Введение к работе
Актуальность темы. Развитие теоретических и прикладных исследований в области геофильтрации и геомиграции в последние десятилетия во многом направлено на анализ и учет пространственно-временной неоднородности факторов, определяющих динамику подземных вод и перенос в них растворенных веществ. Достаточно плодотворным оказался подход, основанный на представлении геофильтрационных параметров строения и питания в виде случайных полей, а основных уравнений математических моделей геофильтрации и геомиграции в виде стохастических дифференциальных уравнений. Направление исследований, связанное с данным подходом, в англоязычной литературе часто называется "Стохастической подземной гидрологией" (Г. Даган, 1988). Динамичность его развития в последние 15-20 лет преимущественно в США позволила даже говорить о стохастической революции в гидрогеологии (Л. Гелхар, 1993). В то же время, в нашей стране, несмотря на выполненные в шестидесятые годы приоритетные исследования М.И. Швидлера, Є.С. Ромма и других по разработке стохастических геофильтрационных моделей, а также М.В. Раца и Л.С. Язвина в области геологического обоснования применимости стохастических моделей для описания фильтрационной неоднородности разных масштабов, данное направление в последующем не получило должного развития.
Стохастическая гидрогеодинамика в начале развивалась, в основном, как фундаментальный раздел теории геофильтрации и геомиграции. Однако, возрастающее использование подземных вод в условиях увеличивающегося дефицита водных ресурсов, актуальность и незамедлительность решения назревших гидрогеоэкологических задач, связанных с реабилитацией загрязненных подземных вод, а также и взаимовлиянием фунтовых вод с ландшафтами сделали подходы и методы стохастической гидрогеодинамики все более и более значимыми для практики. Значимость подходов и методов стохастической гидрогеодинамики определяется необходимостью ужесточения требований к информационному обеспечению практически всех видов гидрогеологических исследований, сталкивающихся с неоднородностью геофильтрационной среды. В. первую очередь это касается исследований переноса растворенных веществ, реабилитации подземных вод, а также оценки ресурсов
пресных подземных вод и обоснования их рациональной эксплуатации в природоохранном режиме с учетом гидрометеорологических процессов, имеющих вероятностный характер проявления.
Разработка расчетных стохастических моделей неоднородности и методов стохастического моделирования являются принципиально важными для гидрогеологических исследований, протекающих в объективно существующих условиях дефицита информации о водовмещающей среде и вероятностного характера временной изменчивости режимообразующих факторов. Использование стохастических принципов и подходов позволяет повысить обоснованность и достоверность гидрогеологических прогнозов, открывает возможности количественной оценки риска и неопределенности прогнозов.
Цель и задачи исследований. Основной целью работы является развитие на единой стохастической концептуальной основе теории и методов моделирования гидрогеодинамических процессов, отражающих вероятностную природу временной изменчивости питания и уровней подземных вод, а также пространственной геофильтрационной неоднородности водовмещающих пород.
Задачи исследований состояли в следующем:
1. Обоснование эффективности использования и границ применения стохастиче
ского подхода в гидрогеодинамике на основе анализа типовых гидрогеодинами-
ческих задач.
2, Создание основ корреляционной теории формирования подземного стока с ма
лых водосборов, включающей:
а) анализ временной изменчивости ресурсов подземных вод с использованием
модели с сосредоточенными параметрами типа "питание - разгрузка";
б) исследование формирования многолетних вариаций питания подземных вод с
учетом процессов трансформации осадков, выпадающих на водосбор и влаго-
переноса в почве и зоне аэрации;
в) теоретическое обоснование стохастических моделей многолетней изменчи
вости питания и уровней грунтовых вод малых водосборов провинции сезонного,
преимущественно весеннего питания;
г) развитие методов оценки расчетных характеристик питания и уровней под
земных вод заданной обеспеченности на основе применения названных стоха
стических моделей.
3. Развитие теории и методов масштабирования геофильтрационных параметров
на примере трещиноватых стохастически неоднородных водоносных пластов
при помощи:
а) обоснования корреляционной модели связи трещинной пористости и прони
цаемости;
б) теоретического исследования соотношения локальной проницаемости неод
нородного пласта с ее осредненными в пределах расчетных блоков значениями;
в) применения методов стохастической интерполяции для построения плановых
и пространственных схем геофильтрационной неоднородности трещиноватых
пластов и массивов на основе разномасштабной информации опробований от
уровня представительного объема до уровня плановой неоднородности прово
димости.
