Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Программная поддержка опытно-фильтрационных работ на участках загрязнения подземных вод

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Программная поддержка опытно-фильтрационных работ на участках загрязнения подземных вод"

На правах рукописи

СИНДАЛОВСКИЙ Леонид Наумович

ПРОГРАММНАЯ ПОДДЕРЖКА ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ НА УЧАСТКАХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Специальность 04.00.06 Гидрогеология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова (технического университета).

Научный руководитель:

член-корреспондент Российской Академии Наук, профессор В.А.Мироненко.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералопгческих наук, профессор ЮЛ. Норватов, кандидат геолого-минералогических наук, доцент А С. Сенное.

Ведущее предприятие: Гипрошахт

Защитадассертациисостоигся_£У ^/^с- _ 1997 г.

в ч. мин, на заседании диссертационного совета

Д.063.15.07 в Санюг-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова по адресу 194026, Санкт-Петербург, ВО, 21-я линия,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова.

Д. 2, ауд. .

Автореферат разослан_

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент, к.г.-м. н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Интерес к изучению особенностей фильтрационных процессов при опытных гидрогеологических опробованиях водоносных пластов возрос в настоящее время в связи с необходимостью защиты подземных вод от техногенного загрязнения, реабилитации подземных вод на загрязненных территориях, вынузвденной ликвидации промышленных отходов путем их подземного захоронения в глубокие относительно изолированные водоносные горизонты-коллекторы, а также из-за необходимости обоснования все более сложных в техническом и ответственных в экономическом отношении проектов, которые требуют повышенной точности и достоверности прогнозов.

Цели работы.

Основная цель диссертационной работы заключается в следующем:

1) создание качественно нового аппарата аналитической обработки и интерпретации результатов опытно-фильтрационных опробований (ОФО), ориентированных, в первую очередь, на получение фильтрационных параметров для решения последующих задач миграционного характера на изучаемых участках;

2) повышение качества интерпретации ОФО аналитическими методами посредством внедрения компьютерных способов обработки;

3) на базе созданного аппарата - разработка основ экспертной системы (ЭС) - "Опытно-фильтрационные опробования водоносных пластов".

Научная новизна работы:

1) внедрена в практик}' гидрогеологических расчетов обработка ОФО по исходным аналитическим решениям, в том числе, не имеющим приемлемых аппроксимаций (в частности, для расчетных схем в анизотропной и неоднородной среде);

2) предложены методы "автоматического" подбора фильтрационных параметров по фактическим замерам для большинства имеющихся в гидрогеологической практике типовых схем, в том числе для групповых откачек с переменным во времени дебитом;

3) проанализированы методы проведения и обработки экспресс-опробований в различных гидрогеологических и технических условиях; разработан оригинальный алгоритм обработки экспресс-опробований в условиях всех рассмотренных фильтрационных схем;

4) разработаны принципиальные основы и исходная рабочая версия экспертной системы "Опытно-фильтрационные опробования водоносных пластов".

Реализация работы.

Результаты работы использовались:

1) при оценке достоверности полученных ранее фильтрационных свойств изучаемого участка загрязнения на территории ПО "Маяк", а также при обосновании водоохранных мероприятий на данном объекте;

2) при интерпретации групповых откачек с переменным дебитом в Архангельском алмазоносном районе;

3) при обработке экспресс-опробований, проведенных на опытном полигоне в Татарстане;

4) в хоздоговорных работах и научных исследованиях лаборатории гидрогеологии ВНИМИ;

5) в учебных целях - при проведении практических занятий по курсу "Динамика подземных вод", на студенческих гидрогеологических практиках, а также в курсовых и дипломных проектах студентов кафедры гидрогеологии СПбГТИ.

Практическая значимость работы.

Разработанные методы и компьютерные программы обеспечивают планирование, проведение и интерпретацию ОФО на участках предполагаемого захоронения промышленных отходов или на участках загрязнения подземных вод. Разработанный аппарат может также использоваться при проектировании и обработке ОФО, в научно-исследовательских целях для наглядного изучения физики фильтрационных процессов, в учебных целях для приобретения студентами и гидрогеологами-практиками навыков количественной обработки опытных данных и работы со специализированными компьютерными программами. Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Пятых Толсгихянских чтениях (С.-Петербург, 1996), на Рабочем совещании по проблемам охраны окружающей среды (Вильнюс, 1996), на постоянно действующем семинаре кафедры гидрогеологии СПбГТИ, а также отражены в восьми публикациях.

Автор выражает благодарность и признательность своему научному руководителю член-корреспонденту РАН профессору В.АМироненко за помощь и постоянную поддержку на всем протяжении подготовки диссертационной работы. Автор также искренне благодарит сотрудников кафедры гидрогеологии СПбГТИ, принимавших участие в обсуждении работы. Особую признательность автор выражает сотрудникам лаборатории гидрогеологии ВНИМИ за ценные советы и предоставление возможности практической реализации основных результатов работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Изучение условий геофильтрации на участках загрязнения подземных вод требует основательной детализации фильтрационных свойств, а также более дробной дифференциации профильной неоднородности и анизотропии - в сравнении с традиционным опробованием. Применительно к старьш загрязненным территориям, под этим углом зрения, требуется ревизия опытных опробований, осуществленных ранее - с учетом последних достижений в сфере интерпретации ОФО на базе компьютерного моделирования. Круг необходимых в этой связи исходных данных определяется решением прямых задач, демонстрирующих чувствительность фильтрационных процессов к тем или иным параметрам.

