Совершенствование методики мониторинга месторождений лечебных грязей

Рощина, Татьяна Константиновна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Совершенствование методики мониторинга месторождений лечебных грязей
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методики мониторинга месторождений лечебных грязей"

На правах рукописи

РОЩИНА Татьяна Константиновна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЛЕЧЕБНЫХ ГРЯЗЕЙ

Специальность : 25.00.36 - « Геоэкология »

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2003

Работа выполнена на кафедре "Теоретические основы теплотехники" Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор, [Ушаков BJ] ;

кандидат технических наук, доцент, Луконин В.А.

Официальные оппоненты - док гор технических наук, профессор,

Косолапое А.Е.

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Мохов A.B.

Ведущая организация - Гидрохимический институт Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды

Защита диссертации г. в ХЗчасов на заседании

диссертационного совета Д 220.049.02 в Новочеркасской государственной мелиоративной академии по адресу: 346428, г.Новочеркасск, Ростовской области, ул. Пушкинская, 111 НГМА, (ауд. 236)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГМА.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан НкШ^Я- 2003

г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Бондаренко В.Л.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В зоне Кавказских Минеральных вод одним из важных компонентов природных экосистем являются месторождения лечебных грязей, размещаемые в соленых озерах небольших размеров. Помимо самостоятельной ценности в качестве уникального природного объекта, такие экосистемы очень часто служат еще одной цели - они являются источниками лечебных грязей (пелоидов), которые давно и с большой эффективностью применяются санаторно-курортными учреждениями и пользуются большой популярностью среди населения. Важной составляющей грязевых месторождений, кроме лечебной грязи, является рапа. Изучение динамики минерализации системы "рапа-лечебная грязь" было и остается одним из важнейших элементов мониторинга состояния грязевого месторождения, так как именно от значения этого показателя во многом зависят не только лечебные свойства добываемого пелоида, но и условия его новообразования.

Основу такого мониторинга, в настоящее время, составляют анализы проб рапы и лечебной грязи. Являясь ценными с точки зрения описания предшествующей эволюции грязевого месторождения, эти данные не позволяют, во-первых, оценить влияние на величину минерализации рапы и пелоида таких факторов, как турбулентное движение рапы, условия на границах системы "рапа-лечебная грязь", уменьшение/увеличение уровня рапы; во-вторых, получить обоснованный прогноз минерализации для будущий периодов; в-третьих, предложить более экономичные и дающие более достоверные результаты способы отбора проб рапы/пелоида. Ввиду невозможности проведения натурных экспериментов и физического моделирования грязевого месторождения наиболее приемлемым способом решения перечисленных выше вопросов является математическое моделирование.

Актуальность темы исследования подтверждена решением Пленума Ученого совета ГосНИИ курортологии (г. Пятигорск) от 13 июля 1999 г, а также федеральной целевой программой "Юг России", региональной программой "Развитие Северо-Кавказского региона до 2005-го года". Более того, в Федеральном законе "Об охране окружающей среды" лечебно-оздоровительные местности и курорты отнесены к особо охраняемым природным объектам, и закреплены такие принципы, как презумпция экологической опасности планируемой деятельности, приоритет сохранения естественных экологических систем, сохранение биологического разнообразия.

Цель работы заключается в совершенствовании методики мониторинга месторождений лечебных грязей в зоне Кавказских Минеральных вод путем математического моделирования процессов изменения их минерализации. Для этого необходимо:

- разработать нестационарные математические модели, описывающие данный процесс;

- создать комплекс программных средств, который позволит провести исследование полученных моделей на предмет определения основных количественных и качественных характеристик массообмена в природном объекте - грязевом месторождении, выявить наиболее существенные факторы, влияющие на массообмен;

- разработать рекомендации по практическому мониторингу грязевого месторождения;

- разработать прибор для отбора проб рапы, которые используются для получения экспериментальных данных по минерализации рапы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан метод оценки минерализации рапы и лечебной грязи; исследованы различные пространственно-временные области концентрационного поля грязевого месторождения; исследовано влияние на минерализацию грязевого месторождения таких факторов, как ветровое движение рапы, изменения уровня рапы, условий на поверхности водоема и на нижней границе месторождения;

- установлено существование в грязевом месторождении нескольких различных по характеру переноса вещества зон массообмена; доказана возможность применения математической модели, основанной на уравнениях диффузии, для описания динамики минерализации грязевого месторождения; доказано влияние толщины слоя раны и ее возможного турбулентного движения на интенсивность явлений массообмена, происходящих в грязевом месторождении;

- предложен научно-обоснованный способ отбора проб рапы, позволяющий получать объективные данные об ее минерализации.

Практическое значение работы. Разработанная методика расчета нестационарных концентрационных полей химических компонентов, содержащихся в рапе и в лечебной грязи, и их реализация в виде единого программного комплекса позволяет:

- найти концентрацию ионов солей, входящих в состав рапы и лечебной грязи в любой момент времени в любой точке по глубине водоема и толщине пласта лечебной грязи;

- прогнозировать динамику состава, а значит и качества лечебной грязи;

- определить горизонт, на котором добываемая лечебная грязь имеет в данный момент времени оптимальный химический состав;

- организовать мониторинг состояния лечебной грязи на месторождении.

Предложены варианты проведения экспериментов на грязевом месторождении, позволяющие при минимальном объеме опытов проводить не только

мониторинг текущего состояния лечебной грязи, но и прогнозировать динамику его изменения на предстоящий период.

Разработан прибор для отбора проб рапы на грязевом месторождении. Достоверность и обоснованность результатов. При составлении математических моделей использовались фундаментальные законы переноса массы с учетом физических особенностей исследуемых процессов. Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием экспериментальных и расчетных результатов в широком диапазоне изменения характерных параметров. Достоверность научных положений обеспечивается использованием- классических численных методов решения задач массообмена, совпадением результатов расчетов диссертанта и экспериментов других авторов. Реализация результатов исследований. Комплекс программных средств для расчета концентрационных полей химических компонентов в рапе и в лечебной грязи принят к использованию в ОАО "Кавминкурортресурсы" (г. Ессентуки). Прибор для отбора проб рапы на грязевом месторождении принят к использованию в отделе "Изучение курортных ресурсов" ГосНИИ курортологии (г. Пятигорск).

Апробация результатов работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались на международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях" (г. Новгород, 1999 г.; г. Санкт-Пе1ербург, 2000 г.; г. Тамбов, 2002 г.); на научно-практической конференции, посвященной 80-летию ГНИИК (г. Пятигорск, 1999 г.); на IV объединенной научной сессии, посвященной 30-летию Северо-Кавказского научного центра высшей школы (г. Ростов-на-Дону, 1999 г.); на юбилейной научно-практической конференции "Актуальные вопросы курортной науки в России" (г. Пятигорск, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства контроля и диагностики" (г. Новочеркасск, 2000 г.); на У1-ой Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения в начале XXI века" (г. Тамбов, 2001 г.), на межрегиональной научно-практической конференции "Устойчивая безопасная энергетика — основа эффективного социально-экономического развития региона" (г. Ростов-на-Дону, 2002 г.), на Н-й Региональной научно-технической конфереции «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах» (г. Новочеркасск, 2002 г.), а также на научных семинарах кафедр "Теоретические основы теплотехники" и "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами" Южно-Российского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.

На защиту выносятся:

— математическая модель нестационарного массообмена между рапой и лечебной грязью на грязевом месторождении.

— результаты исследования структуры концентрационных полей рапы и лечебной грязи на месторождении, имеющем несколько различных по характеру переноса вещества зон массообмена;

— метод расчета зон массообмена на месторождении лечебной грязи;

— методика контроля и прогнозирования величины минерализации различных компонентов грязевого месторождения;

— метод отбора проб рапы на месторождении лечебной грязи Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 161 страница основного текста, список литературы из 103 наименований, приложения на 33 страницах. '

Содержание работы

Первая глава носит обзорный характер. В ней дается общая характеристика грязевых месторождений как источников уникального лечебного средства - лечебных грязей (пелоидов). При этом особо выделяются месторождения, связанные с солеными озерами, которые наиболее часто используются в подобных целях. Именно грязи таких месторождений и являются объектом исследования в диссертации. Пелоиды, добываемые в соленых озерах, представляют собой донные отложения, получающие необходимые лечебные качества под воздействием различных геолого-гидрологических, климатических, физико-химических и биологических факторов. Из-за непостоянства этих факторов лечебные грязи можно отнести к условно возобновляемым природным ресурсам, новообразование которых зависит как от состояния самого месторождения, так и от воздействий на него окружающей среды. Более того, эти же процессы способны изменять качество и уже накопленных к настоящему времени запасов лечебных грязей.

