Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Создание постоянно действующих математических моделей месторождений подземных вод в районах с интенсивной техногенной нагрузкой на гидросферу

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Устюгов, Дмитрий Леонидович

Введение.

Глава 1. Исследование особенностей создания постоянно действующих математических моделей месторождений подземных вод.

1.1. Основные представления о моделировании в гидрогеологии.

1.2. Основные виды гидрогеологических моделей.

1.3. Структура постоянно действующих математических моделей.

Глава 2. Геолого-гидрогеологические условия исследуемых объектов.

2.1. Вудъяврское месторождение подземных вод.

2.2. Вологодская область (региональная характеристика).

Глава 3. Информационное обеспечение постоянно действующих математических моделей.

3.1. Требования к информационным данным для обслуживания постоянно действующих математических моделей.

3.2. Оптимизация пакетов прикладных программ для постоянно действующих математических моделей.

Глава 4. Оценка эксплуатационных запасов в условиях интенсивного техногенного воздействия на подземную гидросферу.

4.1. Оптимизация состава и структуры ПДМ.

4.2. ПДМ Вудъяврского МПВ.

4.3. ПДМ Вологодской области.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Создание постоянно действующих математических моделей месторождений подземных вод в районах с интенсивной техногенной нагрузкой на гидросферу"

Актуальность диссертационной работы.

Актуальность данной диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки методов рационального управления подземными водными ресурсами в условиях возрастающего техногенного воздействия на подземную гидросферу. Создание постоянно действующих математических моделей месторождений подземных вод (МПВ) позволяет оперативно реагировать на быстро меняющуюся гидрогеологическую обстановку и оптимизировать использование ресурсов и запасов подземных вод. В то же время, разработка технологии создания постоянно действующих моделей (ПДМ) представляет собой сложную задачу, решение которой возможно при использовании компьютерно-информационных технологий на базе математических моделей МПВ, созданных с применением современных методов схематизации природных гидрогеологических условий.

Перспективы широкого использования постоянно действующих математических моделей МПВ требуют проведения специальных исследований для совершенствования применяемых методов схематизации и технологий создания самих математических моделей. Для обоснования информационного обеспечения ПДМ необходимо учитывать особенности проблем, возникающих при оценке эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод.

Для Вудьяврского месторождения подземных вод (Мурманская обл.) актуальность построения постоянно действующей модели связана с необходимостью решения проблемы дефицита чистых питьевых вод в условиях нарастающего загрязнения, связанного с влиянием горных предприятий объединения «Апатит».

Цель работы заключалась в исследовании гидрогеологических проблем, возникающих при разработке, создании и эксплуатации постоянно действующих моделей месторождений подземных вод.

Задачи исследований.

В задачи исследований входило решение следующих задач:

1) разработка структуры и создание ПДМ МПВ (на примере Вудьявр-ского МПВ);

2) исследование отличий в структуре, технологии создания и методики численной реализации ПДМ региона от ПДМ МПВ (на примере ПДМ Вологодской области);

3) разработка методики использования созданных математических моделей для оценки и переоценки эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод, с целью выбора наиболее оптимальных условий подземного водоотбора.

Научная новизна работы:

1) исследована балансовая структура эксплуатационного водоотбора в пределах Вудьяврского МПВ;

2) построена пространственная схема распределения геофильтрационных параметров Вудьяврского МПВ;

3) дан прогноз развития нитратного загрязнения в эксплуатируемом водоносном горизонте Вудьяврского месторождения;

4) проведена переоценка эксплуатационных запасов подземных вод Вудьяврского месторождения с учетом ограничений по качеству откачиваемых вод;

5) разработана и создана многослойная пространственная модель Вологодской области, с использованием которой оценены прогнозные ресурсы подземных вод.

Реализация работы.

Результаты работы использовались:

1) при создании постоянно действующей математической модели Вудьяврского месторождения подземных вод и региональной модели Вологодской области;

2) в научно-исследовательской работе №5П-§53 «Оценка обеспеченности населения Российской Федерации экологически чистыми питьевыми водами» (научный руководитель проф. В.В. Антонов);

3) в научно-исследовательской работе «Оценка и мониторинг качества подземных вод Вудъяврского месторождения с учетом влияния промышленных объектов ПО «Апатит»» по ФЦП «Интеграция» (научный руководитель проф. B.C. Литвиненко);

4) в хоздоговорных работах и научных исследованиях кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ);

5) в учебных целях - при проведении практических занятий по курсам: «Моделирование в гидрогеологии и инженерной геологии», «Динамика подземных вод», «Поиски и разведка подземных вод».