Эти позиции анализируются в рамках модельного обоснования водоохранных мероприятий на объекте ПО "Маяк", которые ориентированы на локализацию загрязнения подземных вод, сформировавшихся под влиянием утечек высокоактивных промстоков из водоема №9 (бывшее оз.Карачай).

Более, чем сорокалетний период эксплуатации поверхностного хранилища среднеактивных жидких РАО обусловил формирование обширного ореола загрязнения подземных вод в вулканогенных (кварцевые порфирита, туфы) трещиноватых породах. Основной объем промстоков сконцентрирован в зоне выветривания вулканогенных пород с невыраженным водоупорным основанием. Рельеф последнего, в соответствии с региональными представлениями, коррелирует с рельефом дневной поверхности (В.А.Киргохин, Н.И.Толстгоош, 1987). Наблюдения за этим ореолом, сопровождавшиеся постановкой комплекса гидрогеологических и геофизических исследований, а также математическое моделирование миграционного процесса, позволяют сделать вывод о достижении фронтом радиоактивных нитратных рассолов ближайшей к водоему границы локальной разгрузки подземных вод (долина р.Мишеляк). Под угрозой загрязнения оказываются речная вода и пойменные отложения. Имеющие место сорбционные процессы обусловливают отставание фронта загрязнения по радиоактивным компонентам, но, очевидно, это лишь временно сдерживающий фактор, не устраняющий опасности радиоактивного загрязнения поверхностных вод в ближайшей перспективе.

Интенсивность фильтрационных потерь из водоема возрастала от нескольких десятков м3/сут в первые годы его эксплуатации до 200-500 м3/сут в конце 60-х - начале 70-х годов. Затем утечки начали падать в связи с общим сокращением объемов сброса и засыпкой водоема: в последнее время утечки колеблются в пределах 30-40 м3/сут. По балансовым оценкам, суммарный объем утечек составил около 3.4 млн.м3 за весь период эксплуатации.

Вследствие особенностей технологии, использовавшейся в 50-60 годы, отходы, сбрасывавшиеся в оз.Карачай, содержали большие

количества солей. Это привело к тому, что к началу 70-х годов суммарная концентрация солей в водоеме достигла 100-145 г/л, в том числе нитратов (доминирующий компонент) - 69-78 г/л. Плотность вода в озере достигла значений 1.06-1.095 г/см3. В 70-х годах, в связи с изменением технологии переработки ядерного топлива и уменьшением содержания солей в сбрасываемых жидких отходах, началось уменьшение концентрации солей в воде оз.Карачай. В настоящее время минерализация не превышает 20 г/л, плотность раствора 1.01-1.02 г/см3.

Разработка моделей доя расчетного обоснования альтернативных вариантов защиты подземных и связанных с ними поверхностных вод в долине р.Мишеляк осуществлялась параллельно на базе двух компьютерных программ - MODFLOW (McDonald, Harbaugh, 1988), впоследствии дополненного транспортным блоком MT3D (C.Zheng, 1990), и HST3D (K.L.Kipp, 1987); вторая из них учитывает плогностную конвекцию. Для обеих программ нами были разработаны дополнительные блоки, позволяющие быстро и наглядно переносить исходный фактический материал на создаваемую модель и просматривать результаты расчета. Для программы HST3D создан графический препроцессор и постпроцессор. Это дало возможность гибко оперировать огромными массивами с фильтрационными и миграционными параметрами, с начальными и граничными условиями. Необходимость в этих дополнительных блоках стала очевидна при создании последних вариантов региональной и локальной моделей, где в каждый расчетный блок задавалась своя проницаемость, инфильтрация сильно дифференцировалась по площади, а граничные условия изменялись во времени.

В целях пробной оценки значений фильтрационных параметров на участке, нами проведена повторная интерпретация (с привлечением специальных численных моделей - WELL, RELIS) нескольких опытных кустовых откачек; это позволило получить представления о качестве проведенных здесь опытных опробований и выявить, в частности, высокую степень профильной анизотропии фильтрующих пород в зоне разгрузки потока в р.Мишеляк.

Для регионального модельного анализа геофильтрации была выбрана территория (15x16 км), которая совладает с границами потоков подземных вод, формирующихся в пределах Мишеляк-Течинского водораздела - на севере и водораздела рек Мишелях и Зюзелка - на юге. Зона охватывает область максимально возможного распространения загрязнения за счет фильтрации из озера Карачай. Внешними гидродинамическими контурами собственно модели являются границы I рода и II рода, отождествляемые, соответственно, с линиями равных напоров (контурами природных водоемов), и линиями тока. Внутренним контуром стока является р.Мишеляк, представляющая собой гидродинамически) Гранину III рода. Аппроксимация описанных и последующее выделение других зон неоднородностей в пределах модели осуществлялись на прямоугольной сетке, содержащей 60x64 блоков (средний размер которых 250x250 м).

Согласование натурных и модельных результатов (калибрация фильтрационной модели) позволила, в первом приближении, откорректировать поле проводамостей. Расчеты с использованием программ МОЕ)РЪО\У и ШТЗБ дали практически идентичные результаты.