Одним из важнейших показателей, по которому оценивают и пелоид и рапу соленого озера (грязевого месторождения), является минерализация. В пе-лоиде этот параметр относится к его жидкой фазе — грязевому раствору. Хотя минерализация представляет собой обобщенную характеристику солености водоема, в которой не учитывается концентрация отдельных минеральных солей (ионов), ее давно и успешно применяют для описания качества грязевого месторождения. Такой подход правомерен хотя бы потому, что при наблюдаемом изменении солености рапы процентный состав растворенных в ней солей остается постоянным.

Если рассматривать рапу и лечебную грязь как единую систему, то ее концентрационное поле на своих границах контактирует с окружающей средой:

сверху - с воздухом, а снизу - с подстилающими горными породами. В этой системе могут действовать два принципиально разных механизма изменения концентрации вещества. Первый обусловлен молекулярной диффузией, когда массопроводная среда остается неподвижной, а поток вещества порождается разностью концентрации в различных частях системы. Второй связан с движением самой среды. Причины такого движения могут быть самыми разными -естественное тепловое или концентрационное конвективное движение рапы, капиллярный и осмотический перенос грязевого раствора в грязи, ветровое или факельное течения рапы. Ветровое течение совместно с волнами на поверхности озера порождают турбулентный перенос или турбулентную диффузию.

Математические модели для большинства из перечисленных выше способов переноса вещества формулируются в виде соотношения между потоком переносимого вещества и градиентом его концентрации и отличаются друг от друга лишь коэффициентом пропорциональности, называемым коэффициентом диффузии (с добавлением квалифицирующего прилагательного). Более того, если Б коэффициент молекулярной диффузии, а В^дп, Роем. ОТРБ - соответственно коэффициенты капиллярной, осмотической, турбулентной диффузии, то общее итоговое уравнение потока представляется в виде

где ц - поток вещества, с - его концентрация, - аддитивный коэффициент диффузии, учитывающий различные виды массопереноса.

Так как концентрация вещества в грязевом месторождении с течением времени изменяется, а сама система "рапа-лечебная грязь" состоит, как минимум, из двух слоев с разными физико-химическими свойствами, то на основании (1) для определения значения концентрации вещества в любой точке месторождения в любой момент времени необходимо решить систему дифференциальных уравнений:

где индекс "р" означает, что параметры и переменные относятся к слою рапы, а индекс "г" — к слою лечебной грязи; г- время; А - оператор Лапласа.

Отмечено, что, несмотря на многообразие исследований, проводимых в ГосНИИ курортологии (г. Пятигорск), Объединении "Кавказские минеральные курортные ресурсы" (г. Ессентуки), Центральном НИИ курортологии (г. Москва), в Ростовском государственном университете, в Новочеркасской государственной мелиоративной академии, нашедших отражение в работах О.Ю. Волковой, Д.Н. Вайсфельда, В.Б. Адилова, В.Т. Олиференко, Ф.М. Эф-

q = — Dr grade,

(1)

дт

(2)

(3)

фендиевой, В.Г. Ушакова, Е.Г. Потапова, С.Р. Данилова, Ю.А. Федорова, П.А. Кашинского, В.Т. Каплина, Т.А. Кондюриной, Ю.П. Полякова и др., описанный выше подход к анализу изменения минерализации нигде не применялся, а основное внимание уделялось химическим реакциям между отдельными компонентами рапы.

В конце главы сформулированы задачи исследований. Вторая глава посвящена построению математической модели процесса массопереноса в грязевом месторождении. Для этого выбрана система координат, начало которой находится на поверхности водоема, ось Ох направлена вертикально вниз (рис. 1), ось 0>> - параллельна линии, называемой длиной водоема.

0 с *?н2 с, г/м3

'м Ьр начальная ктцентраци , Рапа

Лечебная грязь . ' ' г'. .

х,ы '

Рис 1 Схематическое и:юбражение 1рязе»ого месторождения в выбранной системе коорлинат -глубина (толщина) рапы, Нг

-толщина слоя лечебной грязи, Ьы - общая глубина месторождениями- Ьр+ Ьг.

Диффузией, если не оговорено особо, будем считать процесс самопроизвольного распространения вещества в направлении убывания его концентрации, обусловленный тепловым движением молекул. Иногда этот процесс называют массопереносом. О наличии диффузии в грязевом месторождении свидетельствует тот реально наблюдаемый факт, что минерализация лечебной грязи больше минерализации рапы, а минерализация на поверхности водоема меньше, чем в его нижних слоях. Символы л:, у, г обозначают пространственные переменные (м), г — время (с), О - коэффициент диффузии (м2/с), с - значение концентрации исследуемого вещества (г/м3).

Исходная модель массопереноса использует следующие допущения: отсутствие движение жидкой фазы грязи (грязевого раствора), конвективного движения в репе, электрического градиента, влияющего на подвижность отдельных ионов; многокомпонентная рапа заменяется бинарным раствором соли, имеющей наименьший (в сравнении с другими солями рапы) коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии соли в лечебной грязи пропорционален плотности грязи и определяется из выражения Бг = ф(р)-0Р, где р — плотность грязи. В работе использовано значение ф(р) = 0,521, соответствующее Тамбу-канской лечебной грязи с плотностью р= 1,4 г/см3.

Тогда уравнение диффузии исследуемого вещества в грязевом месторождении выглядит следующим образом дс_д_ дт дх

где коэффициент диффузии есть функция 0<х<ЬР;

Г \ 12

ОД^

дх

ду2 дх2 , (4)

(рг, ЬР <х<Ьм . (5)

Начальное условие для (4) задается одномерной (что тоже относится к используемым допущениям) функцией

( п\ г \ 1Сн1>

[сН2, ЬР<х<Ьм.) (6)

значения которой могут быть получены прямым экспериментом.

Все использованные для (4) граничные условия относятся к условиям первого или второго рода. На поверхности водоема в качестве постоянно действующего условия принято

с(0,у,г, т) = у(г) = с0, (7)

называемое "условием опреснения", т.к. значение Со в любой момент времени меньше концентрации вещества на любой другой глубине.

Ввиду того, что на нижней границе грязевого месторождения точно установить вид граничных условий невозможно, были исследованы два варианта - условие первого рода (8), построенное из условия сопряжения с начальным условием, что, в свою очередь, налагает ограничения на выбор величины Ьм; и однородное граничное условие второго рода (9) - "условие непроницаемости" нижней границы:

с(Ьм, у, г, т) = ц( Ьм); (8)

дс

дп

• (9)

Кроме того, из условия непрерывности самой концентрации и потока вещества при х = ЬР следует, что

с(ИР + 0, у, т) - с(ЬР - 0, у, г, т) = 0, (10)

Гвд^) =0

V дпЛ.ьг+о V дпУх-Ьр-о

Особое место в построении модели играет процедура приведения ее к безразмерному виду — нормализация. В результате процедуры нормализации вместо уравнения (4) получено уравнение

55 ЭГБ(ЗС)Э5

3Fo Sc v SeJ, (11)

где с = (с — Cmin) / (смах - Cmin) - относительная концентрация; х = х/Ьм", Fo = т-Dp/ Ьм2 - число Фурье; D = D / DP - безразмерный коэффициент диффузии; Cmin = min v(r); сМдх = шах ц(х). Переход к безразмерным переменным существенно расширяет область применимости полученных решений. Аналогичным преобразованиям были подвергнуты и краевые условия (6) - (10). При принятых допущениях "условие опреснения" поверхности водоема (7) преобразуется к однородному граничному условию первого рода. В дальнейшем, для упрощения обозначений, символы " ~ " над безразмерными переменными опускаем.

