Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема загрязнения подземных вод высокоминерализованными растворами, имеющими повышенную плотность относительно пресных пластовых вод, в последние десятилетия вызывает обеспокоенность у многих специалистов-гидрогеологов. В Российской Федерации особенно остро подобные проблемы встают в районе Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС). Начиная с середины 1980-х годов, основное негативное влияние на состояние подземных и опосредованно поверхностных вод в районах шахтных полей Березниковских (БКПРУ) и Соликамских (СКРУ) рудоуправлений оказывают техногенные рассолы, фильтрующиеся из шламохранилищ и рассолосборников вследствие образования проранов в противофильтрационных экранах. Для разработки мероприятий, связанных с предотвращением возможного ухудшения и контролем существующей гидрогеологической и гидрохимической обстановки необходимо составление прогнозов развития ореолов загрязнения подземных вод.
Другая проблема заключается в необходимости изучения гидрогеологических последствий аварийного затопления рудника 1-го Березни-ковского калийного производственного рудоуправления (БКПРУ-1), которое вызвало нарушение фильтрационного режима подземных вод, что отразилось и на составе поверхностных вод. В связи с этим необходимо выполнить прогнозные оценки изменения гидрохимической обстановки в районе г. Березники. Для этого требуется учет как естественной гидрохимической зональности подземных вод (до образования техногенного засоления), так и нарушенной, сформировавшейся к настоящему времени в результате длительной эксплуатации объектов хвостового хозяйства и аварийного события на БКПРУ-1.
Сложные геолого-гидрогеологические условия месторождения, большой объем фактического материала, а также плотностные эффекты, сопровождающие фильтрацию крепких рассолов в подземных водах, могут быть в полной мере учтены только на численных моделях. На сегодняшний момент существует множество программ, позволяющих создавать такие модели. В связи с этим требуется провести исследования по оценке точности описания потоков переменной солености с применением программ численного моделирования на упрощенных моделях, при построении которых должны учитываться специфические гидрогеологические ситуации.
Цель работы состоит в изучении и математическом описании физических процессов, сопровождающих фильтрацию рассолов в водоносных горизонтах, а также в прогнозировании загрязнения природных вод на участках расположения шламохранилищ и рассолосборников (шахтные поля БКПРУ-1 и СКРУ-3) методами численного моделирования.
Основные задачи исследования.
Изучение поведения тяжелых жидкостей (рассолов) в водоносных горизонтах на упрощенных моделях с использованием различных численных алгоритмов.
Исследование механизмов, ответственных за формирование естественной плотностной стратификации природных подземных вод уфимского водоносного комплекса применительно к территории шахтного поля БКПРУ-1.
Оценка изменения гидрогеохимической обстановки шахтного поля БКПРУ-1 в период аварии и после затопления горных выработок.
Анализ влияния рельефа кровли водоупорной соляно-мергельной толщи на развитие ореолов техногенных рассолов в надсолевои части разреза на примере района шахтного поля СКРУ-3.
Основные методы исследований. Настоящие исследования основывались:
на решении задач динамики подземных вод, описывающих потоки жидкостей переменной плотности аналитическими методами и методами численного (математического) моделирования;
на решении обратных задач при интерпретации данных моделирования фильтрации подземных вод в зонах влияния утечек рассолов из поверхностных бассейнов.
Для решения теоретических и практических задач применялись современные программные комплексы SUTRA (Voss and Provost, 2002), SEAWAT (Guo and Langevin, 2002), TOUGH2 (Praess, 1991) и DENSFLOW (П.К. Коносавский, 2002).
Научная новизна.
Усовершенствованы решения для описания положения границы раздела пресных и соленых вод при их взаимном вытеснении в напорном пласте с учетом анизотропии его фильтрационных свойств. Получено решение, описывающее изменение минерализации воды во времени при подтягивании глубинных рассолов к контуру несовершенной эксплуатационной скважины.
