Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Выявление закономерностей распределения геофильтрационных параметров и ресурсов подземных вод на основе численного моделирования (на примере водонапорных систем Степного Крыма и Таджикистана)

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Выявление закономерностей распределения геофильтрационных параметров и ресурсов подземных вод на основе численного моделирования (на примере водонапорных систем Степного Крыма и Таджикистана)"

-Л fi? «I ' !

ОРДЕНОВ Л ШИНА И ДРУ1Ш НАРОДОВ

АКАДЕМИЯ НАУК УССР ' ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

На правах рукопиои

САХАЦКИЙ Алексей Ильич

УДК 556.3.003:681.3 Ш/1В1ЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ! РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОЕИЛЬ'ГРА-ЩОШШХ ПАРАМЕТРОВ И РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (на примере водонапорних систем Степного Крыма и Таджикистана)

Специальность 04.00.Об - гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание учиюй стгпени кандидата геолого-минерало! i, iückhx наук

Киев IG89

Работа выполнена в отделе типломасоопереноса в земной коро Института Геологических наук АН УССР.

Научный руководитель - доктор геолого-нчнералогических наук, профессор В.И.Лллько

Официальные оппоненты- доктор геолого-минералогических наук, профессор В.М.Гольдберг

кандидат геолого-минералогических . наук Н.С.Огняник

Ведущая организация - Киевский Государственный университет им. Т.Г.Шевченко

с

Запита диссертации состоится /4 июня_ 1990 г.

ь Ю30 час. на заседании специализированного совета К 016 54.01 в Институте геологических наук АН УССР по адресу: 252054, Г. Киев, ул. Чкалова 55"6", ИГН АН УССР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 12 мая_ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минералогических наук

Ю.С.Бут

'г.! ••' ; !

' I - I -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' >

7'""Актуальность работы. В настоящее время исследования вопросов распределения водных ресурсов и рационального их использования приобретают оообую актуальность; Во многих областях страны подземные воды являются основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения и, как правило, для таких районов, где велика потребность в подземных водах, характерны процессы их истощения и загрязнения, имеющие весьма оложнув и многообразную природу.

Изучение этих процессов с целью прогнозирования и разработки мероприятий по предотвращению их негативного воздействия возможно на знове теории тепломаосопереноса в подземных водах. Важная роль здесь принадлежит методам математического моделирования, поз-( воляющим достаточно адекватно отразить природные условия. Дальнейшее повышение достоверности гидрогеологических прогнозов в отношении распределения ресурсов подземных вод и рационального их использования связано с разработкой вопросов, касающихся обоснования моделей реальных гидрогеологических объектов и процессов, определения гидродинамических и гидрогеохимических параметров, а также реализацией моделей многослойных всиоцапорных систем с переменными в пространстве и времени физико-химическими свойствами, применяя современные ЭЕМ.

Целью диссертационной работы является выявление закономерностей распределения геофильтрационных параметров и ресурсов под- , земных вод путем применения усовершенствованных и вновь разработанных методик численного решения прямых и обратных задач геофильтрации и пространственного массопереноса Сна примере типовых водонапорных систем).

Основные задачи исследования: I. Совершенствование методики . расчетов геофильтрационных параметров в сложных гидрогеологических условиях при большой степени неоднородности пород и исходной неопределенности. Разработка соответствующих алгоритмов и программ расчета на ЕС ЭВМ основных геофильтрационных параметров (водопро-водимости, балансовой составляющей перетекания, скорости вертикального перетока). 2. Разработка эффективных алгоритмов и программ расчета на Е(3 ЭВМ прямых трехмерных задач стационарной и нестационарной фильтрации, а также массопереноса. 3. Изучение гидрогеологических особенностей, схематизация природных условий для выполнения расчетных исследований и решение прямых и обратных задач подземного массопереноса на примере конкретных гидрогеологических объектов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выявлены закономерности распределения водопроводимооти и балансовой составляющей перетекания, а также естественных ресурсов подземных вод верхней гидродинамической зоны типовых водонапорных систем с различными гидрогеологическими условиями!

а) Сивавского артезианского бассейна, где характерными являются регионально выдержанные пласты водоносных и водоупорных пород, низкие градиенты латеральной фильтрации и незначительные скорости вертикальных перетоков; б) водонапорных систем конусов выноса и Файзабадской межгорной впадины в долине р. Иляк СТадж. ССР), отличающихся резкой изменчивостью фильтрационных свойств пород, а также значительными вертикальными перетоками, соизмеримыми с горизонтальной составляющей потока, что приводит к Пространственной фильтрации подземных вод.

2. В пределах водонапорной системы Файзабадской впадины впервые соэдана~чИсленная модель геофильтрации и оолепереиоса, дан прогноз изменения гидродинамической обстановки, проведено моделирование всдоотбора подземных вод о оценкой их качества и предложен вариант рациональной эксплуатации водоносных горизонтов.

3*. Разработан алгоритм и методическая программа идентификации основных геофильтрационных параметров (водопроводимостй, балансовой составляющей перетекания) и оценки естественных ресурсов подземных вод по стационарным гидродинамическим сеткам..

Ц. Предложена и экспериментально проверена на тестовых и реальных примерах методика численного решения пространственных задач геофильтрации и подъемного массопереноса для слабо- и маломинерализованных подземных вод в многослойной водонапорной системе при наличии значительных вертикальных перетоков; составлены соответствующие алгоритм и методическая программа.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики расчетов на ЭВМ прямых и обратных задач геофильтрации и массопереноса в подземных водах, позволяющей реализовать модели природных многослойных водонапорных систем, отличающихся сложными гидрогеологическими условиями, где имеется резкая изменчивость фильтрационных свойств водосодержащих пород и этажно залегающие водоносные горизонты находятся в тесной гидродинамической взаимосвязи, характеривующейся значительными вертикальными перетоками подземных вод в пределах гидрогеологических "окон", разломов, эрозионных врезов и т. д.