Для решения полученного линейного однородного параболического уравнения (11) был выбран численный метод, основанный на приведении исходной краевой задачи к системе линейных алгебраических уравнений, которые получаются при аппроксимации операторов дифференцирования их разностными аналогами. Для этого:

- определяется общее время наблюдения Fomax;

- отрезок [0; 1] оси Ох делится на N равных частей с шагом Ах. Полученные при этом точки образуют сетку со*. Аналогично строится сетка cof0 _ делением отрезка [0; Fomax] оси OFo на М равных частей с шагом AFo;

- сетки со* и С£>ко объединяются в двумерную сетку юехшр0, на которой с использованием интегроинтерполяционного метода строится однородная консервативная разностная схема вида

— er--+ (сг - 1) •

ЛРо Ах Ах ) (12)

/= 1...(>Ы),у= 1... М, 0 £ст < 1. Здесь с/= с(х„ Го,); Б, = 0,5-(Е>(х_,) + Б(х,) ); с]х, =(с/+1-с/)/Аг;

Ц. = (с/-с/1|)/Дх. Неизвестными являются с/^1, с/41, с/^1. Весовой коэффициент а определяет способ получения неизвестных. Он же использовался для

управления такими свойствами получаемого решения, как устойчивость, сходимость, точность. Для практических расчетов применялись схемы, обладающие безусловной устойчивостью: чисто неявная схема (о = 1) и симметричная (о = 0,5). Погрешность аппроксимации уравнения (11) схемой (12) есть 0(АРога + Ах2), где ш = 1, если ст * 0,5, и ш = 2, если ст = 0,5. После присоединения к системе (12) аналогичным образом преобразованных граничных условий, была получена система линейных уравнений, которая решалась методом прогонки.

Анализ решения показал, прежде всего, безразличие системы к виду граничных условий на нижней границе месторождения (х = Ьм) - относительная разность между двумя видами результата не превышает 0,1%. Поэтому в дальнейшем при х = Ьм применялось условие (8). Тогда для решаемого уравнения (в любом его виде) справедливо свойство, называемое "принципом максимума", что сразу дает первый результат - минерализация рапы и лечебной грязи в грязевом месторождении не может возрастать.

Исследовано решение, получаемое при помощи (12), для различных временных интервалов. Особенность краевых условий, выраженная в равномерном распределении вещества по слоям рапы и лечебной грязи в начальный момент времени при общем градиенте концентрации, направленном вертикально вниз, приводит к тому, что в течение некоторого времени после начала процесса диффузии в рапе существует область, в которой концентрация вещества остается постоянной. Далее такая область будет называться "безградиентной зоной" - БГ зоной. Динамика БГ зоны показана на рис. 2. Кроме сохранения постоянной концентрации в БГ зоне, ее наличие характеризуется повышением концентрации вещества в области, лежащей ниже нижней границы БГ зоны.

Информация о наличии БГ зоны в рапе особенно важна при планировании экспериментов, связанных с отбором проб. Поэтому были разработаны алгоритмы для определения ее верхней и нижней границ по результатам решения системы

(12), произведена аппроксимация этих границ прямыми линиями и получены формулы для определения момента времени и глубины, на которой исчезнет БГ зона.

*бг (hP, Chi) = (-0,0095+ 0,004- сН1) + (13)

+ (0,5+ 0,093- сН!) • hP + (-0,029+ 0,022- сш) • hP2, FoBr (hP, Chi) = (-0,000202+ 0,000611- cm- 0,000349- cHi2) + (14)

+ (-0,002 - 0,00137- c„,+ 0,000509- cHi2) ■ hP + + (0,0146- 0,00548- Chi + 0,00631- сш 2) ■ hP2.

Выражение (13) есть зависимость глубины исчезновения БГ зоны от толщины слоя рапы (hp) и начальной относительной концентрации вещества в нем (cHi). Выражение (14) определяет аналогичную зависимость для времени. Фигурирующие в формулах переменные и сами функции - безразмерны. Исследования показали, что все остальные параметры модели не оказывают сколь-нибудь заметного влияния на д:бг и foßr-

Еще одно исследование поведения модели касалось вида решения при бесконечном увеличении времени - наличие так называемого "регулярного режима", существование которого следует из обобщенной теоремы Кондратьева для составных систем и общей теории параболических уравнений. Так как не существует аналитических методов для определения параметров регулярного режима в задачах вида (4) - (10), был разработан алгоритм их получения по результатам решения системы (12) при весовом коэффициенте ст = 0,5 — именно в этом случае применяемая аппроксимация обладает условной асимптотической устойчивостью. Для каждого слоя - рапы и лечебной грязи - получены параметры выражения

с(х, Fo) = сПР + А(х)-е Fo, (15)

где Спр - предельное значение относительной концентрации вещества, m > 0 -темп уменьшения концентрации. Так как система состоит из двух слоев, то спр и m представляются в виде функций от х, причем m остается постоянным в пределах одного слоя с относительной погрешностью, не превышающей 7,5 %. Хотя время начала регулярного режима очень велико (Fo = 0,05 — это больше 50 лет), полученные зависимости хорошо согласуются теоретическими выкладками, приведенными в литературе, чю доказывает правильность примененных методов.

Дальнейшее развитие модели (4) - (10) состояло в изменении коэффициента диффузии таким образом, чтобы учесть влияние таких факторов, как турбулентный перенос рапы в вертикальном направлении, кратковременное уплотнение лечебной грязи при загрузке ее в хранилище, реальная многослойная структура донных отложений, образующих лечебную грязь. Одним из допущений, использованных здесь, было заключение о том, что единственным видом

движения, переносящим рапу в вертикальном направлении, является ее турбулентное движение, образуемое как сумма горизонтального ветрового течения и волн на поверхности озера. В этом случае в рапе необходимо учитывать турбулентную диффузию с коэффициентом От. Считая, что турбулентный перенос охватывает всю область рапы и 1>г= Ю~3 м2/с, получены результаты для различных видов граничных условий на поверхности рапы: при условии опреснения и условии непроницаемости. Любое из этих условий приводит к тому, что за сравнительно небольшой промежуток времени (от одного года до двух) система переходит в стационарное состояние, характеризующееся равномерным распределением вещества в слое рапы. При этом концентрация вещества в рапе либо равна концентрации на ее поверхности, либо примерно на 3% больше своего начального значения. Ранее выявленная пространственно-временная область рапы, названная БГ зоной, все равно сохраняется, что приводит к кратковременному повышению концентрации вещества в рапе ниже нижней границы БГ зоны. Для практических исследований, период которых не превышает трех лет, можно считать, что концентрация вещества в лечебной грязи не зависит ни от наличия турбулентной диффузии в рапе, ни от вида граничных условий при д: = 0. Проведено исследование построенной модели при периодически действующей турбулентной диффузии - через 1-3 месяца в течение 3-7 дней. Главная особенность полученного результата - постоянно наличие в рапе области, аналогичной БГ зоне. Вещество в этой зоне распределено равномерно, но его концентрация подвержена колебаниям, происходящим во время действия турбулентной диффузии.

Дальнейшее усложнение модели массопереноса связано с более подробным изучением коэффициента диффузии вещества в лечебной грязи. Например, при загрузке лечебной грязи в хранилище наблюдается временное ее уплотнение, что нашло отражение в замене постоянного Бг функцией Ог(т). Расчеты показали, что этот процесс не оказывает заметного влияния на распределение вещества в лечебной грязи. Так как реальная залежь лечебной грязи образуется несколькими слоями донных отложений с различными физико-химическими характеристиками, то постоянный коэффициент диффузии Ц- заменялся ступенчатой функцией Ог(х), а на границах слоев, взятых в количестве четырех штук, действует условие, аналогичное (10). Оказалось, что само по себе такое уточнение Ог дает результат, отличающийся от "однослойной" модели грязи не более чем на 0,8%. Более важным оказывается начальное распределение вещества в грязи, которое может изменяться от слоя к слою.