Однако, подключение миграционных блоков этих программ сразу же позволило выявить недостатки плановой фильтрационной модели: заложенные в ней предпосылки схематизации оказались слишком грубыми для корректного модельного воспроизведения интенсивности и направленности процесса миграции солей, а именно: на модели ореол солей перемещается преимущественно в направлении средних градиентов фильтрации, в го время как в реальности он примерно ортогонален последнему.

Нами была выдвинута гипотеза о наличии в нижней, относительно менее проницаемой, части водоносной толщи миграционного потока, существенно определяемого рельефом его относительного водоупорного основания.

Проверка данной гипотезы была осуществлена на семислойной модели, представляющей собой "врезку" в региональную модельную область. На границах модели-врезки были заданы распределения напоров, отвечающие соответствующим блокам региональной модели, полученные в результате численного моделирования. Посредством варьирования плановым распределением проницаемости нижних слоев модели удалось воспроизвести рельеф подошвы водоносной толщи, который считался коррелированным с абсолютными отметками земной поверхности.

Результаты решения задачи свидетельствуют о том, что модель достаточно адекватно описывает общие тенденции развития миграционного процесса и не противоречат данным, полученным в ходе режимных наблюдений.

В то же время, полученные результаты надо рассматривать как сугубо предварительные, поскольку расчеты выполнены на довольно грубой сетке (250x250 м), не позволяющей описать передовые концентрационные фронта ввиду сильно завышенных (из-за численной дисперсии) рассеивающих эффектов.

Практической целью описанных выше работ является разработка моделей для расчетного обоснования альтернативных вариантов защиты подземных и связанных с ними поверхностных вод в долине р.Мишеляк.

Оценка возможностей сокращения негативных последствий от сброса радиоактивных стоков в оз.Карачай, потребовало предварительной разработки общего подхода к выбору приоритетных водоохранных мероприятий. Специфика такого подхода обусловлена отсутствием в современной отечественной и мировой практике технологий, позволяющих осуществить полноценную реабилитацию (очистку) радиоактивно загрязненных подземных вод на данном участке. В этой ситуации оптимальным представляется выбор тех инженерных решений гидрогеологической направленности, которые с наименьшими затратами

позволили бы перевести процесс в разряд управляемого и контролируемого (В.А.Мироненко, 1994).

Рекомендуемые мероприятия носят в основном локалнзационный характер, т.е. они направлены на сокращение неконтролируемого выноса радионуклидов на поверхность.

Первоочередные расчетные оценки для обоснования мер по локализации радиоактивного загрязнения сделаны по следующим аспектам:

1) откачка загрязненных вод системой дренажных скважин;

2) эффективность приповерхностной дренажной траншеи по левому-берегу р.Мишеляк, предназначенной для перехвата радиоактивных вод в верхней части пласта, а также для сокращения величины неконтролируемой разгрузки загрязненных вод в прибортовых частях долины;

3) целесообразность бурения неглубоких дренажных скважин, выполняющих аналогичные функции, но обеспечивающие более активное вовлечение в систему водозабора загрязненных вод из нижних зон разреза;

4) эффективность функционирования нагнетающих скважин на пути потока загрязненных вод;

5) оценка перспектив заложения скважин (или их кустов) за пределами существующего ореола с целью организации отбора пресных вод, обеспечивающего снижение гидродинамических градиентов в области разгрузки потока в речную сеть, а также обеспечивающих консервацию загрязнения в пределах подземного пространства.

Ни один из рассмотренных вариантов (кроме первого) не может считаться достаточно надежным для долговременной локализации. Первый же вариант требует введения в работу достаточно мощной установки для поверхностной очистки откачиваемых загрязненных вод, что вряд ли удастся реализовать достаточно оперативно.

В этой ситуации сейчас целесообразно ограничиться разработкой эффективных оперативных мер, способных решить хотя бы на ближайшую перспективу наиболее острую проблему - максимально возможную локализацию загрязнения в пределах подземного пространства.

Для более детального прогноза дальнейшего развития ситуации на объекте необходимо усилить информационное обеспечение моделей в части профильной анизотропии и неоднородности, что может быть во многом определено повторной интерпретацией ранее проведенных опытных работ с применением разработанных нами в последующих главах средств компьютерной поддержки.

2. Планирование и интерпретация опытных опробований должны осуществляться на базе современной вычислительной техники при параллельном использовании аналитических методов и численных схем, так как только они позволяют наиболее полно и качественно оценить результаты эксперимента и отобрать непротиворечивую информацию

для ее дальнейшего применения. Соответственно, на защиту выносится программный комплекс аналитической обработки результатов ОФО.

Математический аппарат для интерпретации гидрогеологических опробований стал усиленно разрабатываться с 30-ых годов нашего столетия (Ч.Тейс, Ф.Форххеймер, М.Хантуш, Ч.Джейкоб и др.). Но до недавнего времени большинство разработанных аналитических решений не имели практического применения из-за трудностей оперирования входящими в них функциями и громоздкости вычислений. Поэтому приходилось от них отказываться и использовать различные допущения в расчетных схемах, сводить сложные схемы к более простым, обрабатывать ограниченный участок типовой кривой или довольствоваться упрощенными аппроксимациями и менее информативными стационарными решениями.