Реализация результатов. Разработки использованы институтом

УкрГИИНТИЗ при прогнозировании водоохранных мероприятий в районе Пе1)екопокого промузла. Выполнены на хоздоговорных основах расчеты геофильтрациоиних параметров и уточнено распределение естественных ресурсов подземных вод ряда конусов выноса, а также ФайаабадскоЯ котловины долины р. Иляк, где предложен наиболее благоприятный вариант расположения и режима эксплуатации водозаборных скважин. Полученные результаты в виде отчетов переданы заказчику для внедрения в ЮГГЭ ПО "Таджикгеология".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на конференциях молодых исследователей ИГН АН УССР (I960 - I9ii'i г.г. на заседаниях отдела тепломассопереноса в земной коре ИГН АН УО>Р (19Ы - 1969 г.г.), на НТО УкрГИИНТИЗа (I9B2 г.) и ЮГГЭ ПО "Таджик-геология" (1982, 1983, 1987 г.г.), на региональном семинаре по применению математических методов и ЭВМ в геологии (Новочеркасск, I9B7 г.), на научном семинаре по применению ЭВМ при гидрогеохимических исследованиях (Москва, ИГУ, 1988 г.).

Результаты исследований изложены в 12 печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит I'll страницу машинописного текста, 37'рисунков, 25 таблиц и список литературы из 153 наименований.

Автор выражает сердечную благодарность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору В.И.Лялько ва полезные советы и помощь в выполнении работы, а также кандидату физико-математических наук З.М.Шпортюк, кандидатам геолого-минералогических наук Г.А.Шнейдерману, Ю.Ф.Филиппову, Л.Г.Борейко, Е.В.Добровольскому, кандидату технических наук М.М.Митнику и сотрудникам отдела тепломассопереноса в земной коре за советы и критические замечания. Автор признателен сотрудникам УкрГИИНТИЗ! и ЮГГЭ ПО "Таджикгеология" В.Б.Вильнеру, Л.Е.Ураловой, Ю.П.Дьяченко; Н.Н.Яуравлеву за оказанное содействие в работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

В главе I "Современные представления о моделировании массо-переноса в подземных водах" "приведен краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований геф1льтрации и. миграции вещества в подземных водах.

В зависимости от исходных сведений о структуре водоносных горизонтов математические модели процессов миграции вещества принято подразделять на несколько разновидностей, например, на Три категории: "черный ящик", "серый ящик" и "полные структурные модели"

- <» -

(Гидрогеологические основы охраны подземных вод, ГЭб'О. В диссе{>-тации рассматриваются математические модели, относящиеся к последней категории. Эти модели должны адекватно отражать сложные природные системы, их структурные и функциональные связи, физическую сущность, что в результате моделирования позволяет дать наиболее полный прогностический анализ распределения ресурсов подземных вод и миграции вещества в пространстве и времени с некоторой погрешностью.

Вопросы построения и реализации моделей геофильтрации и мас-сопереноса в подземных водах освещаются в работах H.H.Веригина (1953, 1969, 1977), В.М.Шестакова (1963, 1973), B.C.Голубева (1981, 1983), Ф.М.Бочевера, Н.Н.Лапшина и А.Е.Орадовской (1979), В.М.Гольдберга (1576, 1987), В. А.Мироненко (1980, 1986), -Ф.И.Тютюновой (1976, 1987), В.И.Лялько, М.М.Митника (1978), Ж.Фрида (1981) и др.

Для решения практических задач природные условия часто невозможно корректно схематизировать, чтобы воспользоваться аналитическими расчетными зависимостями и при этом существенно не уменьшить достоверность прогноза. В таких случаях допускается применение численных методов, конкретные приложения которых с указанием алгоритмов и программных средств приводятся в работах Л.Лукнера и В.М.Шестакова, Ж.Фрида, В.И.Ляльке, В.А.Мироненко, В.М.Шесто-палова, Е.АЛомакина, В.М.Лившица, А.В.Расторгуева, А.С.Богуславского, В.О^Балуты и др. , j

Повышение качества и достоверности гидрогеохимических прогнозов требует разработки алгоритмов и программ решения трехмерных задач взаимосвязанного тепломассопереноса с учетом фазовых переходов в системе раствор-порода и изменения фильтрационных свойств водосодержацих пород. Одним из главных затруднений при этом является необходимость создания экономичных расчетных схем, позволяющих получить решение задач с допустимой для практики погрешностью. Это требование становится еще более жестким если учесть, что при решении практических задач, как правило, приходится выполнять многовариантные расчеты в поисках оптимального результата. Для фильтрационных задач весьма эффективными в этом отношении явились алгоритмы и программы расчета, основанные на использовании итерационных методов с оптимизирующими параметрами, в частности, метода покомпонентной верхней релаксации по сравнению, например, со схемами расчета, основанными на локально-одномерном методе (Лапшин и др., 1983; Гохберг и др., 1984; Расторгуев, 1986 и др.).

Необходимость создания экономичных схем обусловлена и перспективой объединения методов прогнозирования, основанных на принципах физико-химической гидродинамики и кинетики, с вычислениями по методам химической тер-юдинамики. Оба вида моделирования развиваются самостоятельно, хотя являются стадиями прогноза и поэтому выдвигается проблема их синтеза, обеспечивающего заметное улучшение в совпадении расчетных данных о реальностью (Крайнов, Лялько, Рыженко, Швец, 1985).