В третьей главе рассмотрена модель массопереноса в грязевом месторождении при изменяющемся во времени уровне рапы. Для удобства представления ось Ох развернута вертикально вверх, а ее начало лежит на нижней границе месторождения. Вводится новая произвольная функция %(г), описывающая за-

кон изменения уровня рапы (или общей глубины месторождения, если х(т) положить равным %(т) + Ьг). С учетом замены направления Ох уравнение (4), коэффициент диффузии (5), граничное условие при х = 0 (8-9) (теперь это нижняя граница месторождения), условие сопряжения слоев (10) рапы и лечебной грязи, остаются теми же самыми. Граничное условие на поверхности водоема задается концентрацией вещества в точке (х(т), т) и может быть либо условием непроницаемости, либо условием опреснения. Исходное уравнение (4) сначала приводится к уравнению с постоянным коэффициентом диффузии, для чего применяется дифференциальное подобие, деформирующие слой лечебной грязи таким образом, чтобы 1>г = Е)р. Затем, применив подстановку х = х/у_{т) и вводя относительную концентрацию с = (с - см1м) / (смах - смш), получено уравнение

9с .д2с . .дс

— = Б(г) —- + у(Х, г) —

д г дх2 дхг (16)

в котором символы " ~ " над переменными для удобства опущены; В(т) = ВР/ %(т); \(х, т) = х- %'^т) / %(т). Область определения переменной х в уравнении (16) принадлежит отрезку [0; 1]. Для решения этого уравнения была построена безусловно устойчивая разностная схема, обеспечивающая погрешность аппроксимации 0(Лг2 + А г). Так как (16) не является полностью безразмерным уравнением, в качестве БР использовался коэффициент диффузии М§Б04 в бинарном водном растворе. Для сравнения результатов, полученных при различных модификациях модели, использовалась средняя концентрация вещества в момент времени х,, рассчитанная по формуле хь

|с(х,ту-)<1х

.М-*"-;

Сср\,.

хь~ха (17)

отдельно для слоя рапы и слоя грязи.

Главный вывод - рассчитанное по формуле (17) среднее значение концентрации одного вещества в рапе при условии опреснения поверхности водоема с точностью до постоянного множителя достаточно хорошо совпадает с имеющимися результатами наблюдений за минерализацией рапы. Если такой множитель равен 0,01 л/г, начальная безразмерная концентрация вещества в рапе 0,62, то в 64% случаев относительное отклонение расчетных и фактических данных не превышает 6%, а для 83% случаев это отклонение не превышает 12% (рис. 3). Адекватность предложенной модели подтверждается и согласованием расчетных данных с результатами экспериментальных исследований, выполненных на Тамбуканском месторождении Ростовским государственным университетом (г. Ростов-на-Дону), ГосНИИ курортологии (г. Пятигорск), ОАО

"Кавминкурортресурсы" (г. Ессентуки), Комитетом природных ресурсов Ставропольского края (г. Ставрополь).1

При модификации граничного условия первого рода на поверхности рапы (если сделать его непостоянным) совпадение расчетных и фактических будет еще больше - 83% и 96% соответственно. К сожалению, в настоящее время наблюдений минерализации на поверхности водоема не проводится, поэтому результат имеет теоретический характер. Тем не менее, при наличии таких данных, становится реальной возможность прогнозирования минерализации на сколь угодно длительный период - для этого необходим некоторый

Время (ме с)

Рис 3 Сравнение расчетной относительной концентрации (линия 2) и фактической безразмерной минерализации (линия 1)

начальный набор экспериментальных значений, по которым будет настроена модель - выбрана начальная концентрация сНь а затем, используя предполагаемые значения глубины рапы и концентрации вещества на ее поверхности, получаются прогнозируемые значения минерализации. Вышеприведенный результат также служит доказательством правомочности сделанных ранее допущений: игнорирование горизонтального движения рапы, зависимости коэффициента диффузии вещества от температуры, замена реальной многокомпонентной рапы бинарным раствором одной соли, т.е. если эти факторы и влияют на массоперенос, то вносимый ими вклад лежит за пределами точности используемых приборов и методов наблюдений.

Существенным является также вывод о том, что на поверхности рапы постоянно действует граничное условие первого рода. Это возможно в том слу-

1 Федоров Ю.А., Потапов Е.Г., Данилов С.Р., Салов Г.В. "Особенности динамики гидрологических параметров, гидрохимических, биогеохимических показателей и компонентов рапы и сульфидной грязи оз.Болыпой Тамбукан. Известия ВУЗ, Северо-Кавказский регион, Естественные науки, "Юбилейный выпуск", 2002.-С-72-76.

чае, если уровень озера лежит выше границы озерной котловины, и существует постоянное питание поверхностными водами с пониженной минерализацией.

Сопоставление анализов проб рапы с результатами моделирования показывает, что чем меньше период наблюдения, тем выше достоверность получаемых данных. При этом предложено за максимально допустимый принять период в 1 месяц.

В отношении турбулентной диффузии, или ветрового перемешивания рапы, можно сказать, что существующая оценка ее влияния на концентрационное поле сильно преувеличена. Результаты моделирования показывают: этот вид движения не может существовать во всей толще рапы и, следовательно, не может приводить к уничтожению концентрационной стратификации в рапе.

Построенная модель применялась и для исследования динамики минерализации рапы в зависимости от направления изменения ее уровня. Очевидно, что подъем уровня рапы в озере сопровождается уменьшением минерализации, а снижение уровня — повышением минерализации. Однако при граничном условии первого рода на поверхности водоема такой рост минерализации имеет ограничения. Установлено, что, начиная с некоторого момента времени, происходит одновременное уменьшение и глубины и минерализации. Причем это не зависит о г начальной глубины рапы, а только от начальной минерализации и конечной глубины - минерализация и глубина начинают изменяться в одном направлении тем раньше, чем больше начальная минерализация и чем меньше конечная глубина. В программной реализация модели использовался специальный алгоритм для выявления такого момента времени и было установлено, что это событие наступает не ранее, чем через 4 года, считая от того момента времени, когда началось понижение уровня рапы.

Что касается БГ зоны, то она существует и в этой модели, но ее математическое описание существенно сложнее. Поэтому для определения границ БГ зоны предлагается использовать ранее разработанные алгоритмы.

В заключение отметим, что минерализация лечебной грязи убывает безотносительно того, как колеблется уровень рапы. И если за пять лет эта убыль незначительна (примерно 1% от начального значения), то для более продолжительных периодов, используемых при оценке общих запасов пелоидов, этот фактор следует принимать во внимание.

В четвертой главе описаны процедуры отбора проб рапы, полученные на основе результатов главы 2 и учитывающие цель эксперимента. Так, при изучении стратификации рапы необходимы предварительные расчеты, выявляющие БГ зону. Использованные в (12) разностные аппроксимации операторов дифференцирования дают возможность сделать заключение о направлении изменения минерализации, или оценить реальный коэффициент диффузии исследуемого

вещества в лечебной грязи, и даже сделать простейший прогноз значения концентрации вещества в одной точке.

Описан оригинальный программный комплекс, предназначенный для практических расчетов концентрационных полей в грязевом месторождении при различных видах граничных условий. Комплекс реализован как два независимых проекта в среде Microsoft Excel.

Приводится описание прибора для отбора проб рапы, разработанного в процессе работы над диссертацией. Конструкция прибора отличается массивностью и градуированным подвесом, что позволяет более точно устанавливать глубину отбора проб.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Обосновано применение уравнения диффузии для описания динамики концентрационного поля грязевого месторождения.

2. Разработаны математические модели процесса массообмена в грязевом месторождении с постоянным и переменным уровнем рапы, которые позволяют усовершенствовать методы оценки состояния природных экосистем.

3. Предложено использовать математическую модель с постоянным уровнем рапы для выявления основных закономерностей динамики минерализации, для разработки и тестирования процедур анализа результатов моделирования, для исследования минерализации в грязехранилищах, при небольших (до одного месяца) интервалах времени наблюдения.

4. Для более продолжительных периодов рекомендовано использовать математическую модель с переменным уровнем рапы, которая дает наилучшее совпадение с экспериментальными данными.