Практическая значимость работы.

Разработанные методические подходы могут быть использованы при создании постоянно действующих математических моделей месторождений подземных вод межгорных артезианских бассейнов.

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертационной работы освещались на 8-й и 9-й ежегодной научно-методической конференции «Толстихинские чтения» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 1999, 2000), на постоянно действующем семинаре кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ), а также отражены в шести публикациях.

Защищаемые положения.

1. Постоянно действующие модели месторождений подземных вод должны рассматриваться как развивающиеся математические модели, ориентированные на оценку условий формирования эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод. Разработана и построена ресурсоори-ентированная постоянно действующая модель Вудъяврского месторождения подземных вод, способная к адаптации в условиях изменяющегося техногенного воздействия. 6

2. Обязательным элементом ПДМ МПВ должен быть блок прогноза изменения качества подземных вод при различных вариантах эксплуатационного водоотбора. Для Вудьяврского МПВ качество откачиваемых вод является главным лимитирующим фактором при расчете максимальных величин эксплуатационных запасов подземных вод.

3. В прикладном плане ПДМ МПВ должна быть ориентирована на оптимизацию условий подземного водоотбора с учетом геоэкологических ограничений. Созданные ПДМ были использованы для оценки и переоценки эксплутационных запасов подземных вод Вудьяврского МПВ и для предварительного расчета величин прогнозных ресурсов подземных вод Вологодской области.

Диссертационная работа выполнена на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ) под научным руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора В.В. Антонова. За проявленное внимание к работе, научно-методическую и практическую помощь автор выражает ему глубокую признательность. Автор благодарит д.г-м.н. проф. В.А. Кирюхина, д.г-м.н. проф. А.И. Короткова, к.г-м.н. В.А. Кальм, к.г-м.н. JI.H. Синдаловского, Г.С. Мелехову, к.г-м.н. С.А. Переверзеву за полезные советы и замечания по существу работы, а также считает своим долгом выразить благодарность коллективу кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ) и коллективу гидрогеологов ОАО "Мурманская ГРЭ".

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СОЗДАНИЯ ПОСТОЯННО ДЕЙСТВУЮЩИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Устюгов, Дмитрий Леонидович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему.

1. Исследованы особенности создания постоянно действующих математических моделей месторождений подземных вод, впервые создана ПДМ Вудьяврского МПВ (Мурманская обл.).

Откалиброванная четырехслойная ПДМ Вудьяврского МПВ позволяет проводить как геофильтрационные, так и геомиграционные расчеты с ориентацией на оценку и переоценку эксплуатационных запасов подземных с учетом воздействия горных предприятий объединения «Апатит».

2. Исследованы отличия в структуре, технологии создания и методике реализации ПДМ крупного региона от ПДМ МПВ, впервые создана гидрогеологическая модель Вологодской области.

ПДМ Вологодской области представляет собой 11-слойную сеточную модель покрывающую площадь в 145,7 тыс. км , которая позволяет проводить оценку региональных прогнозных ресурсов подземных вод.

3. Исследованы вопросы формирования химического состава подземных вод Вудьяврского МПВ, дан прогноз развития нитратного загрязнения в эксплуатируемом водоносном горизонте. Показано, что содержание нитратов на водозаборе «Центральный» достигнет максимальных значений в 20 мг/л. Содержание нитратов в водозаборах «Ключевой», «Скв.5в», расположенных в Юкспорйокской долине не превысит 10-12 мг/л.

4. Выполнена оценка и переоценка эксплуатационных запасов подземных вод Вудьяврского МПВ. В качестве наиболее оптимального варианта рекомендовано снизить производительность водозабора «Центральный» до 18 тыс. м /сутки, ввести в эксплуатацию новый водозабор «Малый Вудъявр» с производительностью 16 тыс. м3/сутки, на действующих водозаборах установить следующие величины водоотбора: водозабор «Ключевой»

3 3

8,4 тыс. м /сутки «Скв. 5в » - 5 тыс.м /сутки. Предложенная схема перерас

138 пределения нагрузки позволит обеспечить эксплуатационные запасы подземных вод в объеме 47400 м /сутки при гарантированном их качестве.