При планировании опытных опробований обоснование их методики обычно выполняют в рамках типовых расчетных схем с перспективой их использования при интерпретации результатов эксперимента. Однако в реальных условиях, развивающихся при опробовании водоносных комплексов, гидродинамический режим нередко не соответствует типовым расчетным схемам. Причинами такого несоответствия могут служить: неоднородность пластов в плане и в разрезе; нелинейность фильтрационных процессов; несовершенство и скин-эффект возмущающей скважины; сложный механизм взаимосвязи водоносных пластов; сложные условия фильтрации на границах пластов.

Компьютерный анализ природных усложняющих факторов позволяет схематизировать их в рамках типовых расчетных схем. При этом за основу типизации нами принята: количество слоев водоносного комплекса, наличие границ фильтрационного потока, степень анизотропии и изменчивость фильтрационного процесса во времени. Реальная природная обстановка может быть сведена к четырем типам по профильной структуре фильтрующего комплекса или по количеству слоев, входящих в изучаемый комплекс. Это однослойные, двухслойные, трехслойные и многослойные водоносные комплексы; они в дальнейшем и рассматриваются нами как основные.

К основным техническим факторам типизации отнесены совершенство скважины по степени вскрытия и режим откачки во времени.

Нами введена также дополнительная типизация, касающаяся только разработанного автором программного комплекса. Она проводится по возможным способам аналитической обработки опытно-фильтрационных опробований, при помощи которых определяются основные расчетные параметры, а также по выбору способа обработки в зависимости от временного участка типовой кривой.

В работе проанализированы и реализованы в рамках оригинального программного комплекса аналитические решения для большинства гидрогеологических схем, представленные как зависимости функции понижения от фильтрационных параметров. Перечислим эти схемы. • Изолированный однородный напорный пласт неограниченный в плане.

• Полуограниченный напорный пласт с границей I или II рода.

• То же с граничным условием III рода.

• Ограниченный напорный пласт (любая комбинация граничных условий I и II родов).

• Угловой пласт с границами I и II родов.

• Планово-неоднородный напорный пласт (граничное условие IV рода на прямолинейной границе раздела).

• Схема точечного источника в неограниченном по мощности и протяженности анизотропном пласте.

• Схема точечного источника в полуограниченном по мощности анизотропном пласте с границей I или II рода.

• Схема точечного источника в ограниченном по мощности анизотропном пласте (любая комбинация граничных условий I и II родов).

• Схема линейного источника в неограниченном по мощности и протяженности анизотропном пласте.

• Схема линейного источника в полуограниченном по мощности анизотропном пласте с границей I или II рода.

• Схема линейного источника в ограниченном по мощности анизотропном пласте (любая комбинация граничных условий I и II родов).

• Однородный анизотропный безнапорный пласт, неограниченный в плане, - для совершенных и несовершенных по степени вскрытия скважин.

• Полуограниченный в плане анизотропный безнапорный пласт с границей I или II рода, - для совершенных и несовершенных по степени вскрытия скважин.

• Ограниченный в плане анизотропный безнапорный пласт (любая комбинация граничных условий I и II родов), - для совершенных и несовершенных по степени вскрытия скважин.

• Двухслойный водоносный комплекс с непроницаемой подошвой, причем уровень грунтовых вод находится в верхнем слабопроницаемом горизонте.

• Двухслойный водоносный комплекс с непроницаемыми кровлей и подошвой.

• Двухслойный водоносный комплекс с непроницаемой подошвой, над кровлей которого располагается горизонт с грунтовыми водами.

• Трехслойный водоносный комплекс с непроницаемыми кровлей и подошвой (верхний и нижний слои менее проницаемые чем средний).

• Трехслойный водоносный комплекс с непроницаемой подошвой, над кровлей которого находится горизонт с грунтовыми водами.

• Трехслойный водоносный комплекс, ниже которого находится горизонт с постоянным напором, а выше - горизонт с грунтовыми водами.

• Два водоносных горизонта, разделенные слабопроницаемым слоем, когда уровень в верхнем горизонте постоянен.

• Два водоносных горизонта, разделенные слабопроницаемым слоем, когда уровень в верхнем горизонте изменяется в процессе опробования.

В работе подробно проанализированы вышеперечисленные расчетные схемы и предложены компьютерные реализации соответствующих им аналитических зависимостей. Они включают основные способы обработки опытных опробований применительно к каждой схеме -графоаналитические (способы прямой линии на графиках временного, площадного и комбинированного прослеживаний, способ эталонной кривой) и целенаправленного "ручного" и "автоматического" подборов. Все исходные проанализированные решения отвечают нестационарному движению подземных вод, вызванному действием одной возмущающей центральной скважины с постоянной производительностью в течение всего опробования.

Интерпретация кустовых и групповых откачек с переменным дебетом аналитическими способами связана с определенными трудностями, а чаще всего практически невозможна. На практике же опробования часто характеризуются именно переменной производительностью центральных скважин из-за повышенной длительности опыта и технических сложностей по обеспечению постоянства дебита (перебои с электроэнергией, поломки водоподъемного оборудования и т.д.). Невозможность проинтерпретировать такой "некачественный" эксперимент может привести к крупным экономическим потерям и необходимости проведения повторного опробования (которое, в свою очередь, не гарантировано от погрешностей). В некоторых случаях проведение откачки с переменным дебитом требуется уже самой поставленной задачей - например, изучение фильтрационных деформаций прискважинной зоны в процессе откачки (нагнетания).