5. Установлено наличие в рапе пространственно-временной области, называемой безградиентной (БГ) зоной, ниже которой может наблюдаться кратковременное увеличение концентрации исследуемых веществ, а внутри минерализация остается постоянной. Предложены алгоритмы для выявления такой зоны.

6. Предложены способы отбора проб рапы, которые позволяют учесть наличие БГ зоны, по результатам одномоментных проб составить заключение о наиболее вероятном направлении изменения минерализации.

7. Показано, что периодический мониторинг грязевого месторождения должен включать пробы с поверхности рапы, что позволит на их основе строить более точные прогностические модели.

8. Установлено, что наличие турбулентной диффузии в рапе не может рассматриваться в качестве фактора, уничтожающего концентрационную стратификацию.

9. Обнаружено, что в условиях, когда минерализация на поверхности водоема меньше, чем во всем грязевом месторождении:

- минерализация лечебной грязи убывает и практически не зависит от процессов, происходящих в рапе;

- уменьшение уровня рапы может привести к кратковременному повышению ее минерализации.

10. Показано, что для учета в модели реального многослойного строения донных отложений, образующих лечебную грязь, достаточно задать начальное распределение минерализации в этих слоях.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. Тепло-массообменные явления в соленых водоемах грязевых месторождений /Научная мысль Кавказа.Сев.-Кавк. науч. центр ВШ,-№ 1. Ростов-на-Дону. -1999. - С. 50.

2. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. Математическая модель тепло-массообменных явлений в соленых водоемах /Матем. методы в технике и технологиях: Материалы науч. конф,- ММТТ 12: Сб. тр. Междунар. науч. конф. Т.2. Новгород. -1999. - С.101-103.

3. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. Влияние опреснения Тамбуканского озера на минерализацию лечебной грязи /Материалы науч.-практ. конф., посвящ. 80-летию ГНИИК: Пятигорск. -1999 - С.52-53

4. Рощина Т.К., Ушаков В.Г., Муравлева P.E. Технология и аппараты для проведения грязевых процедур во вне курортных условиях /IV сессия ак. мед.-техн. наук: Ростов-на-Дону. -1999 - С.7-8

5. Рощина Т.К. Влияние опреснения проточного водоема грязевого месторождения на минерализацию пелоида / Материалы юб. науч.-практ. конф. 4.1, Пятигорск. -2000,- С.49-51

6. Рощина Т.К., Ушаков В.Г., Муравлева P.E. Основные принципы организации грязелечения по месту проживания больных во вне курортных условиях / Материалы юб. науч.-практ. конф. 4.1, Пятигорск. -2000 - С.58-59

7. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. Массообменные явления в соленых водоемах грязевых месторождений / Материалы XXXXVI науч.-техн. конф. ЮРГТУ(НПИ): Новочеркасск. -1999.-C.33-36

8. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. Оценка конвективной составляющей при диффузионном переносе вещества / Материалы XXXXIX науч.-техн. конф. ЮРГТУ (НПИ): Новочеркасск. -2000,- С.91-92

9. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. К определению границ зоны концентрационной стратификации в рапе грязевого водоема / "Матем. методы в технике и технологиях": Материалы 13 межд. науч. конф. ММТТ-2000. Санкт-Петербург. -Сб. тр. Междунар. науч. конф.Т.З. - С.59-60

10. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. О регулярном режиме молекулярной диффузии при опреснении водоема грязевого месторождения / "Матем. методы в технике и технологиях": Материалы 13 межд. науч. конф. ММТТ-2000. Санкт-Петербург. -Сб. тр. Междунар. науч. конф.Т.З. - С.64-65

11. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. Теория мониторинга грязевого месторождения и приборы для его осуществления / Материалы межд. науч. конф. "Теория, методы и средства контроля и диагностики": Новочеркасск. -2000.- С.25-26

12. Рощина Т.К. Управление исследованием нестационарного концентрационного поля грязевого месторождения / Региональная науч.-техн. конференция "Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах". Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ). Изв. вузов.Сев.-Кавк. регион. Техн. науки,- № 4, 2000.-С.126

13. Рощина Т.К. Основные закономерности массообменных явлений на месторождении лечебной грязи / Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки, № 2.-2001.-С. 108-109

14. Рощина Т.К., Ушаков В.Г. Моделирование и численные методы решения сопряженных задач нестационарного массообмена / Теплофизические измерения в начале XXI века. IV международная теплофизическая школа. - Тамбов: ТГТУ. -2001.-Ч.1. - С.48-50

15. Рощина Т.К. Методы решения эволюционных задач массообмена / Теплофизические измерения в начале XXI века. IV международная тепло-физическая школа -Тамбов: ТГТУ. -2001.-Ч.1,- С. 122-123

16. Рощина Т.К. Математическое описание нестационарного концентрационного поля грязевого месторождения / "Матем. методы в технике и технологиях": Материалы XV межд. науч. конф. ММТТ. -2002.Тамбов,- Сб. тр. Междунар. науч. конф.Т.2. - С.137-139.

17. Рощина Т.К. Использование математической модели для управления концентрацией вещества в грязевом месторождении / "Математические методы в технике и технологиях": Материалы XVI межд. науч. конф. ММТТ-Дон 2003. Ростов-на-Дону. -Сб. тр. Междунар. науч. конф.Т.2. - С.132-133.

Подписано в печать 20.11.2003г Тираж 100 экз. Заказ & 299

Типография НМА.г.Новочеркасск ул.Пушкинская III 346428

2ооУ -fl

i 2 0 б 8Э

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Рощина, Татьяна Константиновна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1.Соленый водоем как объект исследования массообменных процессов.

1.2.Причины и виды диффузионных процессов в рапе и в лечебной грязи.

1.3.Постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИОННОГО ПОЛЯ

СИСТЕМЫ РАПА-ЛЕЧЕБНАЯ ГРЯЗЬ.

2.1 .Физическая модель водоема грязевого месторождения как объекта, в котором реализуются диффузионные явления.

2.2.Математическая модель процесса массопереноса в грязевом месторождении.

2.3. Безразмерная форма записи уравнений, описывающих массоперенос.

2.4.Методы решения уравнений массопереноса.

2.5.Решение уравнения диффузии методом конечных разностей.

2.6.Результат решения уравнения диффузии методом конечных разностей

2.7.Учет влияния возмущающих факторов на процесс массопереноса в грязевом месторождении.

2.7.1. Турбулентное движение рапы в вертикальном направлении.

2.7.2. Изменение коэффициента диффузии в лечебной грязи.

2.7.3. Использование многослойной (больше двух слоев) модели грязи.

2.8. Обобщение результатов математического моделирования массопереноса в грязевом месторождении.

3. МАССОПЕРЕНОС В ГРЯЗЕВОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ С

ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ УРОВНЕМ РАПЫ.

3.1 .Постановка задачи.

3.2.Использование дифференциального подобия для неоднородной среды.

3.3.Решение уравнения диффузии для ограниченной области с одной подвижной границей.

3.4.Результаты решения уравнения диффузии для области с одной подвижной границей.

3.5.Обобщение результатов исследования модели массопереноса в области с одной подвижной границей.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННОГО ПОЛЯ ГРЯЗЕВОГО

МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

4.1 .Получение данных о стратификации вещества в рапе/лечебной грязи.

4.2.Определение направления изменения концентрации вещества.

4.3.Экспериментальное определение коэффициента диффузии.

4.4.Определение концентрации вещества на глубине х, через некоторый промежуток времени Ат.

4.5. Программный комплекс для проведения расчетов концентрационных полей.

4.5.1. Проект "ДУ с управляемым весом".

4.5.2. Проект "ДУ с подвижной границей".

4.6.Прибор для отбора проб рапы.