5. На основе созданной ПДМ Вологодской области оценены прогнозные ресурсы подземных вод, которые в общем объеме составят 1196,3 тыс. м /сутки. Эти цифры характеризуют величину восполнения запасов подземных вод и являются верхним пределом суммарного водоотбора. В соответствии с территориальным распределением подземного стока наибольшими прогнозными ресурсами подземных вод обладают Кадуйский

3 3

319,5 тыс. м7сутки, Устюженский - 242,4 тыс. м/сутки, и Нюксенский л о

110,7 тыс. м /сутки районы; наименьшими - Вологодский - 4,8 тыс. м /сутки,

3 3

Череповецкий - 21,9 тыс. м /сутки и Шекснинский - 11,3 тыс. м /сутки районы, расположенные в Северо-Двинском артезианском бассейне.

В качестве направлений дальнейших исследований предполагется исследовать следующие проблемы:

1) использование ПДМ для оптимизация сети регионального и территориального мониторинга подземных вод;

2) согласование построенных ПДМ с базами данных мониторинга подземных вод федерального уровня;

3) исследование гидрогеологических аспектов информационного обеспечения ПДМ Вудьяврского МПВ при переводе ее в разряд работающей в режиме реального времени.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Устюгов, Дмитрий Леонидович, Санкт-Петербург

1. Абуталиев Ф.Б., Хабибулаев ИХ., Пономарев В.И., Сергеева О.П. Принципы создания постоянно действующих моделей месторождений грунтовых вод межгорных речных долин на ЭВМ / Узб. геол. ж. 1989, №1, с. 52-58.

2. Антонов В.В. Гидрогеологические проблемы недропользования (теоретические аспекты). С-Пб.: Пангея, 1997. 91 с.

3. Антонов В.В. Гидрогеологические проблемы недропользования (прикладные аспекты). С-Пб.: Пангея, 1997. 95 с.

4. Антонов В.В. Моделирование на ЭЦВМ неустановившейся фильтрации подземных вод с использованием трехслойных схем // Записки ЛГИ, 1982. т. 83.-с.

5. Антонов В.В. Поиски и разведка месторождений подземных вод. Л.: изд. ЛГИ, 1983. 92 с.

6. Антонов В.В. Динамика подземных вод. Практикум. Л.: изд. ЛГИ, 1984.71 с.

7. Антонов В.В. Практикум по оценке эксплуатационных запасов подземных вод. Л.: изд. ЛГИ, 1985. 71 с.

8. Антонов В.В. Математические методы в гидрогеологии и инженерной геологии. Л.: изд. ЛГИ, 1987. 87 с.

9. Антонов В.В. Принципы построения моделей геологического пространства в задачах геологии и гидрогеологии // Записки ЛГИ, 1988, т. 115.-е.

10. Антонов В.В. Гидрогеологические проблемы недропользования северо-запада России. Диссертация на соиск. уч. ст. доктора геол.-мин. наук. СПб: СПГГИ, 1997. 287 с.

11. П.Биндеман Н.Н. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 204 с.

12. Биндеман Н.Н., Бочевер Ф.М. Региональная оценка эксплуатационных запасов подземных вод. (Методическон руководство). 2-е изд. М.: Недра, 1970.215 с.

13. Боревский Б.В., Язвин JI.C. Принципы региональной оценки эксплуатационных ресурсов пресных подземных вод в различных гидрогеологических условиях // Разведка и охрана недр, 1975, № 4 . с. 32-37.

14. Боревский Б.В. Закономерности формирования эксплуатационных запасов месторождений пресных подземных вод // Водные ресурсы, 1985, № 2, с. 162-164.

15. Боревский Б.В. Формирование эксплуатационных запасов и разведка месторождений пресных подземных вод. Диссертация на соиск. уч. ст. доктора геол.-мин. наук в форме научного доклада. М.: ВСЕГИНГЕО, 1986. 82 с.

16. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин JI.C. Оценка запасов подземных вод. 2-е изд. Киев: Выща шк., 1989. 406 с.

17. Бубнов Ю.П., Румянцев В.А. Мониторинг подземных вод бассейновый подход (о постоянно-действующих моделях) // VI Толстихинские чтения / Сакт-Петербургский горный институт, С-Пб, 1997, с. 107-110.

18. Веников В.А. Теория подобия и моделирование. М., Высшая школа, 1966.