На базе численной модели реконструирован процесс формирования естественной стратификации подземных вод по минерализации в районе Верхнекамского месторождения. Оценена длительность данного процесса.
Установлено, что изменение режима фильтрации подземных вод в период аварийного затопления рудника БКПРУ-1 вызвало временное реабилитирующее влияние на состояние подземных вод верхних водоносных горизонтов и опосредованно поверхностных вод.
Изучены главные факторы, контролирующие формирование техногенного ореола засоления в районе СКРУ-3. Показана значимость влияния рельефа водоупорной поверхности на динамику развития ореола рассолов в верхних водоносных горизонтах.
Фактический материал и личный вклад автора.
В основу диссертационной работы положен обширный фондовый материал по геолого-гидрогеологическим условиям Верхнекамского месторождения калийных солей. Автором выполнен анализ данных режимных наблюдений за состоянием подземных и поверхностных вод за 2002-2010 гг. в пределах шахтных полей Соликамске-Березниковского промышленного узла. Автор принимал участие в полевых работах (отборы проб техногенных рассолов, откачки, гидрологические работы) в районе исследуемых объектов. Автором выполнена большая часть численных расчетов в ходе тестирования программ и поиска новых аппроксимирующих зависимостей, а также разработаны миграционные модели шахтных полей БКПРУ-1 и СКРУ-3.
Основные положения, выносимые на защиту.
Установленные закономерности пространственно-временного положения контакта пресных и соленых вод в напорном водоносном горизонте и изменения минерализации воды в несовершенных скважинах при подтягивании рассолов базируются на аналитических решениях поршневого вытеснения при наличии плотностного градиента и анизотропии фильтрационных свойств пласта.
Формирование естественной гидрохимической зональности над-солевого уфимского водоносного комплекса происходило в течение 8— 10 тыс. лет и определялось совместным протеканием процессов растворения галита с поверхности соляной залежи, молекулярной диффузии, профильной гидродисперсии и плотностной конвекции, препятствующей в сочетании с площадной инфильтрацией пресных вод засолению верхней части разреза.
Аварийное затопление рудника БКПРУ-1 вызвало изменение конфигурации существующих ореолов техногенных рассолов в надсо-левой толще пород и способствовало снижению выноса хлоридных натриевых солей в поверхностные водотоки, что подтверждается режимными наблюдениями и численным моделированием.
Формирование квазистационарного ореола растекания техногенных рассолов в районе шахтного поля СКРУ-3 определяется равнозначным влиянием естественного фильтрационного потока и уклона поверхности водоупорной толщи (кровли соляной залежи).
Достоверность полученных результатов подтверждается достаточным объемом выполненных ранее аналитических исследований потоков переменной плотности, основы которых заложены в расчетные алгоритмы программ, использованных для решения поставленных задач. Результаты исследований на численных моделях реальных объектов согласуется с данными многолетних наблюдений за состоянием поверхностных и подземных вод в районе рассматриваемых шахтных полей.
Практическая значимость работы.
Заключается в расширении возможностей использования аппарата численного моделирования при решении гидрогеологических задач, связанных с оценкой фильтрации рассолов из поверхностных бассейнов. Усовершенствованные зависимости могут быть применены для экспертных прогнозных оценок продвижения фронта соленых вод в профильно анизотропных пластах. Результаты работы могут быть использованы для разработки технологических решений, связанных с контролем и снижением техногенного засоления подземных и поверхностных вод в пределах Верхнекамского месторождения.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Первой Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной памяти В.А. Мироненко «Дерзость Надежд» (СПб, 2010), научной конференции, посвященной 75-летию кафедры гидрогеологии СПбГУ «Комплексные проблемы гидрогеологии» (СПб, 2011), VII-й ежегодной Общероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2011).
Публикации.
Основные положения диссертации отражены в шести публикациях, в том числе в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 160 страниц, включает введение, 5 глав, заключение, список источников из 113 наименований, содержит 84 рисунка и 17 таблиц.