4.7.Обобщение результатов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование методики мониторинга месторождений лечебных грязей"

Объектом исследования представленной к защите диссертационной работы является естественная экологическая система - соленое озеро сравнительно небольших размеров. В подобных системах принято выделять следующие компоненты: рапу, иловые отложения, атмосферный воздух над озером, подстилающие горные породы, образующие дно и берега озера, а также многочисленные и разнообразные биообъекты [64, 97]. Помимо самостоятельной ценности в качестве уникального природного объекта, такие экосистемы очень часто служат еще одной цели - они являются источниками лечебных грязей (пелоидов), которые давно и с большой эффективностью применяются санаторно-курортными учреждениями и пользуются большой популярностью среди населения. На территории Южного Федерального округа России расположены широко известные месторождения лечебных грязей Ставропольского и Краснодарского краев, Дагестана [43], самым крупным из которых является Большое Тамбуканское озеро. Несмотря на оптимистичные оценки запасов пелоидов [15, 67, 82], запасы эти не являются бесконечными - к настоящему времени они исчерпаны примерно на четверть. Более того, с течением времени различные компоненты рассматриваемой экосистемы способны изменяться как под действием различного рода внешних факторов, так и в результате внутренних процессов, протекающих в грязевом месторождении. Причем изменения оказывают существенное влияние не только на лечебные свойства пелоидов, но и на уровень их запасов, формируя условия образования новых донных отложений [60, 93, 103]. По этой причине первостепенное значение имеет постоянный контроль состава как самой лечебной грязи так и покрывающей ее рапы, т.е. мониторинг грязевого месторождения. Обычно он проводится инструментально и состоит в отборе проб рапы и лечебной грязи, определении концентрации и состава химических и биологических компонентов, содержащихся в этих пробах. Полученные таким образом данные могут быть использованы только в статистической модели исследуемого объекта. Для этого необходимо сравнить показатели, полученные в разные моменты времени, оценить произошедшие за этот период изменения и, если измерения проводились для достаточно большого числа параметров, выявить наиболее вероятные причины, приведшие систему в текущее состояние. Проблема мониторинга подобного рода в том, что он, требуя регулярных наблюдений и анализов, все равно не может дать ответа на вопрос, какое значение будут иметь основные параметры грязевого месторождения, если воздействующие на него факторы примут ранее ненаблюдаемое значение, или изменится интенсивность их влияния, или появятся новые внешние возмущения. Необходимые данные можно было бы получить, например, при постановке целенаправленного эксперимента или с использованием физической модели. Но опыты с природным объектом заведомо неприемлемы (нельзя, например, изменить концентрацию какой-либо соли в озере и посмотреть, что из этого получится), а лабораторная модель представляет собой тонкую пленку, гак как отношение вертикального масштаба озера к горизонтальному составляет примерно 10 ~ — 10"'. И в такой пленке невозможно адекватно отразить процессы, происходящие в вертикальном направлении и оказывающие существенное влияние на эволюцию изучаемого объекта [28].

Таким образом, единственный перспективный путь организации мониторинга грязевого месторождения, который позволит получить не только достоверную картину текущего состояния, но и обоснованный прогноз на будущее - математическое моделирование плюс реальные полевые наблюдения. Причем модель и наблюдения взаимосвязаны - результаты проб и анализов используются для создания, совершенствования модели, а сами лабораторные исследования организуются на основании рекомендаций, полученных при математическом моделировании.

Актуальность темы. Одной из основных задач общегосударственного значения является обеспечение населения сравнительно недорогими и эффективными лечебными средствами отечественного производства. К таким средствам можно отнести лечебные грязи (пелоиды), высокая терапевтическая ценность которых подтверждена многолетним положительным опытом пелоидотерапии. В Российской Федерации трудами ученых - физиотерапевтов и бальнео-техников разработаны различные способы и устройства для эффективной добычи, транспортировки, предпроцедурной термоподготовки и хранения лечебных грязей [63, 64, 74, 89-95], а также методика их применения для лечения большого перечня заболеваний [8, 67, 84, 96, 100, 103]. Однако в медицинской практике допустимо использование только кондиционных лечебных грязей, которые по химическому составу, физическим свойствам, содержанию микроорганизмов и ряду других параметров удовлетворяют определенным требованиям [8, 13, 15, 34]. Между тем состав пелоида, добываемого в грязевом месторождении, нестабилен. Лечебная грязь представляет собой мазеподобное тонкодисперсное вещество, состоящее из твердых минеральных частиц, образующих остов. Остов пропитан водой (грязевым раствором), содержащей ионы солей натрия, калия, магния, кальция, хлора, а также органические соединения и биокомпоненты. Качество лечебной грязи, в смысле удовлетворения нуждам медицинских учреждений, во многом зависит от концентрации в ней всех этих компонентов, которая под воздействием процессов различной природы способна изменяться в широких пределах. В результате пелоид приобретает либо иные терапевтические свойства, либо вообще становится непригодным для лечения. Поэтому необходим постоянный мониторинг грязевого месторождения, который не только давал бы возможность судить о составе лечебной грязи на момент ее добычи, но и позволял бы прогнозировать наиболее вероятное изменение во времени качества пелоида.

Наиболее часто в лечебных учреждения Южного Федерального округа используются иловые сульфидные грязи, источником которых служат соленые водоемы (озера, лиманы). Важной составляющей этих природных объектов, кроме лечебной грязи, является рапа. С одной стороны, рапа - среда обитания микроорганизмов, играющих решающую роль в процессах грязеобразования [12, 60, 65], а с другой - "проводник", через который внешние воздействия, прилагаемые ic грязевому месторождению, передаются к лечебной грязи (грязевой раствор является прямой производной рапы). Так как рапа - многокомпонентный раствор неорганических солей, ее главной физико-химической характеристикой является общая минерализация (или концентрация отдельных ионов/солей). Именно минерализация рапы определяет условия жизнедеятельности микрофлоры грязевого месторождения, ее численный и видовой состав [60, 65, 95], а от минерализации грязевого раствора существенно зависят лечебные свойства пелоида [13, 74, 89].

Актуальности результатов, получаемых при исследовании предлагаемой модели, способствуют также следующие факторы:

- действующие федеральные целевые программы "Юг России" и "Экология и природные ресурсы (2002-2010 годы)";

- технические и технологические достижения, которые не только усиливают роль антропогенных воздействий на окружающую среду, приводящих к глобальным изменениям климатических условий, но и расширяют возможности вмешательства человека в открытые экосистемы;

- имеющие место естественные процессы, которые влияют на состояние грязевого месторождения (примером может служить наблюдаемое последние годы обводнение Тамбуканского озера, которое в 30-е годы прошлого века имело искусственное происхождение);

- изменившиеся экономические условия, которые способствовали элементарному удорожанию анализов, необходимых для целей мониторинга;

- целый комплекс социально-экономических нововведений, имевших место за последние десть лет, таких как определение стандартов на лечебные процедуры в соответствии с требованиями страховой медицины или международных стандартов, аналогичных ISO-9000; изменение в структуре права собственности на природные ресурсы, когда их собственником остается государство, лицензией на добычу владеют частные лица или организации, а применением занимаются вообще третьи лица;

- принятый в январе 2002 г. Федеральный закон "Об охране окружающей среды", в котором явно прописаны такие принципы, как презумпция экологической опасности планируемой хозяйственной или иной деятельности, приоритет сохранения естественных экологических систем, сохранение биологического разнообразия, запрещение любой деятельности, последствия воздействия которой на окружающую среду непредсказуемы, а лечебно-оздоровительные местности и курорты вообще отнесены к особо охраняемым объектам.

Цель работы заключается в определении основных закономерностей изменения минерализации в грязевом месторождении, в совершенствовании методики мониторинга месторождений лечебных грязей в зоне Кавказских Минеральных вод путем математического моделирования процессов изменения их минерализации. Для этого необходимо:

- разработать нестационарные математические модели, описывающие данный процесс;

- разработать рекомендации по практическому мониторингу грязевого месторождения;

- разработать прибор для отбора проб рапы, которые используются для получения экспериментальных данных по минерализации.

