось составить прогноз уровенного режима подземных вод площадки ПО "Атоммаш" на основании анализа и обобщения данных наблюдений РостовдонТИСИЗа по имеющимся фактическим данным. Целью прогноза являлось гидрогеологическое обоснование комплекса проектно-изыскательских работ и инженерных изысканий по обеспечению надежной эксплуатации объекта и 3-й очереди строительства. Учитывая недостаточность исходных данных о природных условиях и неопределенность изменения техногенной нагрузки в будущем, было определено, что прогноз может носить только оценочный характер. Для него проводились вариантные проработки с использованием аналитических моделей геофильтрации. Реализация такого подхода, основанная на выполнении большого объема вычислений, потребовала автоматизации расчетов.

Промплощадка ПО "Атоммаш" расположена в восточной части Ростовской области на берегу водохранилища Цимлянское и приурочена к 4-й надпойменной террасе р. Дон на участке примыкания последней к Доно-Сальскому водоразделу. Геолого-литологическое строение характеризуется отложениями неогена и перекрывающими их четвертичными отложениями. На промплощадке ергенинские пески перекрыты темно-серыми глинами мощностью от 1 до б м., которые могут быть приняты в качестве местного водоупора. Непосредственно на глинах залегают четвертичные отложения, представленные лессовидными макропористыми суглинками, разделенными слоями погребенных почв.

В результате проведенной схематизации природно-технических условий за основу была принята схема однослойного пласта, неограниченного в плане (дренирующим действием Сухо-Соленого залива

оказалось возможным пренебречь), средняя мощность водоносного горизонта -5м., коэффициент недостатка водонасыщения - 0,046, коэффициент фильтрации - 0,04 м/сут.

Техногенная нагрузка была представлена в виде 38 источников дополнительного ¡«¡фильтрационного питания круглой, прямоугольной и полосообразной формы. В качестве отдельных источников питания были определены: внутриплощадочные (цеха и внутренние коммуникации), внешние коммуникации, ТЭЦ,, стройбаза, площадка 2-й очереди завода. Величина инфильтрационного питания составила 0,0000130,021 м/сут. Она определялась, исходя из анализа ьодопотерь на территории завода в целом с учетом данных по каждому цеху, размерами и конструиией водонесущих коммуникаций.

Подъем УГВ определялся на территории завода в узлах прямоугольной сетки "12-15, с шагом 100 м., а также в центре каждого потенциального источника подтопления. Расчеты проводились на периоды 5, 10, 15, 25 лет.

Прогнозные расчеты выполнялись в двух основных вариантах техногенной нагрузки: существующий вариант бесканальной прокладки коммуникаций и проектируемый вариант прокладки внутритглоща-дочных коммуникаций. В рамках каждого варианта рассматривались несколько различных сочетаний действия источников питания,.

По результатам расчетов были построены прогнозные карты подъема УГВ, определены средние скорости подъема УГВ, различные варианты динамики процесса подтопления во времени и по площади. Проведенный анализ позволил сделать основные выводы:

- прокладка коммуникаций в проходных тоннелях позволит уменьшить величину утечек ь 7-13 раз, что существенно снизит скорость подъема УГВ, но полностью не исключит его;

- заметное влияние на процесс подтопления оказывают внешние источники питания.

В соответствии с этим было рекомендовано кроме перекладки внутренних водонесуших коммуникаций предусмотреть дополнительные меры инженерной защиты территории от подтопления. С учетом проведанных исследований были разработаны предложения по реорганизации наблюдательной сети и проведению комплекса работ для 2-й очереди строительства завода. Следует отметить, что проведение вариантных проработок и детальность схематизации техногенных условий потребовала большого объема вычислений (65000 реализаций исходных расчетных зависимостей только для окончательного! прогнозного варианта), что могло быть осуществлено только на базе

автоматизации расчетов на ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Аналитические геофильтрационнные модели, списывающие изменение подъема УТВ под воздействием инфильтрационных источников питания, соответствуют широкому классу практических задач, связанных с прогнозами подтопления при строительном освоении территорий.

2. Предложена технология описания иерархической системы расчетных геофильтрационных схем: "базовая схема источника питания" - "комплексная схема источника питания" - "расчетная схема территории". Структура расчетной схемы включает три основных элемента: фильтрационную схему водоносного пласта в разрезе; граничные условия в плане; источники инфильтрациснного питания.

3. Одним из путей повышения качества прогнозов являются многовариантные проработки, реализация которых возможна только е результате их автоматизации на базе применения ЭВМ. Это обеспечивается разработанным алгоритмическим, программным, информационным и методическим обеспечением выполнения аналитических расчетов на ЭВМ (ЕС, СМ, персональные).