Разработанный нами программный комплекс AQUITEST позволяет решать прямую (в виде подбора фильтрационных параметров по соответствующим аналитическим зависимостям) и обратную ("автоматический" подбор параметров по данным опытного опробования) нестационарную опытно-фильтрационную задачу для системы взаимодействующих скважин, работающих с переметшим дебитом.

Актуальными в настоящем времени становятся опытно-фильтрационные опробования, ориентированные на решение миграционных задач (вопросы захоронения промышленных отходов, задачи прогноза загрязнения и т.д.). В такого рода проблемах особо важной становится информация о вертикальном движении подземных вод, в частности, о вертикальной составляющей коэффициента фильтрации. Стандартные кустовые опробования не всегда оказываются чувствительными к требуемым параметрам. Поэтому в процессе исследований следует ориентироваться на более информативные с этой точки зрения эксперименты. Среди них особо можно отметить дуплетное опробование.

Учитывая возможности компьютера и уже существующей программы AQUITEST, нами была предпринята попытка интерпретации результатов дуплетного опробования по всему графику фактических понижений - одновременно нестационарный и стационарный режимы фильтрации (в отличие от существующих в настоящее время чисто стационарных решений с жесткими требованиями к условиям проведения

эксперимента - У.21сЛшк, С.ЬесЫег, 1996). Характерные для такого вида опытов расчетные типовые схемы были адаптированы к обработке дуплетного опробования. Это схемы точечного и линейного источников в профильно анизотропном водоносном горизонте и схема однослойного безнапорного горизонта с несовершенной по степени вскрытия скважиной и с учетом влияния гравитационной водоотдачи в ложностационарный период (8.№итап, 1974).

Дуплетный эксперимент принимается нами за групповую откачку (что он на самом деле и представляет) с двумя центральными скважинами, в каждой из которых свой дебит. Это позволяет использовать общее для всех групповых откачек решение и учитывать все те граничные условия, которые предусмотрены в программном комплексе АОШТЕБТ для несовершенных скважин.

Отсутствие ограничений на расположение возмущающих скважин, возможность учитывать изменение дебита в каждой скважине, учет возможных границ фильтрационного потока, представительная и наглядная обработка с использованием графиков как временного, так и площадного прослеживаний - является существенной добавкой к разработанным ранее стационарным решениям.

3. Технические, экономические и экологические трудности реализации традиционных ОФО на участках загрязнения подземных вод или захоронения промышленных отходов все чаще заставляют делать основной упор на полевые эксперименты малой длительности и локального радиуса действия. В этой связи на защиту выносится специальный программный блок, ориентированный на обработку данных экспресс-опробований.

Экспресс-опробование как один из видов опытно-фильтрационных работ часто практикуется в гидрогеологии, главным образом, зарубежной. Широкое применение эти методы нашли благодаря своей доступности, дешевизне и отсутствию необходимости в специальном оборудовании. В отечественной практике экспресс-методы получили меньшее распространение, поскольку наши специалисты при определении фильтрационных параметров традиционно ориентировались на более информативные, хотя и дорогостоящие кустовые и одиночные откачки. Однако в связи с резким удорожанием в последние годы опытных работ и сокращением их финансирования, внедрение экспресс-методов в практику гидрогеологической разведки стало актуальным и в нашей стране.

Чаще всего экспресс-опробования используют в ситуациях, когда при гидрогеологической разведке требуется приближенно определить величину проводимости водоносного слоя и получить сравнительную характеристику по данному параметру. Эффективно их проведение и для оценки сопротивления прискважинных зон, что позволяет оценить инерционность наблюдательных скважин при замерах уровней в процессе нестационарной фильтрации. Немаловажным аспектом их использования

является возможность постановки опытных опробований по изучению миграционных свойств пород при практической невозможности применения других способов опробования (опыты в глубоких водоносных горизонтах; в слабопроницаемых породах при оценке изолированности пласта-коллектора; на загрязненных территориях, где с экологической точки зрения не всегда разумно создавать мощные и длительные возмущения с извлечением на поверхность сильно загрязненных вод).

Внимание, направленное на размещение опасных отходов, привело к необходимости более детальной расшифровки фильтрационной неоднородности на базе полевых оценок коэффициента фильтрации. Экспресс-опробование стало главным методом оценки локальных свойств слабопроницаемых образований, изолирующих участки опасных захоронений. Во многих случаях используются скважины, уже пробуренные на изученных участках (например, спроектированные для контроля качества воды).

Суть способа состоит в быстром наливе либо откачке из скважины некоторого известного объема воды и в последующем наблюдении за восстановлением уровня в той же скважине до первоначального положения. В зависимости от фильтрационных свойств пласта, продолжительность эксперимента обычно составляет от первых секунд до нескольких часов. Вместе с тем, задача интерпретации результатов экспресс-опробования оказывается более некорректной, чем при других видах опытно-фильтрационных работ. Это выражается, в первую очередь, низкой чувствительностью опытных данных к изменению фильтрационных свойств. Типовые кривые восстановления (понижения) уровня (Н.Соорег, .1.Вгес1е1юеП, 1.Рара<1ори1о5, 1967) оказываются схожими при различных комбинациях водопроводимосги и водоотдачи опробуемого пласта (особенно в напорных условиях при коэффициенте упругой водоотдачи менее чем 10'3).