Методы исследования. В работе использованы методы классической теории массопереноса, теории сушки, теории подобия, уравнений математической физики, численных методов математического анализа и решения дифференциальных уравнений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана методика оценки минерализации рапы и лечебной грязи; исследованы различные пространственно-временные области концентрационного поля грязевого месторождения; исследовано влияние на минерализацию грязевого месторождения таких факторов, как ветровое движение рапы, изменения уровня рапы, условий на поверхности водоема и на нижней границе месторождения;

- установлено существование в грязевом месторождении нескольких различных по характеру переноса вещества зон массообмена; доказана возможность применения математической модели, основанной на уравнениях диффузии, для описания динамики минерализации грязевого месторождения; доказано влияние толщины слоя рапы и ее возможного турбулентного движения на интенсивность явлений массообмена, происходящих в грязевом месторождении;

Достоверность результатов. При составлении математических моделей использовались фундаментальные законы переноса массы с учетом физических особенностей исследуемых процессов. Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием экспериментальных и расчетных результатов в широком диапазоне изменения характерных параметров. Достоверность научных положений обеспечивается использованием классических численных методов решения задач массообмена, совпадением результатов расчетов диссертанта и экспериментальных данных.

- прогнозировать динамику состава, а значит и качества лечебной грязи;

- организовать мониторинг состояния лечебной грязи на месторождении.

Предложены варианты проведения экспериментов на грязевом месторождении, позволяющие при минимальном объеме опытов проводить не только мониторинг текущего состояния лечебной грязи, но и прогнозировать динамику его изменения на предстоящий период.

Разработан прибор для получения проб рапы на грязевом месторождении.

Реализация результатов работы. Комплекс программных средства для расчета концентрационных полей химических компонентов в рапе и в лечебной грязи принят к использованию в Объединении "Кавказские минеральные курортные ресурсы" (г. Ессентуки). Прибор для отбора проб рапы на грязевом месторождении принят к использованию в отделе "Изучение курортных ресурсов" ГосНИИ курортологии (г. Пятигорск). Апробация результатов работы.

Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались на международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях" (г. Новгород, 1999 г.; г. Санкт-Петербург, 2000 г.; г. Тамбов, 2002 г.); на научно-практической конференции, посвященной 80-летию ГНИИК (г. Пятигорск, 1999 г.); на IV объединенной научной сессии, посвященной 30-летию Северо-Кавказского научного центра высшей школы (г. Ростов-на-Дону, 1999 г.); на юбилейной научно-практической конференции "Актуальные вопросы курортной науки в России" (г. Пятигорск, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции " Теория, методы и средства контроля и диагностики" (г. Новочеркасск, 2000 г.); на Vl-ой Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения в начале XXI века" (г. Тамбов, 2001 г.), на межрегиональной научно-практической конференции "Устойчивая безопасная энергетика - основа эффективного социально-экономического развития региона" (г. Ростов-на-Дону, 2002 г.), на 11-й Региональной научно-технической конфереции «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах» (г. Новочеркасск, 2002 г.), а также на научных семинарах кафедр "Теоретические основы теплотехники" и "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами" ЮжноРоссийского государственного технического университета. На защиту выносятся: математическая модель нестационарного массообмена между рапой и лечебной грязью на грязевом месторождении. результаты исследования структуры концентрационных полей рапы и лечебной грязи на месторождении, имеющем несколько различных по характеру переноса вещества зон массообмена; метод расчета зон массообмена на месторождении лечебной грязи; методика контроля и прогнозирования величины минерализации различных компонентов грязевого месторождения; методика отбора проб рапы на месторождении лечебной грязи

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Рощина, Татьяна Константиновна

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

- минерализация лечебной грязи убывает и практически не зависит от процессов, происходящих в рапе; уменьшение уровня рапы может привести к кратковременному повышению ее минерализации.

1 0. Показано, что для учета в модели реального многослойного строения донных отложений, образующих лечебную грязь, достаточно задать начальное распределение минерализации в этих слоях.

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Рощина, Татьяна Константиновна, Новочеркасск

1. Арене В.Ж. и др. Теплофизические аспекты освоения ресурсов недр / Л., Недра, 1988. 335 с,

2. Бахман В.И. и др. Методика анализа лечебных грязей (пелоидов) / М.: ЦНИИКиФ, 1965.-142 с.

3. Белоцер ковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред / М.: Наука, 1984,- 5 16с.

4. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений / М.: Гос.физ.-мат. изд., 1959.- Т.2-620 с.

5. Бицадзе А.В. Уравнения математической физики / М.: Наука,1982.-336с.

6. Бойков Г.П., Видин Ю.В., Фокин В.М. Шаронова О.В. Определение теп-лофизических свойств строительных материалов / Красноярск: Изд.КГУ, 1992,- 171 с.

7. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах / Л.: Химия, 1984.-335 с.

8. Вайсфельд Д.Н. Голуб Т.Д. Лечебное применение грязей / Киев: Здоров'я, 1980. 142 с.

9. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач / М.: Наука, 1980.-518 с.

10. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты / Л.: Химия, 1977.-360 с.

11. Владимиров B.C. Уравнения математической физики / М.: Наука, 1981 .-51 2 с.

12. Владимиров Ю.А. и др. Биофизика / М.: Медицина, 1983. -280 с.

13. Влияние современного технологического способа подготовки лечебной грязи к процедурам на ее регенерационную способность // Отчет по НИР (заключительный) / Пятигорский НИИК и Ф. Гр. №77066943; № 969305. -Пятигорск, 1980.-207с.

14. Воеводин А.Ф., Шугрин С.ML Методы решения одномерных эволюционных систем / Новосибирск: Наука, 1993.-365 с.

15. Волкова О.Ю. Основные положения по организации и ведению озерного и бассейнового грязевого хозяйства на курортах / Пятигорск: Пятигорский НИИ гос. БИ на Кавминводах, 1957. -37 с.

16. Воронцов Е.Г. Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидкостных пленках / Киев: Техжка, 1972.-194 с.

17. Герасимов Я.М. и др. Курс физической химии / М.: Химия, 1973.- Т.2. -623 с.

18. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы / М.: Наука, 1977. 439 с.

19. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов теп-ло-массообмена / М.: Высш.шк., 1974.-328 с.

20. Гюнтер Н.М. Теория потенциала и ее применение к основным задачам математической физики / М.: Госиздтехлит, 1953,- 415 с.

21. Де Гроот. Термодинамика необратимых процессов / М.: ГИТТЛ, 1956. 280 с.

22. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалов Э.З. Численные методы анализа / М.: Наука, 1967,- 368 с,

23. Джалурия. Й. Естественная конвекция / М.: Мир, 1983.-396 с.

24. Джеффрис Г., Свирлс Б. Методы математической физики / М.: Мир, 1969. -Вып. 1.- 423 с.

25. Джеффрис Г., Свирлс Б. Методы математической физики / М.: Мир, ,1970. Вып. 2.- 352 с.

26. Джеффрис Г., Свирлс Б. Методы математической физики / М.: Мир, 1970.-Вып. 3.- 343 с.

27. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ / М.: Статистика, 1973,- 392 с.

28. Дымников В.П. Понять климат / Компьютерра , 2001.- № 35 (412).- С.30-33

29. Евстафьев В.П., Пэн Э.Э., Федькушов Ю.И. Инженерное оборудование в бальнеотехнике / М.: Стройиздат, 1984. 278 с.

30. Егерев В.К. Диффузионная кинетика в неподвижных средах / М.: Наука, 1970. 227 с.

31. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи / Л.: Энергия, 1969.-223с.

32. Зарубин B.C. Инженерные методы решения задач теплопроводности / М.: Энергоатомиздат, 1983.-326 с.

33. Зенин А.А., Белоусова Н.В. Гидрохимический словарь / Л.: Гидрометеоиз-дат, 1988,- 240 с.

34. Зотова В.И., Тишкова Н.Ю. и др. Методические указания по санитарно-биологическому анализу лечебных грязей / М.: МЗ СССР, 1980. 26 с.

35. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами / Киев: Техшка, 1975. 312 с.

36. Ильин A.M., Калашников А.С., Олейник О.А. Линейные уравнения второго порядка параболического типа // Успехи математических наук / М.: Физматгиз, 1962 г.- Т. XVII.- С.З -146

37. Имитационное моделирование и экология / Под ред. Моисеева Н.Н. М.: Наука, 1975. - 324 с.

38. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача / М.: Энергия,1975,- 486 с.