Не менее важной и сложной проблемой является решение обратных задач геофильтрации и массопереноса по выявлению эффективных параметров модели, степень достоверности которых по сути и определяет результат моделирования. Идентификация отмеченных параметров связана с некорректно поставленными задачами математической физики (Тихонов, Ароенин, 1986). Обзор и характеристика их методов реше- ■ ния применительно к гидрогеологическим проблемам рассматривайте я в работах В.А.Мироненко и В.М.Шестакова (1978), А.Б.Ситникова (1978), И.К.Гавич (1980), В.Ч.Гороховского (1983), Н.С.Огняника (1983), А.Л.Фельдмана (1983), 5.Р. Меигтша (1973)(1986) и др. Чаще всего принимают классификацию методов решения обратных задач, разработанную 5.Р. Ыеитап (1973), разделившего их на прямые и непрямые, но практически ни один из подходов в чистом виде не реализуется и обычно содержит элементы свойственные другому, ком-плексирование методов в ряде случаев представляется самостоятельным способом идентификации параметров.

. Решение обратных задач обычно не обходится без преодоления их некорректности, что обусловлено недостатком данных и их приближенным характером. Это осуществляется преимущественно эа счет регуляризации (Тихонов, Арсении, 1986) - качественных и количественных ограничений, дополнительно привлекаемых к постановке зада- ' чи, исходя из априорной информации и позволяющей свести обратную задачу к условно корректной. Такие ограничения нередко носят просто интуитивный характер. Поэтому во многих случаях решения' обратных задач определяются квалификацией и опытом исследователя, его умением находить рациональный нестандартный подход.

В целом неудовлетворительное состояние проблемы идентификации параметров модели объясняет возникновение вое новых разновидностей способов решения обратных задач или в определенной мере совершенствование уже известных.

Следовательно, в области моделирования геофильтрации и миграции вещества остается множество нерешенных вопросов. Весьма акту-

алыш те из них, которые касаются создания алгоритмов решения обратных задач и расчетов нд ЭВМ прямых трехмецшх сопряженных задач геофильтрации и. массопереноса.

В главе 2 "Методические основы и алгоритм определения параметров геофильтрации слоистой водонапорной системы по лентам тока на ЭВМ" приводятся постановка задачи и разработанные автором алгоритм расчета на ЭВМ геофилътрационных параметров (водопроводимости, балансовой составляющей перетекания, скорости вертикальных перетоков) на основе балансовых уравнений, составленных для стационарных лент тока с учетом геометрии их ячеек в системе этажио залегающих водоносных горизонтов. Данная расчетная методика рассматривается как развитие разработок, предложенных В.И.Лялько и Г.А.Шнейдерманом (1965), Г.А.Юн'чйдерманом (1970, 1980, 1982) и В.И.Лялько, М.М.Митником (1970).

В основу предлагаемой методики определения геофильтрационных . параметров положен алгоритм, который позволяет формализовать операции, ранее выполняемые специалистом-гидрогеологом при расчетах ' методом распределенного баланса по лентам тока (Шнейдерман, 1970). В целом выделение линий или лент тока, иногда профилей в стационарном фильтрационном потоке обладает важным преимуществом, которое заключается в том, что позволяет свести пространственную задачу к серии одномерных, В отличие от других способов расчета по линиям или лентам тока, например, метода характеристик (Фельдман, 1983) идентификация параметров на основе распределенного баланса позволяет проводить приближенную оценку как водопроводимости, так и инфильтрационного питании при значительном недостатке исходной информации. Но такие расчеты без применения вычислительной техники являются весьма трудоемкими и могут занять большое количество времени. Предлагаемые расчеты на ЭВМ по разработанному алгоритму с помощью программы СОШ* (ПЛ/1 ОС ЕС) значительно (в десятки раз) убыотряют этот процесс,автоматизируя подбор взаимосогласованных параметров с учетом ряда критериев.

Кроме критерия баланса в алгоритм расчетов введен регуляризи-рующий принцип сглаживания изменения водопроводимости и инфильтрационного питания (точнее его балансовой составляющей), а также нахождения параметров водопроводимости по отдельным ячейкам в определенных интервалах, которие назначаются на основании экспериментальных данных и опыта гидрогеологических исследований.

В результате расчетов по данному алгоритму кроме идентификации параметров быстро выявляются и могут быть устранены грубые

ошибки при построении сеток фильтрации, а : незначительные погрешности существенно не сказываются на окончательном результате учитывая, что данные распределенных балансовых расчетов следует рассматривать как предварительные (иногда ориентировочные), кото- . pue затем могут существенно корректироваться в процессе построения сеточных моделей. Необходимость в уточнении получаемых параметров возникает при смене криволинейной сеточной разбивки на прят моугольную, необходимую для моделирования, а также при восстановлении на модели работы скважин, естественного уровенного режима и т. д.

В работе приводится анализ устойчивости решения на основе определения чувствительности результатов вычислений к погрешностям исходных данных. Рассматривается влияние отклонения от истинного значения каждого из заданных параметров на пределы ошибок при идентификации другого как в" отдельности, так и интегрально с учетом величины ячеек, их формы, градиентов потока.

Дается сравнение предлагаемой разработки с идентификацией" геофильтрационных параметров, использующей линейное программирование (симплекс-метод) (Огняник и др., 1966). Расчеты по программе C0RL для тестовых примеров дают сопоставимые результаты при меньшем объеме исходной информации и затратах счетного времени по сравнению с вычислениями симплекс-методом. В отличие от методики линейного программирования не требуются априорные двусторонние ограничения идентифицируемых параметров по всей площади изучаемой территории. Расчеты по программе C0BL позволяют преодолевать участки, где неопределенность в геофильтрационных параметрах крайне велика и ошибка в этом случае фактически на порядок меньше по сравнению с результатами, полученными симплекс-методом.

Исходными данными для проведения вычисления по программе C0RL являются массивы параметров: В - ширина контуров'питания ячеек; S - длина пути фильтрации по каждой ячейке;. H - напоры на контурах питания ячеек. По каждой ленте приводятся данные о количестве ячеек и ориентировочное значение водопроводимости в первса (TI) и эталонной ячейках (ТЕ), в которой значения параметра монно обосновать опытными данными. Программа предусматривает и возможность задания двусторонних ограничений на параметры Vu Т по всей области фильтрации, что не является обязательным.