19. Винниченко С.В., Глазырина И.П., Иванова В.Г. и др. Математическое моделирование природных структур и процессов. Новосибирск, 1991.

20. Волков Е.А. Численные методы. М., Наука, 1982. 256 с.

21. Вопросы геоэкологии Северо-Запада Российской Федерации. Сборник научных трудов. Редакторы: к. г.-м. н. В.В.Проскуряков и к. г.-м. н. Ю.В.Николаев. С-Пб, 1996, 235 с.

22. Гавич И.К. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод методом моделирования. М., изд-во ВИЭМС, 1972. 98 с.

23. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. М., Недра, 1980. 359 с.

24. Геология СССР. Т.27. Мурманская область. Под редакцией Л.Я.Харитонова. М., Госгеолтехиздат, 1958. 715 с.

25. Гидрогеологическое прогнозирование/ Пер. с англ./Под ред. М.Г. Андерсена и Т.П. Берта. М.: Мир, 1988. 736 с.

26. Гидрогеология СССР. Т.З. Ленинградская, Псковская, Новгородская области. М., Недра, 1968. 387 с.

27. Гидрогеология СССР. Т. 27. Мурманская область и Карельская АССР. М., Недра, 1971. 321 с.

28. Гороховский В.М. О репрезентативности гидрогеологических моделей. -Водные ресурсы, 1991, №4. с.23-28.

29. Другов Д.А., Учаев В.К. и др. Построение региональной гидродинамической модели верхнепермских водоносных комплексов для юго-восточных районов республики Татарстан // VII Толстихинские чтения / Санкт-Петербургский горный институт, С-Пб, 1998.

30. Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование подземных вод. М., Недра, 1970.

31. Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование фильтрации подземных вод. М., Недра, 1971.226 с.32.3екцер И.С., Джамалов Р.Г. Подземные воды в водном балансе крупных регионов. -М.: Наука, 1989. -124 с.

32. Зеленин И.В., Вербицкий Н.Э. Моделирование естественного режима грунтовых вод южной части Днестровско-Прутского междуречья. -Водные ресурсы, 1994, т.21, н.6, с.650-656.

33. Калиткин Н.Н. Численные методы. М., Недра, 1974.

34. Киселев И.И., Проскуряков В.В., Саванин В.В. Геология и полезные ископаемые Ленинградской области. С-Пб, 1997.

35. Крайнов С.Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. -М.: Недра, 1987. 237 с.

36. Крамбейн У., Кафмен М., Мак-Каммон Р. Модели геологических процессов. М., Мир, 1973.

37. Куделин Б.И. Принципы региональной оценки естественных ресурсов подземных вод. М., Изд. МГУ, 1960. -344 с.

38. Кухаренко А.А., Орлова М.П. и др. Каледонский комплекс ультраосновных щелочных пород и карбонатитов Кольского полуострова и Северной Карелии. М., Недра, 1965.

39. Лаврова М.А. Четвертичная геология Кольского полуострова. Л.: Изд-во Академии Наук СССР, 1960.

40. Лейпник М., Зекцер И.С., Лоансиго X. Использование геоинформационных систем для изучения подземных вод. -Водные ресурсы, 1994, т.21, н.6, с.657-661.

41. Лившиц В.М., Красс М.С. Численные методы решения задач фильтрации на ЭВМ. М., ВИЭМС (гидрогеология и инженерная геология). 1979.

42. Ломакин Е.А., Мироненко В. А. О численном моделировании геофильтрационных процессов. Водные ресурсы, 1981, №2, с.20-32.

43. Ломакин Е.А., Мироненко В.А., Поспелов А.В. Имитированное моделирование в геофильтрационных исследованиях. Водные ресурсы, 1985, №4, с.60-75.

44. Ломакин Е.А., Мироненко В.А., Шестаков В.М. Численное моделирование фильтрации. М., Недра, 1988. 228 с.

45. Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации. М., Недра, 1976. 208 с.

46. Магматизм и геология Кольского полуострова. Под редакцией Е.К.Козлова. М., Госгеолтехиздат, 1963.

47. Мироненко В.А., Румынии В.Г., Учаев В.К. Охрана подземных вод в горнодобывающих районах. Л.: Недра, 1980. 320 с.

48. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М.: Из-во МГГУ, 1996. 519с.

49. Мироненко В.А., Мольский Е.В., Румынии В.Г. Изучение загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах. Л.:Недра, 1989. 287 с.

50. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. М., Недра, 1974.

51. Налнвкин Д.В. Геология СССР. Москва-Ленинград. Изд-во Академии Наук СССР. 1961.

52. Плотников Н.И. Поиски и разведка пресных подземных вод для целей крупного водоснабжения. М.: изд. МГУ, ч. 1, 1965. 242 е.; ч. 2, 1968. 468 с.

53. Плотников Н.И. Эксплуатационная разведка подземных вод. М.: Недра, 1973.296 с.

54. Построение экспертных систем. Пер. с англ. / Под ред. Ф. Хейеса-Рота, Д. Уотермана, Д. Лената. М.: Мир, 1987. 441 с.

55. Региональная оценка ресурсов подземных вод / Под ред. Н.Н. Биндемана. М.: Наука, 1975. 136 с.

56. Умаров У.У., Махкамов М.М., Хабибулаев И.Х.,Эргашев А. Создание постоянно действующих математических моделей месторождений подземных вод конусов выноса / Мониторинг подземных вод и экзогенных процессов. Ташкент, 1988. с.79-83.

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

58. Шеннон Р. Иммитацнонное моделирование систем искусство и наука. М., Мир, 1978. 418 с.

59. Шестаков В.М. Динамика подземных вод. М., изд-во МГУ, 1981.

60. Штенгелов Р.С. Формирование и оценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод. М.: Недра, 1988. 231 с.

61. Штенгелов Р.С. Формирование балансовой структуры эксплуатационного водоотбора на месторождениях подземных вод. Диссертация на соискание уч. ст. доктора геол.-мин. наук в форме научного доклада. М.: изд. МГУ, 1994. 64 с.

62. Язвин JT.C. Достоверность гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод. М.: ВСЕГИНГЕО, 1978. 168с.

63. Baumgartner A., Reicnel Е. Die Welltwasserbilatnz. Munich, Oldenburg, 1975.

64. Holting В. Hydrogeologie. Stuttgart, Ferdinand Thke Verlag, 1989, 389 s.

65. Kinzelbach W., Rausch R. Aquifer simulation model. Germany, Inst, for water resour., 1989, 49 p.

66. Kinzelbach W. Groundwater Modeling. An Introduction with Sample Programs in Basic. 3 imp. Elsevier Science Publisers B.V., 1986, 333 p.

67. Kinzelbach W., Schafer W. Coupling of chemistry and transport. Proceeding of the symposium held an Benidorm, Spain, LAHS publ., № 188, 1988, p. 239-259.

68. Kinzelbach W. The Random walk method in pollutant transport simulation. Germany, Institute for water resourses, 1988, p. 227-239.

69. Lahl U. Groundwater contamination. Germany, Institute for water resourses, 1989, p. 1-10.

70. Luckner L. Problematik der Berechnung nichtstationarer Grundwasserstromungen durch Vorgabe von Absenkstadien. Zeitschrift fur angew. Geologie 15 (1969) H.ll, s. 564-571.

71. Luckner L. und Kaden St. Aufbereitung mathematischer Modelle fur die digitale Berechnung von Grundwasserstromungsproblemen nach der Methode andlicher Elemente. Neue Bergbautechnik, Leipzig 1 (1971) H. 12, s. 879-904.145

72. Neuman S. Colibration of Distributes Parameter Ground-Water Flow Models. Water Resources Research, vol. 9, № 3, 1973, p. 1006-1026.1. Фондовые материалы

73. Данилова С.И. Отчет о результатах переоценки запасов подземных вод на водозаборе «Центральный» г. Кировска (1984-1990 гг). Фонды Центрально-Кольской поисково-съемочной экспедиции, Мончегорск, 1990.

74. Максимова Н.А. Отчет о результатах детальных поисков подземных вод для водоснабжения г.Кировска за 1988-1990 гг. Апатиты. Фонды Мурмангеокома, 1990.

75. Максимова Н.А., Волков Н.А., Черник А.И. и др. Проект на проведение разведки подземных вод для водоснабжения г. Кировска в 1991-1997 г.г. Апатиты. Фонды Мурмангеокома, 1995.

76. Рыцарева З.В. Отчет по оценке региональных эксплуатационных запасов подземных вод Северо-Двинского артезианского бассейна в пределах Вологодской области. СПб., Фонды СЗРГЦ, 1989.