4. Реализация многовариантных расчетов аналитических моделей геофильтрации позволила перейти к практическому выполнению прогнозов подтопления в виде модельного эксперимента на ЭВМ, в основе которого лежит последовательное уточнение структуры и параметров модели объекта с целью повышения достоверности представления о развитии процесса подтопления в соответствии с поставленной прогнозной задачей.

5. Возможность применения персональных ЭВМ, доступных широкому кругу пользователей, создание "дружественной" среды при работе гидрогеолога, реализация комплекса демонстрационно-обучающих программ позволяют говорить о создании компьютерной методики прогнозов подтопления. Она характеризуется простотой в освоении и эксплуатации, высокими технико-экономическими показателями, возможностью значительного повышения качества исследований.

6. В результате выполненных исследований представлены количественные оценки погрешностей аналитических моделей, определяемых линейным характером расчетной схемы. Разработаны практические рекомендации но учету нелинейного характера реального геофильтррциоиного |,-ро,'4>-.!<:.ч с использованием аналитических расчетных схнм.

7. Проведенный на основе водного баланса анализ расчетных зависимостей, описывающих формирование техногенного водоносного горизонта в первоначально сухих грунтах, позволил провести количественную оценку погрешности математической модели и предложить методику ее учета при практических расчетах.

8. Выполненный сравнительный анализ применения численных и аналитических методов расчетов геофильтрационных моделей одного уровня сложности (в условиях осреднения гидрогеологических параметров по площади и во времени) показал более высокую эффективность аналитических методов, которая выражается в более высокой производительности расчетов на ЭВМ, простой процедуре схематизации гидрогеологических условий и интерпретации результатов расчетов, гибких возможностях управления режимами расчетов в соответствии с конкретно поставленной задачей.

9. Апробация предложенной методики прогнозов подтопления на ряде конкретных объектов, в том числе на площадке ПО "Атом-маш", показала возможность й эффективность применения аналитических многовариантных расчетов, прежде всего, в условиях недостаточности исходных данных, на ранних этапах исследования территорий, для проведения разведочных расчетов при планировании инженерных изысканий.

10. Дальнейшее развитие методики прогнозов на базе аналитических моделей геофильтрации представляется возможным в следующих направлениях:

- реализация расчетных схем дренажных систем и выполнение нормативных прогнозов;

- создание блока для решения обратных задач при оценке инфильтрации по данным режима;

- применение математических методов оптимального планирования эксперимента;

- расширение состава геофильтрационных схем за счет численно-аналитических расчетов;

- развитие сервисных возможностей программного обеспечения.

Список опубликованных по теме диссертации работ

1. Применение ЭВМ при прогнозе процесса подтопления промп-лощадок по аналитическим зависимостям //Тезисы докл. Всесоюзного совещания "Процессы подтопления застроенных территорий грунтовыми водами (прогноз и защита)", Новосибирск, окт. 1984 г. - Новосибирск, 1984.- Ч.1.- С. 107-108.

2. Задачи автоматизации инженерно-гидрогеологического прог-

позирования при строительном освоении территорий //Материалы на-1 учно-технической конференции молодых специалистов ШШШС "Совершенствование методов инженерных изысканий в строительстве", Москва, апр. 1985 г. - M., 198G. - С. 118-125. - Деп. в ВНШИС 14.04.86, номер 6910.

3. Системный подход к разработке постоянно-действующей модели гидрогеологических объектов при строительном освоении территорий //Тез. докл. 2-й Всесоюзной конференции "Системный подход в геологии (теоретические и прикладные аспекты)", Москва, сен. 1986 г.-М., 1986.

4. Автоматизация геофильтрационных расчетов в проблеме прогноза подтопления застраиваемых территорий // Материалы конференции "Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территорий городов и городских агломераций", Одесса, сент. 1987 г.-М., 1587.-С. 356-357. (Соавтор Е.С.Дзекцер).

5. Выбор базового набора типовых расчетных гидродинамических схем при автоматизации прогнозов подтопления пр аналитическим зависимостям //Гидрогеологические исследования на застраиваемых территориях.-М., 1908.-С. 36-42.

6. Автоматизация геофильтрационннх расчетов при прогнозах формирования гидрогеологических условий на. застроенных территориях // Тез. докл. 1-го Всесоюзного съезда инженеров-геологов, гидрогелогов и геокриологов "Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии районов интенсивной инженерной нагрузки и охрана геологической среды", Киев, окт. 1988 г. - К., 1989. -Ч. 4.- С. 102-103.

7. Программное обеспечение аналитических расчетов прогноза подтопления // Информационный листок о НТД. - М.: МГЦНТИ, 1988. - Номер 29.

8. Провести научные исследования и разработать рекомендации по автоматизации аналитических расчетов прогноза подтопления : Отчет по НИР/ Г1НШИС, номер ГР 01.87.0 063962, инв. номер 02.87.0 078660. - М., 1987. - 91 с. (Соавтор Е.С.Дзекцер).

ПКИИИС, зак.329-90, тир.100