-
Стохастический анализ отдельных фундаментальных схем мифационного опробования неоднородных водоносных пластов.
-
Разработка численных и численно-аналитических методов прогноза распространения зафязнения в стохастически неоднородных слоистых водоносных пластах.
Методика исследований. Основные положения и выводы работы обосновываются теоретическими и натурными исследованиями, проведенными в связи с оценками ресурсов подземных вод, подтопления застраиваемых территорий и промышленного зафязнения подземных вод. Методика исследований включала: теоретический анализ гидрогеодинамических процессов с целью выявления факторов, требующих стохастического учета; разработку и апробацию стохастических гидрогеодинамических моделей питания, колебания уровней подземных вод и геофильтрационного строения водовмещающих отложений; применение стохастических мо-. делей при решении практических задач на конкретных объектах. Большое место в исследованиях заняла постановка, реализация и интерпретация результатов численных модельных экспериментов.
Научная новизна работы. Впервые на единой стохастической концептуальной основе рассмотрено формирование пространственно-временной неоднородности полей гидрогеодинамических параметров строения и питания подземных вод, разработаны способы их масштабирования и задания в расчетных моделях, обоснованы методы изучения и прогнозирования гидрогеодинамических процессов с исполь-
л-нг/
зованием моделирования. В работе получен ряд оригинальных новых результатов, в том числе следующие.
-
Обоснована модель локальных потоков подземных вод с сосредоточенными параметрами, позволяющая отразить природу стохастической изменчивости питания подземных вод. При помощи данной модели установлены закономерности временной изменчивости разфузки подземных вод и количественно охарактеризованы факторы, определяющие ее динамику.
-
Предложены корреляционные модели многолетней изменчивости питания, колебания уровней и разгрузки грунтовых вод для провинции сезонного, преимущественно весеннего питания, обеспеченные методикой оценки параметров моделей. Для такой оценки используются данные об изменчивости осадков, температур, средних глубин залегания и колебаний уровней грунтовых вод и геофильтрационных свойств зоны аэрации.
-
Установлена теоретически корреляционная связь трещинной пористости и проницаемости хаотически трещиноватых водовмещающих сред и обоснована методика учета данных параметров в гидрогеодинамических расчетах, повышающая достоверность прогнозов переноса загрязнения в трещиноватых водоносных пластах и массивах на основе комплексного использования разномасштабных данных опытного геофильтрационного опробования и статистических характеристик параметров трещиноватости.
-
Для конечноразностного моделирования геофильтрации в неоднородных водоносных пластах предложен принцип задания расчетных параметров проницаемости и проводимости и получены соответствующие зависимости, позволяющие учесть неоднородность поля локальной проницаемости, имеющую пространственный масштаб, соизмеримый с размерами блоков модели.
-
Обоснован метод масштабирования данных полевого геофильтрационного опробования для оценки расчетной проводимости пласта путем степенного взвешивания переменного в вертикальном сечении коэффициента фильтрации (проницаемости). Получена связь параметра степени с характерными размерами блоков расчетной конечноразностной сетки и статистическими характеристиками неоднородного поля проницаемости.
-
Разработаны численные и численно-аналитические методы прогнозов распространения загрязнения в стохастически неоднородных водоносных пластах, по-
зволяющие учитывать в моделях повышенную плотность загрязнителя, рассеивание загрязнения в неоднородном потоке подземных вод путем введения расчетного параметра дисперсивности и особенности миграции в горизонтально слоистых пластах.
Личный вклад автора. Приведенные в диссертационной работе исследования являются в основном продуктом самостоятельных исследований автора. Динамический анализ модели потока сосредоточенной емкости и вывод уравнений потока переменной плотности в слоистых пластах проведен совместно с В.М. Шестаковым. При выводе уравнений для поля скоростей в пласте с кольцевым включением применено преставление функций напора в цилиндрической системе координат, предложенное В. Г. Корнеевым.