Хотя экспресс-опробование осуществляется относительно легко, оно должно тщательно планироваться и проводиться по определенной методике, для обеспечения максимального объема информации. А это требует обобщения всего накопленного опыта в данной области.

Несмотря на большое разнообразие осложняющих факторов, котфрые мотут возникнуть при опробованиях (закольматированность фильтра, нарушенность прискважинной зоны, немгновенный скачок начального напора и т.д.), не следует рекомендовать усложненные схемы интерпретации данных экспресс-опробования - с учетом скин-эффекта, фильтрационной неоднородности, гетерогенности и т.д., - поскольку возможность оценки необходимых для этого дополнительных параметров весьма проблематична, а уточнения, достигаемые корректировкой модели эксперимента, нисколько не компенсируют погрешности, связанной с неопределенностью водоотдачи пласта. По тем же причинам малоперспекгивны, на наш взгляд, и усилия, направленные на повышение информативности полевого экспресс-эксперимента. И тем не менее, всегда необходимо иметь в наличии хорошо обоснованные и проверенные на

фактическом материале и на численных моделях аналитические решения, которые могли бы показать чувствительность схемы к осложняющим факторам, а совместно с другими опытными версиями - и вывести исследователя на важные для поставленной задачи фильтрационные и миграционные характеристики водоносного горизонта.

На данный момент нами реализовано 12 способов обработки этого вида опробований для различных гидрогеологических схем и условий на опытной скважине: кольматация скважины, немгновенное изменение начального уровня, осцилляции и т.д. Среди них:

• Экспресс-опробование в напорном горизонте совершенной и несовершенной по степени вскрытия скзажиной.

• Экспресс-опробование в безнапорном горизонте.

• Экспресс-опробование при различных конструкциях опытных скважин (решения Хворслева): при обработке учитывается профильная анизотропия.

• Экспресс-опробование при наличии скин-эффекга.

• Экспресс-опробование в скважине, пересекающей трещину.

• Экспресс-опробование при значительных колебаниях уровня при мгновенном наливе (отборе) воды из скважины.

• Экспресс-опробование при немгновенном наливе (отборе) воды из скважины.

• Оценка радиуса влияния при проведении экспресс-опробования.

Большинство из этих способов обработки нуждаются в тщательном изучении и дополнительной проверке на фактическом материале (а при его отсутствии - на данных численного моделирования, что при резком сокращении полевых исследований остается зачастую единственно возможным).

Эффективным методом обработки экспресс-опробований является численное моделирование условий эксперимента при помощи компьютерных программ. В качестве таковых мы использовали RELIS (автор П.К.Коносавский, 1994) для напорных горизонтов и WELL (автор I.Mucha, 1989) - для напорных и безнапорных. Тестовые задачи показали вполне приемлемые результаты и позволили использовать эти программы в практических целях. Кривые, полученные на численных моделях, практически полностью совпадают с типовыми кривыми Купера при любых значениях водоотдачи. Моделирование экспресс-опробования требует задания очень маленького начального временного шага (< 10"5 сут) и высокой точности расчета (Ю-4 - 10"5 м). Последнее делает необходимым большое количество итераций для сходимости процесса (до 20000), особенно на первых временных шагах.

Использование численного моделирования в такого рода экспериментах без предварительного знания фильтрационных параметров опробуемого горизонта может привести к неоправданным затратам времени и неоднозначности в интерпретации. Разработанных же расчетных схем, в которых может проводиться экспресс-опробование, явно недостаточно (особенно, учитывая то, что опробование обычно проводится не в

специально для этого оборудованных скважинах, а уже в имеющихся, которые были пробурены и проектировались для других целей).

Нами была предпринята попытка адаптировать аналитические решения для стандартных опытно-фильтрационных опробований к экспресс-методам. Для этого на основе данных об изменении но времени напора рассчитывается дебит на каждый временной интервал - и в результате приходим к решению для откачки (нагнетания) при переменном во времени дебите. Чем более подробна информация о восстановлении напора, тем точнее последующая обработка. Такое представление данных эксперимента позволяет использовать для обработки и получения искомых параметров все доступные аналитические решения и способы обработки по ним для любой расчетной схемы, рассмотренной в программном комплексе АС^ШТЕЯТ. Преимущество данного способа заключается также в возможности использования при интерпретации данных наблюдательных скважин. Особенно выигрышной такая обработка становится при немгновенном изменении начального уровня, при опробовании в слоистых системах, при наличии границ фильтрационного потока или при существенной профильной анизотропии.

Для улучшения качества оценки фильтрационных параметров при планировании и проведении экспресс-опробований в работе даны рекомендации, касающиеся методики постановки опыта и последующей его обработки. Наиболее важным здесь является выбор скважины с подходящей для этого конструкцией и отсутствием скин-эффекта. Это может стать решающим в правильности интерпретации эксперимента, так как обработка с наличием "скина" является достаточно субъективной. Экспресс-опробование предпочтительнее проводить в трещиноватых или трещиновато-пористых породах с подчиненной ролью блоковой проницаемости по отношению к проницаемости трещин. В пористых отложениях результаты могут оказаться существенно хуже из-за трудно предсказуемого влияния скнн-эффекга.

4. Необходимость широкого использования опыта и знаний ведущих специалистов-гидрогеологов в сфере планирования и интерпретации опытных опробований делает необходимым создание экспертной системы "Опытно-фильтрационные опробования водоносных пластов". На защиту выносится исходная рабочая версия такой системы.

Основное назначение разработанного нами программного комплекса - это определение гидродинамических свойств водоносных толщ аналитическими и графоаналитическими способами по данным опытно-фильтрационных опробований, а также оценка чувствительности расчетной схемы к фильтрационным свойствам изучаемого водоносного горизонта и к техническим параметрам проведения эксперимента. Комплекс также может использоваться в учебных целях (обучение студентов и гидрогеологов-практиков количественной обработке опытных данных и работе со специализированными компьютерными программами) и в научно-

исследовательских целях (выявление взаимосвязи между решениями для различных типовых схем, оценка чувствительности расчетных схем к фильтрационным параметрам, изучение достоверности способов обработки исходного материала, проверка временного и площадного диапазона действия тех или иных аналитических зависимостей, диагностика опытных данных, проверка численных моделей и т.д.).

Данная разработка является математической основой для последующего создания экспертной системы (ЭС): "Опытно-фильтрационные опробования водоносных пластов". Параллельно с совершенствованием и расширением программного комплекса аналитической обработки и тестированием численных программ, нами сделаны шаги к созданию такой системы. Целью ЭС является не только конечный количественный результат (получение фильтрационных параметров), но и демонстрация того, как приходит к нему специалист высокого класса, т.е. система должна объяснить и оправдать свои действия.

ЭС подразумевает эффективную диагностику результатов, постоянное численное экспериментирование и непосредственное обучение специалистов. Последнее является наиболее важной характеристикой системы, так как она делает широко доступными опыт и знания ведущих специалистов, благодаря имитации на машине экспертного мышления. Кроме того, ЭС сама должна обладать способностью к самообучению и накоплению новой, полезной в дальнейшем информации.

На начальном этапе создания ЭС нами накапливается банк данных на основе систематизации фактов, общедоступных и эвристических правил, которыми оперирует эксперт при диагностике опытно-фильтрационных опробований; составляется перечень необходимой входной и выходной информации; разрабатываются принципиальные схемы обработки информации. Итоговым результатом должна быть база знаний (представленная на машинном языке), на основе которой осуществляется диагностика результатов и выдаются наиболее вероятные свойства опробуемой толщи.

Создаваемая ЭС построена на сравнении результатов по разным индикаторным кривым и разным способам обработки, на тенденциях их изменения в пространстве и времени, а также на их физическом соответствии природным условиям (идет постоянное сравнение с параметрами, заложенными в банк данных ЭС). Последнее является особенно важным для одиночных откачек, где можно получить не контролируемые по другим точкам наблюдений, физически нереальные параметры при вполне подходящих значениях математического решения.

По мере накопления количественной информации об опытном опробовании, ЭС проводит диагностику полученных результатов с выдачей рекомендуемой расчетной схемы и повторением всей обработки. Для каждого способа обработки существует набор правил, которые позволяют проверить достоверность определения по ним искомых параметров. Но ЭС не должна ориентироваться только на количественные результаты. Поэтому в дальнейшем предполагается заложить в банк данных сведения,

позволяющие ЭС выбирать расчетную схему на основе тщательного геолопгческого анализа. В этом случае необходимо будет продумать возможность чтения экспертной системой не только фактических данных по понижению (восстановлению) уровня и геометрических характеристик опытного куста, но и геологических колонок опробуемого участка со всей необходимой и прилагающейся к ним информацией.

В работе (пока применительно к базовой расчетной схеме) рассматриваются принципы работы ЭС для двух вариантов проведения опытного опробования - одиночная откачка и кустовая откачка. Если первый вариант сложен для ЭС (так как невозможно осуществить контроль качества замеров и определить соответствие выбранной расчетной схеме по одной точке наблюдения), то второй - для программиста этой системы. Многообразие доступных способов обработки, взаимосвязь между параметрами, определенными по каждому из них, расположение лучей наблюдательных скважин, количество скзажин - все это требует создания огромного банка данных, на основе которого будет создаваться постоянно изменяющаяся и самосовершенствующаяся база знающ.

Для расширения возможностей ЭС нами предполагается использовать эффективную, достаточно универсальную и быстродействующую численную программу для решения прямых задач ОФО в условиях двумерной профильно-радиальной фильтрации. Это позволит существенно расширить возможности ЭС на те опытные опробования, которые проводились для условий, не описываемых аналитическими решениями. Наиболее же важно, конечно, включить в эту работу высококвалифицированных экспертов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные выводы, полученные в результате проведенных исследований.

• Моделирование фильтрационных и миграционных процессов, позволяя оперировать большим объемом гидрогеологической информации, в принципе обеспечивает наиболее адекватное отражение изучаемого объекта. Однако получение такой информации часто осложнено по техническим, экономическим или экологическим причинам. Поэтому часто, особенно на старых загрязненных территориях, возникает необходимость в повторной интерпретации опытных опробований, проведенных на изучаемом участке ранее, - с учетом последних достижений в этой области. В этих целях наиболее эффективен комплекс компьютерных программ, гибко сочетающих аналитические решения и численные методы. При этом последние используются и для исследования прямых задач с тем, чтобы обеспечить наиболее полный анализ основных - для данного объекта - влияющих факторов, подлежащих оценке при планировании и интерпретации ОФО на базе как аналитических, так и численных методов.

» Преимущества аналитических решений определяются их следующими возможностями: 1) быстрое и достоверное - в рамках имеющейся информации - определите искомых фильтрационных параметров для опытов, проведенных в условиях типовых расчетных схем, и получение ориентировочных коэффициентов для схем, не имеющих приемлемых аналитических решений (например, для использования их в последующих численных экспериментах); 2) оценка чувствительности выбранной схемы к тем или иным фильтрационным параметрам; 3) оценка правильности выбранной схемы (в случае неправильного выбора интерпретация результатов полевого эксперимента может привести исследователя к наиболее вероятной типовой схеме, в которой проводилось опробование); 4) учет влияния плановых границ пласта; 5) возможность обработки данных групповых откачек (на численных осесимметричных моделях возможно задание только одной центральной скважины).

• Использование компьютерного моделирования как расчетного инструмента создает качественно новые условия проведения научных исследований, которые, в первую очередь, выражаются в эффективном анализе сложных гидрогеологических процессов, включая их диагностик.

«■ Проведенные исследования позволили разработать универсальный программный комплекс, дающий возможность быстро и эффективно проводить интерпретацию опытно-фильтрационных опробований и, в то же время, создающий исходную базу для соответствующей экспертной системы.

• Возможность осуществления диагностики и количественной интерпретации опытных данных, оценки чувствительности расчетных схем к изучаемым параметрам, планирования полевых экспериментов и прогнозирования их результатов, а также решение множества других прикладных задач позволяет использовать программный комплекс не только в практических целях (для обработки реальных опробований), но и в научно-исследовательских и в учебных целях.

• Использование экспресс-опробований становится практически неизбежным, особенно в новой экономический ситуации, для приближенной и сравнительной оценки проводимости изучаемых водоносных комплексов, а также при опробовании слабопроницаемых отложений и определении локальных свойств пласта в прискважинных зонах. В работе предложен комплекс программных средств для планировния и интерпретации этого - сейчас наиболее массового - вида опробований.

• Для правильной интерпретации результатов опытных полевых работ требуется разработка экспертной системы, которая сделает широко доступными опыт и знания ведущих специалистов - благодаря имитации экспертного мышления средствами вычислительной техники с соответствующим самообучением программного комплекеса. Разработанный програмный комплекс позволил предложить исходную

рабочую версшо экспертной системы "Опытно-фильтрационные опробования водоносных пластов".

Работа выявила основные направления дальнейших исследований и

практических разработок:

• расширение программного комплекса доя более сложных гидрогеологических схем, не имеющих аналитических решений. - путем применения зависимостей, полученных на основе преобразования Лапласа и метода интегрального баланса;

« отработка методики проведения и последующей интерпретации экспресс-опробований применительно к схемам, ргализовашшм в настоящей работе в виде программного блока;

• создание взаимосвязи между программным комплексом по обработке опробований аналитическими методами, программами численного моделирования и базой данных экспертной системы, а также подключение в такую систему реальных опробований, проинтерпретированных ранее специалистами высокого класса и способных служить эталоном для анализа и самообучения.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Разработка программ для обработки групповых откачек с переменным дебитом. - В книге: Тезисы докладов II научно-практического семинара: Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений, Ялта, 1993. С.-Петербург, 1993. Соавторы: Петрова И.Б., Русанов И.В.

2. Исследование задач опытно-фильтрационного опробования водоносных пластов на численных моделях. - В книге: Доклады международного рабочего семинара по гидрогеологическому моделированию и экологической геологии, 21-27 августа 1994 года, Ждарские Врхи (Чешская Республика); Геософт-Истлшлс, Москва, 1994. Соавторы: Мироненко В.А., Петрова И.Б.

3. Программы для обработки результатов опытных откачек с переменным дебитом на персональных компьютерах. - В книге: Тезисы докладов III научно-практического семинара: Гидрогеологические и инженерно-геологические проблемы при разработке угольных месторождений, Ялта, 1994. С.-Петербург, 1994. Соавторы: Петрова И.Б., Русанов И.В.

4. Гидрогеотермические методы изучения фильтрации и миграции промстоков на горных предприятиях. - В книге: Гидрогеология, инженерная геология и геоэкология месторождений полезных ископаемых. Информационные материалы. Екатеринбург, 1994. Соавтор: Учаев В.К.

5. Возможности гидрогеотермических методов при изучении водоносных горизонтов. - В книге: Теория и методика полевых гидрогеологических исследований. Четвертые Толстихинские чтения (13-14 ноября 1995 г.), С.-Петербург, 1995. Соавтор: Учаев В.К.

6. Оценка водопроводимости пласта по данным экспресс-опробования. - В книге: Современные проблемы гидрогеолопш. Пятые Толстихинские чтения (11-13 ноября 1996 г.), С.-Петербург, 1996. Соавторы: Учаев В.К., Абдулов А.Х.

7. О модельных подходах к оценке миграции тяжелых радиоактивных растворов из техногенного бассейна. - В книге: Проблемы изучения химического состава подземных вод. Шестые Толстихинские чтения (1112 ноября 1997 г.), С.-Петербург, 1997. Соавторы: Румынии В.Г., Воронина А.В.

8. Modelling analysis and assessment of groundwater remediation at radioactively contaminated site "Lake Karachay". In: Production, Economy and the Environment theories and applications: International Workshop. Vilnus, 1997 г. Соавторы: МироненкоВ.А., Румынии В.Г.