Обработка лент тока проводится циклическими вычислениями по алгоритму, вывод которого излагается в работе. В результате счета на печать выводятся взаимосогласованные по методу распределенного

баланса (Шнейдерман, 1970) значения параметров Т, W , Q по каждой ячейке гидродинамической сетки.

Вычисления вертикальных перетоков предполагает знание величин . высачивания или инфильтрации поверхностных вод в первый сверху водоносный горизонт. Такое допущение вполне реально, поскольку эта величина может быть определена независимыми методами по гидрометрическим, гидрогеологическим и другим данным.

В главе 3 "Численное моделирование на ЭВМ массопереноса в подземных водах с применением метода покомпонентной верхней релаксации" приводится математическая формулировка трехмерной задачи нестационарной геофильтрации и массопереноса, описывается алгоритм ее • приближенного численного решения.

Если для двумЬрных областей применение указанного метода при моделировании геофильтрации на ЭВМ близко к эффективному решение ( R us tit on , Гохберг и др., Лившиц и др.), то для трехмерных об-лмтей такая задача только ставится и это относится также к другим чиоленным методам. Решение трехмерных задач тепло- и массопереноса часто необходимо даже тогда, когда геофильтрационные задачи допускают двумернуо постановку, учитывая возникающие при этом погрешности (Мироненко, 1985).

Алгоритм и программа численного решения отвечают задачам геофильтрации и подземного массопереноса, описываемых системой уравнений:

М + > - иф * w = m

- =«ri ■. ®

= С.С„,Р.н.иД, О)

где х, у, г - пространственные координаты; t - время; К - коэффициент фильтрации; Н - напор подземных вод; W - интенсивность источника жидкости; Рулр- коэффициент упругоемкости; D - коэффициент гидродинамической дисперсии; Vx , V^ , V? - проекции скоростей фильтрации растворов на оси координат; С - концентрация вещества в растворе; п - массоемкость пласта; Ы - весовое содержание вещества в твердой фазе; - константа кинетики физико-химического взаимодействия, в системе раствор-

порода; Т - температура; Р - давление; С0, М0 - концентрации насыщения в жидкой и твердой фазах. Краевая задача аппроксимируется по чисто неявной схеме. При этом конвективный член уравнения массопереноса аппроксимируется разностью в направлении против потока подземных вод. На первом этапе решается фильтрационная задача для определения скоростей фильтрации раствора. Значение напора в узловых точках находят итерационным счетом по семиточечной разностной схеме, используя зависимости:

' Н(1,1,\о = +и,от(Нил,^ -НаЛ>к) ), (5)

где 6 " ггтД + М т,1+л1

а3, а^- аналогично определяются по оси у ; <35, а& - по оси 2 .

Кх(1Л)КГЛЖ -ау/АХ, (?)

Т^ , Тг - определяются по направлению осей у , 2 по сходной зависимости;

1*2= Т. I!

(9)

СЬ0ПТ- оптимизирующий параметр, убыстряющий сходимость итерационного процесса.

Обычно для стационарных двумерных задач Ш0,1Г находится в интервале 1,5 - 1,9 (Зильберг, Великина, Лившиц, 1981). Решение трехмерных краевых задач можно получить при Шопт а 1,7 - Т,9.

На втором этапе по аналогичному алгоритму находится рпспреле-ление концентраций вещества. Значение концентраций определяется л узловых точках:

С/ГкГ^ бы- Са,кК)* 62 м1м); (то)

М1=.2в1; (Г?)

I I

где

Еч = Й!

и-и.к.) > "г. лг-ду

Ь, = до

тД + д1

дг^ду ДХ.

йХ .. ... ___

и с^, ^ определяются по направлению у , а с15, &5 {»^соответственно по направлению г .

если

(н::нн)

(13)

(Ш

где Н1( - значений напора в центральном узле;

С - текущее значение концентрации вещества;

= Тх (1-1,1,к) Нц^^) ;

(15)

V.. V,

определяются по направлению оси у,

у. М^ - по направлению оси 2 .

вы= п • д х • ду • дг /л!

v/Kt= Г (^ц,

• (16)

(17)

Приводятся результаты -применения численного алгоритма и разработанной программы. Делается сопоставление численного и известных аналитических решений. Ошибка для фильтрационных задач составляет около 2 - 8 %, а для задач массопереноса в среднем - 16 -20 % (с учетом численной дисперсии).

Для трехмерной задачи конвективной диффузии - растекания купола минерализованных вед при начальном прямоугольном импульсе (Веригин, 1969) приводится анализ ошибок при уменьшении шагов по пространственно-йременныМ координатам сеточной модели.

Численные эксперименты, выполненные с помощью указанной методической разработки, указывают на доминирующее влияние параметра во-допроводимости и соответственно скоростей потоков подземных вод на распределение концентраций веществ, в особенности, если рассматриваются долговременные, приближающиеся к стационарным процессы массопереноса.

- и -

Для повышения точности решения нестационарной задачи массо-переноса (уменьшения численной дисперсии) рассматриваются расчетные схемы, основанные на комбинации явной и неявной схем и экстраполяции Ричардсона. Дается сопоставление полученных результатов с аналитическими решениями. По данным тестовых испытаний для моделирования нестационарных задач маосопереноса рекомендуется численная схема, где на первых двух псдинтервалах временного шага применяется неявная схема, на тре*ьем - явная, на четвертом - неявная.

В главе 4 " Применение численного моделирования для расчетов геофильтрационных параметров гидродинамически взаимосвязанных водоносных горизонтов при разработке водоохранных мероприятий"показаны результаты применения разработок автора для расчета на ЭВМ геофильтрационных параметров и естественных ресурсов подземных вод при водоохранном прогнозировании в районе Присивашья. Гидрогеологические условия района детально освещены в работах А.В.Лущика, С.П.Абашиной и др., Г.В.Горбенко и II.К.Гурьбы, В.Т.Щегликова, П.Д.Левицкого, В.А.Сапона, А.А.Басса, А.А.Коджаспирова, В.Б.Виль-нера и др.

Изучаемая территория находится в пределах Северо-Сивашского прогиба, относящегося к восточной части Причерноморской впадины. Здесь выделяются этажно залегающие водоносные горизонты в эолово-делювиальных и лиманно-морских суглинках четвертичного возраста, в прсюлоях средне-мелкозернистых песков средне- верхнеплиоценовых отложений и водоносный комплекс в трещиновато-кавернозных оолитовых и ракушечных известняках пону-мэотис-сармата. Между водоносными горизонтами залегают регионально выдержанные слабопроницаемые прослои глин и суглинков плиоцен-четвертичного возраста.

Прогнозирование' водоохранных мероприятий на участке Перекопского промузла потребовало разработки программ расчета на ЭШ основных геофильтрационных параметров для гидродинамически взаимосвязанных водоносных горизонтов. Были построены квазистационарные сетки фильтрации и подготовлены наборы данных о параметрах их ячеек с целью проведения вычислений по разработанной методике расчетов на ЭВМ. В качестве эталонных значений водопроводи-мо.сти использованы данные опытных откачек. ■ '

. В результате расчетов получены значения геофильтрационных параметров по ячейкам гидродинамической сетки и построены карты откорректированных значений водопроводимости и балансовой составляющей перетекания средне-верхнеплиоценового водоносного горизонта и понт-маотис-са]матского водоносного комплекса. Рассчитаны пере-

токи между водоносными горизонтами через регионально 'выдержашше слои слабопроницаемых пород.

Откорректированные иначения водопроводимостей средне-верхнеплиоценового водоносного горизонта в районе озер находятся в пределах 125 - 250 м'Усут, возрастает к северу. Балансовая составля- ' вщая перетекания имеет порядок 10" - 10"^ м/сут. Для понт-мэотис-сарматского водоносного комплекса величины водопроводимостей в среднем составляют 1500 - 3700 м^/сут, а балансовая составляющая перетекания в основном - 10"^ - м/сут.

В процессе расчетов определен естественный расход подземных вед, составивший 20,8 тыс. м^/сут в средне-верхнеплиоценовом водоносном горизонте и 26,Ц тыс. м^/сут - в понт-мэотис-сарматском водоносном комплексе. Соизмеримые расходы потока при значительно отличающихся водопроводимостях связаны с градиентами потока примерно 2'10~^ для средне-верхнеплиоценового водоносного горизонта и З'Ю"'* в понт мэотис-сарматеком водоносном комплексе.

В связи с возникновением^нисходящих перетоков в пределах акватории озер, достигающих 10"м/сут, рекомендуется проведение режимных наблюдений за качеством подземных вод средне-верхнеплиоценового водоносного горизонта.

В главе рассматривается также и химический состав подземных вод района по данным различных методов анализа.

Глава 5 "Применение численного моделирования для оценки естественных ресурсов, эксплуатационных запасов и загрязнения подземных вод конусов выноса речных межгорных долин" содеу^жит результаты применения методических разработок при оценке естественных ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод конусов ви-несе п Файзабадской межгорной впадины, расположенных в пределах Оря&'оипиилзе&бадского района Таджикской ССР в верховьях долины р. Иляк (^0 - 60 км к востоку от г. Душанбе).

Даьтоя геологическое строение и гидрогеологические условия района. В качестве примера приводится конус выноса Ухта-Захмат, который сложен грубо7 и мелкообломочными отложениями верхнего и современного отделов четьергичной системы, амударьинск~-дютамбин-ского яруса, залегающими на гранитоидах Каратегшюкого хребта.

Подземные воды района по условиям циркуляции и распространения подразделяются на: а) поровие воды четвертичных отложений б) трещикно-пластовые води мезакайноаойских отложений; в) трещинные воды палеозойских пород. Наиболее перспективными для использования являются поросые воды, которые приурочены к аллюви-

ально-делювиальным галечникам, вскрытая мощность которых достигает в долине реки 115 н.

Формирование подземных вся осуществляется за счет атмосферных осадков и инфильтрации поверхностных вод в верховьях конуса, а также за счет подтока трещинно-жильннх вод гранитоидов, залегающих п основании рыхлообломочной толщи. Направление движения подземных вод повторяет уклон бортов гранитоидного фундамента. Единый безнапорный в головных частях конуса фильтрационный поток к долине реки расчленяется множеством линзовидных прослоев относительно водоупорных пород, поток становится напоршм. В зоне переработки рекой водообильность рыхлообломочной толщи значительно возрастает.

По химическому составу подземные воды конуса пресные с минерализацией 0,2 - 0,3 г/л, гидрокарбонатно-калы.шевые, часто содового типа. Минерализация незначительно возрастает к периферии конуса.

На основании материалов предварительной разведки подземных вод на участке (Дьяченко, Мурашко, 1976) были выделены два основных фильтрационных этажа, критерием выделения которых являлся перепад напоров в обводненных слоях. Слоеная толща относительно слабопроницаемых пород, часто имеющая островной или лннзовидннй характер, залегающая между этажами, объединяется в единый разделительный слой с гидродинамически эффективными значениями проницаемости в вертикальном направлении. Подобная схематизация основана на 0 предпосылке Мятиева-Гиринского о взаимной ортогональности направлений пластовой фильтрации и межпластового перетока с учетом того, что гидродинамическая картина определяется интегральными фильтрационными сопротивлениями пород усредненными в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Для проведения машинной обработки были построены гидродинамические сетки по каждому фильтрационному этажу и подготовлен набор данных,содержащий информацию о результатах опытных откачек из скважин и параметрах ячеек сеток фильтрации. Выполненные по программе С0К1| вычисления определили значения естественных расходов подземных вед, а также усредненные величины водопроводимости и балансовой составляющей перетекания по каждой ячейке фильтрационных сеток, что дало возможность построить карты распределения этих параметров и оценить естественные ресурсы конуса выноса Ухта-Захмат. Детальное расчленение балансовых составляющих естественного потока подземных вод проведено здесь в сложных гидрогеологических услоп*яг, где наблюдается резкая изменчивость фильтрационных свойств водосодерия-щих пород и происходят значительные вертикальные перетоки в преде-

иах тектонических нарушений, гидрогеологических "окон"', эрозионных врезов. Например, водопроводимости второго от поверхности фильтрационного этажа конуса выноса Ухта-Захмат изменяются от 50 м^/сут в верховьях до 3000 м^/сут у подножья конуса, а суммарное инфильтра-ционное питание, поступающее из трещиноватой зоны палеозойских порей составляет 16,7 тис. м^/сут, что в два раза превосходит расход потока на контуре питания толщи рыхлосбломочних отложений (8,5 тыс. м^/сут). Фильтрационный расход на контуре разгрузки первого фильтрационного этажа равен 7,4 тыс. м^/сут, второго - 22,0 тыс. м^/сут.

На основании проведенных расчетов была построена сеточная модель фильтрации подземных вед и решено ряд прогнозных задач, связанных с поиском оптимального варианта расположения водозаборных скважин.

Более полно применение расчетных методик осуществлялось на Файзабадском участке долины р. Иляк, расположенном в '»5 км к востоку от г. Душанбе. Здесь главное внимание было уделено амударьин-ско-дюшамбинскому водоносному комплексу, приуроченному к аллюви-ально-пролювиалышм отложениям четвертичного возраста, выполняю--щим Файзабадскую котловину и содержащим основные запасы пресных подземных вод. Мощность этой толщи достигает 220 м в осевой части впадины и значительно уменьшается по ее периферии. Водоносные горизонты приурочены к прослоям валунно-галечниковых отложений обычно с песчаным заполнителем. Они не выдержаны по простиранию и мощности, разделены относительно слабопроницаемими суглинистыми прослоями. Количество водоносных горизонтов в толще достигает'4 - 5, но преимущественно в разрезе выделяется два водоносных горизонта. Верхний - слабонапорный (безнапорный по периферии впадины , а по мере приближения к ее осевой части он становится напорным за счет-наличия в кровле слабопроницаемых отложений). Второй горизонт напорный, отличается значительно большей водообильностью, мощность его достигает 40 - 50 м, коэффициенты фильтрации по данным откачек нередко составляют 20 - 30 м/сут и более. Всдопроводимость отложений заметно выше со стороны Каратегинского хребта. Здес1 воды пресные с минерализацией 0,3 - 0,5 г/л. Тип воды гидрокарбонатный кальциевый. В направлении хр, Сурх-Ку, а также - в юго-западном -минерализация подземных вод повышается до 1,0 - 1,3 г/л и тип води меняется на сульфатный натриевый.

На Файзабадском участке долины р. Иляк проведен анализ динамики подземных вод, выполнены распределенные балансовые расчеты ос-

новннх фильтрационных параметров и оценена естественные ресурсы каждого из двух выделенных водонос них горизонтов амударьинско-дюшамбинского комплекса. Проведена смена параметризации, построена и уточнена (особенно на основании данных долговременных откачек) сеточная модель водоносных горизонтов Файзабадской котловины.

В диссертации приведены расчетная схема, дискретизация области фильтрации и граничные условия модели. По разработанной методике проведено моделирование на ЭВМ ЕЕ-ЮЗЗ 12 вариантов режима эксплуатации водоносных горизонтов и 7 вариантов расположения водозаборных скважин. Выбран наиболее благоприятный вариант воДоот-бора, недопускаящий истощение водоносного горизонта. Его суммарный дебит - 40 тыс. м^/сут, что составляет 73,1 % от максимальных ресурсов водоносного горизонта.

Для данного варианта с целыо оцеики качества подземных вод проведено моделирование солепереноса численным методом, по результатам которого предлагаемый режим долговременной эксплуатации водоносного горизонта не приведет г. ухудшении качества подземных вод. По ряду скважин наблюдается даже снижение минерализации на 0,05 - 0,10 г/л. Эти выводы согласуются с режимными наблюдениями по существующим в настоящее время водозаборным скважииам, Где в процессе многолетней эксплуатации фиксируется уменьшение минерализации до 0,1 г/л. Возможно, подток вод с более высокой минерализацией со стороны хр. Сурх-Ку и из нижезалегающих отложений компенсируется более мощным притоком пресных подземных вод со стороны Каратегинского хребта и подруслового потока р. Иляк.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили предложить реяение рчда гидрогеологических задач на примере типовых водонапорных систем Степного Крыма и Таджикистана на основе численного моделирования процессов гефильтрации и подземного массопереиоса.

I. Выявлены закономерности распределения гео}!ильтрационных параметров (подопроводимости, балансовой составляющей перетекания) и естественных ресурсов подземных вод для этажно эалегоояих водоносных горизонтов верхней гидродинамической зоны: а) Сивашского артезианского бассейна, который является характерным в отиояении развития регионально выдержанных пластов водоносных и водоупорных пород, где латеральная фильтрация происходит при низких значениях градиента потока и в основном незначительных вертикальных

перетоках подземных вод через практически водоупорные глинистые слои; б) водонапорных систем конусов выноса иФайзабадской межгоркой впадины в долине р. Иляк, где наблюдается резкая изменчивость фильтрационных свойств водосодержащих пород и происходят значительные вертикальные перетоки в пределах гидрогеологических "окон", эрозионных врезов, тектонических зон. На ряде участков вертикальная составляющая потока подземных вод становится соизмеримой с горизонтальной, что требует применения расчетных методик, учитывающих существенно пространственный характер фильтрации.

1.1. В пределах Сивашского артезианского бассейна установлены значения и построены карты откорректированных величин водопро-водимости и балансовой составляющей перетекания для средне-верхнеплиоценового водоносного горизонта и понт-мэотис-сарматского водоносного комплекса. Значения водопроводимости для указанного горизонта составляют 125 - 250 н^/сут, возрастают к северу по направлению к центру Сивашской впадины, где мощность.водосодержа-щих пород увеличивается в несколько раз.

Значения водопроводимости понт-мэотис-сарматского водоносного комплекса имеют величины в среднем 1500 - 3700 м^/сут. Конфигурации локальных зон повышения водопроводимооти коррелируют с общим направлением субмеридиональной срединной зоны разломов с юго-востока на северо-запад, а также с руслами погребенных балок, которые образовались в результате эрозионно карстовых процессов, активно проявившихся еще в сармате.

1.2. Применение расчетных методик в пределах конусов выноса и Файзабадской межгорной впадины в долине р. Иляк позволило оценить естественные ресурсы и эксплуатационные запаси подземных вод в сложных гидрогеологических условиях при большой степени неоднородности и исходной неопределенности в значениях параметров.

Зоны аномально высоких значений водопроводимости и инфильтра-ционного питания расположены по долине р. Иляк, которая приурочена к Илякскоиу разлоыу, проходящему на стыке двух геотектонических зон - Южно-Гиссарской и Южно-Таджикской. Относительное смещение блоков фундамента, примыкающих к разлому, способствовало ■ интенсивному осадконакоплению и образованию мощных слоистых толщ ■ аллювиально-пролювиальных пород четвертичного возраста, содержащих значительные запасы пресных подземных вод.

2. С помощью решения комплекса обратных и прямых задач геофильтрации и "сол&переноса в пределах водонапорной системы Файзабадской межгорной впадины установлены естественные ресурсы и эксплуатационные запаси подземных вод, а также наиболее благоприятч.

- и -

ный режим водоотбора и размещения скважин. Комплекс обратных фильтрационных задач включал взаимокорректировку параметров, вычисления при смене криволинейной сеточной разбивки на прямоугольную, а также уточнение граничных условий, сопротивлений ложа реки, фильтрационных сопротивлений на скважинах посредством решения серии прогнозных задач с учетом долговременных откачек.

По данным моделирования геофильтрации и солепереноса рекомендован вариант рационального водоотбора, недопускающий истощение подземных вод.

3. Выполнение поставленных гидрогеологических задач стало возможным в результате применения предлагаемых расчетных методик. Разработанные алгоритм и методическая программа расчета эффективных параметров геофильтрации по стационарным гидродинамическим сеткам с учетом формы ячеек дают возможность установить закономерности пространственного изменения параметров о большой степенью детальности.

Приведенный аналитический материал указывает на "опасные зоны", где высока чувствительность"определяема параметров к погрешностям в иоходных данных. Предложеинпй алгоритм взаимокорректировки проверен на тестовых задачах, что в итоге позволяет оценить точность расчетов в различных условиях. '

Взаимокорректировки параметров особенно целесообразны при недостатке исходной информации, с чем практически всегда приходится сталйиватьоя при построении моделей природных систем. Кроме того, важным следствием проведенной работы является существенное ускорение (более чем на порядок) вычислительных операций.

Предложена и экспериментально проверена на тестовых и реальных примерах методика численного решения пространственных задач фильтрации и массопсреноса для слабо- и маломииерализованннх подземных вод в многослойной водонапорной системе, где между водоносными горизонтами наблюдаются перетоки, достигающие значительных Ёбличин.

Для повышения точности получаемых -решений относительно "счетной вязкости", применительно к наблюдаемым в водоносных горизонтам скоростям потока и параметрам мйссоперенооа рекомендуется численная схема, комбинирующая явную и неявную аппроксимацию.

Применение данннх разработок для различных районов, на пртмо-р'е Степного Крыма и Таджикистана, отличающихся по геоструктурннч и гидрогеологическим условиям, широким диапазоном изменения гер-фильтрационннх параметров, дает основание рекомендовать их и на

других объектах ь целях водоохранного прогнозирования, оценки естественных ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод.

На защиту выносятся:

1. Выявленные на основе предложенного способа расчетов зако-. ноиернооти распределения водспроводимости'и балансовой составляющей перетекания, а также естественник ресурсов подземных вод верхней гидродинамической зоны типовых водонапорных систем:

а) Сивааского артезианского бассейна, где характерными являются регионально выдержанные пласты водоносных и относительно водоупорных пород, низкие градиенты латеральной фильтрации и незначительные скорости вертикальных перетоков в естественных условиях,-аначения водопроЕОДимости средне-верхнеплиоценовоГо водоносного горизонта в районе озер находятся в пределах 125 - 250 ы2/сут, возрастает к северу, балансовая составляющая леретека- -ния достигает 10"'' м/сут, кшс правило, отрицательная под акваториями озер и положительная за их пределами; для ионт-мэотис-сар-матского комплекса величины водопроводимости в среднем составляют 1500 - 3700 и^/сут, конфигурации локальных зон увеличения ьо~ допроводимости коррелируют с общим направлением оубмещдиональ-ной срединной зоны разломов с юго-востока на северо-запад и руслами погребенных балок, балансовая составляющая перетекания преимущественно отрицательная - 10"^ - Ю"6 м/сут;

б) водонапорных систем конусов выноса и Файзабадекой меж-" горной впадины в долине р. Иляк (Тадж. ССР), отличающихся резкой изменчивостью фильтрационных свойств пород и значительными вертикальными перетоками, соизмеримыми с горизонтальной составляющей потока подземных вод. Зоны аномально высоких значений вод о-

р

проводимости с Кт 1500 - 2000 м/сут, а также балансовой составляющей перетекания порядка 10"^ м/сут расположены по долине р. Иляк, которая приурочена к Илякскому разлому.

2. Созданная в пределах Файзабадекой межгорной впадины численная модель Геофильтрации и солепереноса, а также результаты прогнозирования изменения гидродинамической обстановки с оценкой качества подземных вод в условиях предложенной рациональной эксплуатации водоносных горизонтов.

3. Алгоритм, расчета геофильтрационных параметров (водопро-водимости, балансовой составляющей перетекания) и естественных ресурсов подземных вод по лентам тока стационарных гидродинамических сеток, реализованный в методической программе.

Ц. Методика численного моделирования пространственной гео^ фильтрации и массопереноса в многослойной водонапорной системе, где наблюдаются значительные вертикальные перетоки, достигающие величин, соизмеримых^ с горизонтальной составляющей потока подземных вод.

Направлениями дальнейвих исследований могут быть:

1. Разработка методов определения геофильтрационных параметров, привлекая детерминированно-вероятностный подход при построении се*ок фильтрации с применением ЭВМ.

2. Создание чиоленных моделей водонапорных систем, учиты-. вапщих физико-химическое взаимодействие раствора с породой и различие в плотностях растворов*

3. Изучение возможностей применения дистанционных методов зондирования Земли при ооздании моделей водонапорных систем.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Оценка естественных ресурсов подземных вод конусов выноса Горного Таджикистана с йомощьп Поэтажных распределение балансовых расчетов Сна прмере КалайДаятского участка);- В кн.: Пршенение математических методов для исследований гидрогеологических процессов: - Киев, 1982. - с. М - 57. - (Препринт / АН 7ССР, Ин-т Геол. наук; 82 - 2). (В соавторстве с Г,А.Шнейдерманом).

2. Расчет геофильтраЦионннх параметров методом распределенного баланса по лентам тока на ЭВМ. - Киев. - Ред. Геол. журн. -1983. - 18 о. - (Рукопись деп. в ВИНИТИ № 1909 - 63 Деп.).

3. Оценка естественных ресурсов подземных вод конуса выноса Ухтаг-Захмат (Файзабадский район, Тадж. ССР) методом распределенных балансовых расчетов с помощью ЭВМ; - Киев. - Ред. Геол. журн. - 1983. - 14 с. - (Рукопись деп. в ВИНИТИ № 5903 - 83 Деп.). (В соавторстве с Г.А.Инейдерманом).

Водоохранное прогнозирование в районах крупных химических предприятий (на примере Крымского Присивалья), - Киев, 1983. -58 с. - (Препринт / АН УССР, Ин-т геол. наук; 83 - 16).(В соавто!>-отве о В.Б.Вильнером, Б.В.Латыием, В.И.Лялько, Ю;Филипповым).

5. Численное решение на ЭВМ задач подземного массопереноса в многослойной водонапорной оиотемэ методом покомпонентной верхней релаксации //Моделирование гидрогеохимических процессов и научные основы гидрогеохимических прогнозов. - Н.: Наука, 1985. - С. 117 - 124. (В соавторстве о В.И.Лялько),

6. Методика гидрогеологических исследований при подсчете эксплуатационных запасов подземных вод конусов выноса (на при- -пере Таджикской ССР). - Киев. 1985. - <й о. (Препршт / АН УССР. Ин-т геологических наук; 85 - 24). (В соавторстве о Ю.$.Филипповым, Г. А. Шнейдерманом).

7. Методика взаимокорректировки геофильтрационных параметров с применением ЭВМ. - Киев, 1986. - 35 с. - (Препршт /

АН УССР, Ин-т геологических наук; 86 - 2). (В соавторстве о В.И.Лялько, Г.А.Шнейдерманом).

8. Численное решение вадач геофильтрации и подземного ыасоопереноса в многослойной водонапорной системе методом покомпонентной верхней релаксации // Актуальные вопросы геологии Украины. - Киев: Изд-во СОПС УССР АН УССР. 1986. - С. 131 -133. - (Материалы конференции молодых ученых ИГН АН УССР).

9. Применение дистанционных радиоволновых съемок и моделирование на ЭВМ подземного массопереноса для управления водно-солевым режииом геологической среды. - Дрезден: Изд-во Ин-та вод. хозяйства (Берлин), ЮНЕСКО, 1987. - II с. - (Материалы - ~ международного симпозиума по контроле качества и управлении"ресурсами подземных вод. Комплекс III. Математическое моделирование процессов течения и миграции подземных вод.К17). (В соавторстве с В.И.Лялько, М.М.Митшком, Л.Д.ВульфсоНом, З.М.Шпортпк).-

10. Методика гидрогеологических исследований при оценке естественных ресурсов, эксплуатационного водоотбораи качественного состава подземных вод межгорных впадин, - Киев,-1986. -

56 с. - (Препринт / АН УССР, Ин-т геологических наук? 88 - 30). (В соавторстве с Р.Ф.Филипповым, Г.А.Шнейдерманом).

11. Методика водоохранного прогнозирования в районах крупных химических предприятий // Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии районов интенсивной инженерной нагрузки и охрана геологической среды. (Тез. докл. I Всес. съезда инж. геологов, гидрогеологов и геокриоло£ов. Киев, 10 - 14 окт. 1988 г.). Часть 2. Киев: Наук, думка, 1988. - С. 97 - 99.

(В соавторстве с В.И.Лялько, Ю.Ф.Филипповым).

12. Методика комплексных гидрогеологических исследований подземных вод конусов выноса //Пробл. инж. геол..Гидрогеол. и геокриологии районов интенсивной инж. нагрузки и #храна геол; среды. (Тез. докл. I Всес. съезда инж.геол.,гидрогеол. и геокриологов. Киев, 10-14 окт. 1988). Часть к. Киев: Наук.думка, 1989.

- С. 17*1-176. (В соавторстве с Ю.Ф.$илипповыы, Г.А.Шнейдерманом).