Практическая значимость и реализация результатов. Результаты работы использовались при оценке естественных ресурсов подземных вод на месторождениях конусов выноса предгорных равнин аридной зоны, при оценке подтопления застраиваемых территорий ряда городов и крупных промплощадок. Разработки, приведенные в диссертации, применяются в работах по прогнозу, мониторингу и ликвидации радиоактивного загрязнения подземных вод на территории ПО Маяк, в которых автор участвовал в рамках выполнения Государственной программы по реабилитации радиоактивно зараженных территорий. Результаты практического использования разработок автора отражены в научно-технических и производственных отчетах кафедры гидрогеологии МГУ, ПНИИИС Минстроя России, ГГП Гидро-спецгеология.
Материалы диссертационных исследований послужили основой для разработки учебных программ и конспектов лекций по курсам "Геогидрология" и "Стохастическая гидрогеодинамика", читаемых автором для студентов и магистрантов кафедры гидрогеологии МГУ.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедр гидрогеологии МГУ и ЛГИ, отдела гидрогеологических исследований ПНИИ-ИСа, отдела наук о Земле Лаборатории им. Лоуренса университета штата Калифорния, США, Ломоносовских Чтениях Геологического факультета МГУ. Основные положения диссертации были доложены на всесоюзных и международных научных конференциях и семинарах, включая 2 Всесоюзную конференцию по гидрогеологии, инженерной геологии и мерзлотоведению - г. Киев, 1988, 1 Советско-американский
симпозиум по гидрогеологии и гидрологии - г. Ленинград 1992, 1 и 2 Семинары Русско-американского Центра по изучению переноса загрязнения - г. Беркли 1993 и 1994, Ежегодный съезд Американского Геофизического Союза - г. Сан-Франциско 1994, 10 Международную конференцию по численным методам в водных ресурсах -г. Гейдельберг 1994, Международную школу-семинар НАТО по проблемам реабилитации подземных вод от загрязнения - г. Анталия 1995.
Публикации. По результатам исследований опубликовано и сдано в печать 40 работ.
Структура диссертационной работы. Работа состоит из трех частей и текстовых приложений. Первая часть является преимущественно компилятивной. В ней рассматривается развитие и становление стохастической гидрогеодинамики, как научного направления в гидрогеологии, анализируются концепции, заложенные в основу данного направления и обосновывается эффективность использования стохастического подхода в гидрогеодинамике.
Вторая часть представляет собой результаты теоретических исследований и стохастического геогидрологического моделирования, проведенных автором для изучения природы многолетней изменчивости питания, разгрузки, колебаний уровней фунтовых вод и обоснования стохастических моделей названных процессов.
В третьей части рассмотрены предложенные автором подходы и результаты применения стохастического моделирования к масштабированию геофильтрационной неоднородности от уровня представительного объема фильтрующей трещиноватой среды до уровня проводимости неоднородного водоносного пласта, а также методы учета неоднородности при ее стохастическом описании в прогнозных геофильтрационных и миграционных моделях.
В приложении 1 на основе обоснованных в работе принципов анализа временной изменчивости ресурсов подземных вод изложена стохастическая постановка и результаты решения важной практической задачи, связанной с прогнозом риска переполнения системы водоемов-накопителей токсичных отходов, созданных на реке Тече (ПО Маяк), с учетом их взаимосвязи с подземными водами и работы прогнозируемого берегового водозабора. Приложение 2 содержит анализ многолетней изменчивости питания подземных вод, проведенный с использованием предложенных автором принципов и подходов, в пределах Мишеляк-Течинского междуречья (ПО Маяк). В приложении 3 приведен численно-аналитический анализ ду-
-V :' : *
плетного фильтрационного и миграционного опробования пласта с кольцевым включением. Остальные приложения содержат вывод вспомогательных зависимостей необходимых для решения отдельных вопросов реферируемой работы.
В Заключении в развернутом виде сформулированы основные выводы по диссертационной работе. По-видимому, часть из них представляет собой интерес в основном для узкопрофессионального сообщества специалистов, занимающихся развитием стохастической гидрогеодинамики. Поэтому представляется целесообразным сформулировать в наиболее общей форме те итоги работы (защищаемые положения), которые могли бы служить псновой для более широкой дискуссии при публичной защите.
1. Анализ процессов формирования подземного стока позволил теоретически
обосновать вид моделей многолетней изменчивости питания, уровней и разгруз
ки подземных вод. При этом многолетняя динамика инфильтрационного литания
провинции сезонного, преимущественно весеннего питания может быть пред
ставлена в виде некоррелированной последовательности значений случайной
величины среднегодового питания. Многолетние же колебания уровней и раз
грузки грунтовых вод малых водосборов имеют тенденцию к автокорреляции и
могут быть описаны в рамках стохастической модели простого Марковского про
цесса, инерционность которого определяется геофильтрационным строением
потока подземных вод. Для оценки параметров предлагаемых стохастических
моделей достаточно во многих случаях совместного корреляционного анализа
стандартных данных наблюдений за уровнями подземных вод, модулями раз
грузки и осадками, выпадающими на водосбор. Уточнение этих параметров мо
жет быть осуществлено на основе стохастического моделирования геогидроло
гических процессов.
2. Выбор расчетных величин обеспеченности питания и начальных уровней при
обосновании гидрогеодинамических прогнозов использования подземных вод
для водоснабжения, расчетов водопонижения и дренажа должен в сильной сте
пени зависеть от динамичности естественных ресурсов рассматриваемого бас-.
сейна стока. В качестве ведущего показателя многолетней динамики ресурсов
предлагается применять обобщенный по водосбору коэффициент автокорреля
ции уровней смежных лет, полученный по скважинам, лежащим вне зоны гидро
логического режима. Основной принцип обоснования расчетных величин заклю-
чается в использовании более жестких оценок для начального значения уровня, чем для питания при его существенной автокорреляции. При слабой же автокорреляции уровня более существенной является оценка обеспеченности величины питания.
-
При решении гидрогеоэкологических проблем, связанных с прогнозом переноса загрязнения в подземных водах, существенно повышаются требования к оценке пространственной неоднородности геофильтрационных свойств водоносных пластов в сравнении с работами, направленными только на количественную характеристику и эксплуатацию ресурсов подземных вод. Поэтому при оценке параметров, наряду с традиционно используемыми полевыми методами, имеющими существенный масштаб пространственного осреднения, важнейшей задачей является изучение фундаментальных свойств геофильтрационной неоднородности локальных параметров водоносных пластов (дисперсии логарифмов проницаемости, ее пространственных масштабов корреляции, взаимной корреляции с пористостью и тд.). При этом переход от локальных значений к расчетным параметрам сеточных моделей следует осуществлять при помощи методов масштабирования, разработанных в представленной работе.
-
Гидрогеоэкологические прогнозы распространения загрязнения в формациях трещиноватых водонасыщенных пород в рамках модели конвективно-дисперсионного переноса в отличии от формаций поровых пород должны выполняться с учетом связи параметров трещинной пористости (пустотности) и проницаемости. Эту связь из-за трудностей определения характеристик раскрытия трещин в массиве эффективно описывать в рамках предложенной автором корреляционной модели. Для построения плановых и пространственных схем геофильтрационной неоднородности предлагается использовать результаты комплексной интерпретатации данных полевых опытно-фильтрационных опробований и замеров густоты трещиноватости в скважинах на основе разработанной автором методики. При обосновании опытно-миграционных работ следует учитывать связь пористости и проницаемости на этапах планирования и совместной интерпретации фильтрационной и миграционной частей опыта для повышения его достоверности.
Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность профессору В.М. Шестакоеу, оказавшему решающее влияние на формирование егс
мировоззрения. Цельности представлений о стохастической гидрогеодинамике во многом способствовали обсуждении и дискуссии с М.В. Болтовым, Дж. Вангом, Г.А. Коммунаром, А.В. Леховым, В.А. Мироненко, В.Г. Румыниным, СМ. Чесаловым, М.И. Швидлером, Б.А. Шмагиным. Весьма плодотворными для автора были постоянные рабочие контакты с представителями ГГП Гидроспецгеология Л.М. Самсоновой и Н.Е. Васильковой. Пользуясь случаем, автор хотел бы особо поблагодарить своих коллег и соавторов: Е.С. Дзекцера, А.А. Колесова, P.M. Никитина, С.Л. Степанище-ва, Ч.Ф. Тзанга, И.Ф. Фиделли, а также всех сотрудников кафедры гидрогеологии МГУ, отдела гидрогеологических исследований, и сектора компьютерного моделирования ПНИИИСа, оказывавших ему постоянную поддержку на протяжении многих лет.
Завершению реферируемых исследований в виде диссертационной работы частично способствовали гранты РФФИ: №93-05-89-21, №96-05-64525 и Международного Научного Фонда: №JGH100, №ZEC0OO.