39. Исследования по теплопроводности / Под ред. Лыкова А.В. Минск: Наука и техника, 1967.-575 с.

40. Калиткин Н.Н. Численные методы / М.: Наука, 1978.-5 12 с.

41. Карман Т., Био М. Математические методы в инженерном деле / М.: Мир,1978.- 425 с.

42. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / М.: Химия, 197Г- 784 с.

43. Каталог грязевых месторождений СССР / М.: МЗ СССР, ЦНИИ К и Ф, 1970. 131 с.

44. Кейс В.М. Конвективный тепло- и массообмен / М.: Энергия, 1972,- 445 с.

45. К л айн С.Дж. Подобие и приближенные методы / М.: Мир, 1968.-302 с.

46. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности / М.: Наука, 1975.-226 с.

47. Коздоба Л.А. Решения нелинейных задач теплопроводности / Киев: Наук, думка, 1976.-136 с.

48. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим / М.: Гостехиздат, 1954,- 408 с.

49. Кошляков Н.С. Уравнения в частных производных математической физики / М.: Высш. шк, 1970.-710 с.

50. Круглоголов В.Д., Кулаков М.В. Ротационные вискозиметры. / М.: Машиностроение, 1984. 32 с.

51. Ландкоф Н.С.Основы современной теории потенциала / М.: Наука, 1966.-515с.

52. Лыков А.В. Теория сушки / М.: Энергия, 1968,- 470 с.

53. Лыков А.В. Теория тепло- и массопереноса / М.: Гос. энерг. изд-во, 1963. -535 с.

54. Лыков А.В. Теория теплопроводности / М.: Гос. изд-во техн.- теор. лит-ры, 1952.- 391 с.

55. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды / М.: Наука, 1982.-3 19 с.

56. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики / М.: Наука, 1977.- 455с.

57. Математические модели контроля загрязнения воды / Под ред. Джеймс А,-М.: Мир, 1981,- 472 с.

58. Михеев М.А. Михеева И.М. Основы теплопередачи / М.: Энергия, 1977,342 с.

59. Михлин С.Г. Линейные уравнения в частных производных / М.: Высш. шк., 1977,- 430 с.

60. Муравлева Р.Е, Кривобоков Н.Г., Давтян С.Г. и др. Рациональное использование иловой сульфидной грязи озера Тамбукан / Пятигорск, 1984. 17с.

61. Новое в численном моделировании. Алгоритмы. Вычислительные эксперименты, результаты / М.: Наука, 2000.-246 с.

62. Олиференко В.Т. Водогеплолечение / М.: Медицина, 1986.-287с.

63. Основы курортологии (руководство) / Под ред. В.М. Боголюбова. В 2-х т.- М.: Медицина, 1985. Т. 2. - 560 с.

64. Основы курортологии / Под ред. В.А. Александрова. М.: Мед. лит., 1956.- 752 с.

65. Отчет о научно-исследовательской работе по проведению экологической и технической экспертизы автомагистрали "Кавказ" на участке, проходящем по акватории озера Тамбукан (5 10-5 1 1 км) / Пятигорск, 1 994. 210 с.

66. Пантелев И.Я., Сурков В.Н. Минеральные источники и лечебная грязь района Кавказских минеральных вод / Пятигорск, I960.-165с.

67. Пасконов В.М., Полежаев В.П., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена / М.: Наука, 1 984,- 285 с.

68. Патрашев А.Н. Гидромеханика / М.: Военно-морское издательство, 1953. 719 с.

69. Подобедов Н.С. Природные ресурсы земли и охрана окружающей среды / М.: Недра, 1985,- 236 с.

70. Проблема тепло- и массопереноса / Под ред. Гурова Н.А. Минск.: Наука и техника, 1976.-312 с.

71. Райченко А.И. Математическая теория диффузии в приложениях / Киев.: Науч.думка, 1981.-396 с.

72. Рациональное использование водных ресурсов бассейна Азовского моря: математические модели / Под ред. И.И. Воровича М.: Наука, 1981. - 360 с.

73. Рекомендации по изучению лечебных грязей / Под ред. В.В. Иванова.- Москва, 1975.-97 с.

74. Реология суспензий / Под ред. Гогосова В.В., Николаевского В.Н.- М.: Мир, 1975.-334 с.

75. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой / М.: Химия, 1980,- 248 с.

76. Рябенький B.C. Введение в вычислительную математику / М.: Физматлит, 2000.- 296 с.

77. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем / М.: Наука, 1971,552 с.

78. Самарский А.А. Теория разностных схем / М.: Наука, 1989,- 614 с.

79. Самарский А.А., Гулин А.В. Устойчивость разностных схем / М.: Наука, 1973,- 415 с.

80. Самарский АА, Вабигцевич П.Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии / М.: Эдиториал УРСС, 1999.- 245 с.

81. Тамбуканское озеро и его лечебная грязь Под ред. А.А. Лозинского, И.Я. Пантелеева. Ставрополь: Кн. изд-во, 1954. - 135 с.

82. Таха X. Введение в исследование операций / М.: Мир, 1985.-479 с.

83. Терентьева Л.А., Фриденберг Л.А., Антропова М.И. Торфяные грязи и их применение в санаторно-курортном лечении / М.: Профиздат, 1985. 80 с.

84. Терри Е. Шуп Решение инженерных задач на ЭВМ / М.: Мир, 1982.-235 с.

85. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики / М.: Гос. изд-во техн.- теор. лит-ры, 1953. — 679 с.

86. Трейбал Р. Жидкостная экстракция / М.: Химия, 1966. 724 с.

87. Уилкинсои У.Л. Неньютоновские жидкости /М.: Медицина. 1986. 141с.

88. Ушаков В.Г. Основы инженерной реологии лечебных грязей / Пятигорск: ЦИНИК и Ф, 1989.- 194с.

89. Ушаков В.Г. Оценка оптимальной по химическому фактору толщины грязевой аппликации // Приборы и устройства для курортно-лечебных учреждений / Межвуз. сб. Новочеркасск: 1984 г. - С. 36 - 40

90. Ушаков В.Г. Тепловые процессы в бальнеотехнике лечебных грязей / Ростов-на-Дону: Изд. РГУ, 1992,- 220 с.

91. Ушаков В.Г. Теплофизические и реологические свойства лечебных грязей / М.: Профиздат, 1986. 74 с.

92. Ушаков В.Г., Лаврентьев Г.И. Динамика физических свойств лечебных грязей Лсенского месторождения в процессе ее формирования // Межвуз. сб. Новочеркасск: Изд. НИИ, 1985. - С. 134 -139.

93. Ушаков В.Г., Луконина О.В. Структурно-механические свойства лечебных грязей / Новочеркасск: Изд. Н.ГТУ, 1995. 41 с.

94. Ушаков В.Г., Нарядовая Л.И. Совершенствование методики определения реологических свойств озерно-речных отложений // Приборы и устройства для курортно-лечебных учреждений / Межвуз. сб. Новочеркасск: Изд. НИИ, 1980 г.- С.78 - 86.

95. Ушаков В.Г., Эфендиева Ф.М. О возможности использования высохших сопочных грязей / Изв СКНЦВШ. Техн. науки. 1984. - № 3. - С.34 - 37.

96. Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ "Об охране окружающей среды"

97. Харман Г. Современный факторный анализ / М.: Статистика, 1971. -484 с.

98. Хемминг Р.В. Численные методы / М.: Наука, 1 978.-398 с.

99. ЮОЛДафрис П.Г., Киселев В.Б. Лечебные грязи и другие природные теплоносители / М.Высш.школа, 1990.-126 с.

100. Чалых А.Е. Диффузия в полимерных системах / М.: Химия, 1987.-3 10 с.

101. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача / М.: Химия, 1982.- 695с.

102. Эффендиева Ф.М. Лечебные грязи / Баку: Азернеше, 1984. 64 с.

Информация о работе

Рощина, Татьяна Константиновна
кандидата технических наук
Новочеркасск, 2003
ВАК 25.00.36

Диссертация

Совершенствование методики мониторинга месторождений лечебных грязей - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы