Введение к работе
Актуальность работы. Окружающая среда как многокомпонентная система по своему строению весьма сложна, и ее изучение в условиях интенсивной техногенной нагрузки - сложная комплексная задача, актуальность которой в последнее время вызвана все более интенсивным использованием гидроминеральных ресурсов и воздействием на биосферу. Довольно часто такое воздействие приводят к самым негативным неуправляемым процессам, ликвидация которых требует пересмотра принятых первоначально технологических решений, привлечения дополнительных финансовых вложений и длительных сроков реабилитации.
Следует отметить, что сложность, масштабность и неповторимость природных объектов создают довольно серьезные проблемы, связанные не только с построением системы управления геологическими объектами, но и с их изучением вообще. Долгое время с этой целью использовалось физическое и аналоговое моделирование, однако сложность и трудоемкость построения таких моделей ограничивали область их применения.
С развитием вычислительной техники, персональных компьютеров, отмечается повсеместный переход к математическим моделям. Математические модели строятся на принципах сохранения энергии или баланса, чаще всего это, так называемые, динамические модели, в основе которых лежит описание объекта дифференциальными уравнениями с определяемыми по эмпирическим данным параметрами.
Оценка параметров математических моделей задача довольно сложная, но, учитывая возможности компьютерной техники вполне выполнимая. Имея некоторую ретроспективу и располагая методологией, возможно осуществить направленный поиск параметров, создавая модели высокой точности.
Построение точных моделей очень важно с позиций изучения физики объекта и оценки эксплуатационных запасов, но основная задача все-таки -обоснование и разработка системы оперативного управления. Только при наличии системы оперативного управления, в случае активизации каких-либо негативных техногенных процессов, возможно своевременное их выявление и реализация необходимых мероприятий, обеспечивающих минимальное экологическое воздействие.
С позиций математики решение дифференциальных уравнений типа теплопроводности в настоящее время не представляет особых трудностей. Более серьезной проблемой является оценка коэффициентов модели. Здесь намечается некоторое отставание существующих методов от общего уровня.
Целью работы является повышение точности оценки параметров водоносных горизонтов для моделирования гидрогеологических процессов водонапорных систем, обоснование системы управления крупным централизованным источником водоснабжения Мангышлакского территориально-промышленного комплекса.
Развитие нефтедобывающей промышленности полуострова Мангышлак (Восточное побережье Каспийского моря, Р. Казахстан) приводит к увеличению потребности в воде питьевого и технического качества. Отсутствие на полуострове естественных поверхностных водоисточников обусловило создание сложной и дорогостоящей системы водоснабжения, основанной на использовании дистиллята опреснительных установок морской воды и слабосолоновагых артезианских подземных вод альб-сеноманского водоносного комплекса месторождения "Куюлус". Интенсивный водоотбор из водоносных горизонтов месторождения приводит к систематическому снижению уровня подземных вод и истощению эксплуатационных запасов. Кроме того, интенсификация отбора нефти требует увеличения объемов закачки воды в продуктивные пласты для поддержания пластового давления. Для этих нужд предполагается также использовать подземные воды.
Увеличение нагрузки на рабочие водоносные горизонты, а также существенное изменение природной гидродинамической обстановки региона, требует создания постоянно действующей математической модели аргезианского бассейна и на ее основе системы оперативного управления водоотбором с целью обеспечения наиболее оптимальных условий эксплуатации подземных вод. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Анализ опыта многолетней эксплуатации водозабора "Куюлус-Меловое" и изучение негативных техногенных процессов, сопровождающих эксплуатацию водоносной системы.
2. Выбор, обоснование структуры математической модели, наиболее полно отражающей геолого-технические особенности месторождения, и построение математической модели альб-сеноманского водоносного комплекса «Куюлус-Меловое».
3. Разработка алгоритмов корректировки (уточнение) параметров модели на основе фактических ретроспективных данных.
4. Разработка рекомендаций по эксплуатации водозаборных сооружений, обеспечивающих наиболее рациональные режимы эксплуатации управляемого объекта и минимальную экологическую нагрузку на геосистему.
Методика исследований заключалась в комплексном анализе материалов по геолого-гидрогеологическим условиям объекта с применением их статистической обработки, а также в гидравлических расчетах и моделировании на ЭВМ.
Новизна научных результатов. Для Южно-Мангышлакской водоносной системы были построены и уточнены плоско-пространственная и пространственная геофильтрационные математические модели, оптимальный диапазон критерия устойчивости модели для явных схем при квантовании по времени. Предложен алгоритм адаптации коэффициентов модели, позволяющий наиболее адекватно обосновать структуру модели и параметры, их временную изменчивость. Разработаны рекомендации по оптимизации гидродинамического режима эксплуатации системы водозаборов.
Внедрение результатов диссертации. Результаты диссертации использовались при составлении технологической схемы эксплуатации водозабора "Куюлус" и переоценки эксплуатационных запасов подземных вод, при выполнении расчетов, связанных с подсчетом эксплуатационных подземных вод Кисловодского месторождения (протокол ГКЗ РФ №826).
Структура работы. Диссертация состоит из «Введения», четырех глав, «Заключения» и «Библиографии».
В первой главе дается описание геолого-гидрогеологического строения водоносной системы и краткая технологическая схема водозабора. Необходимость изложения этой главы вызвана спецификой объекта.
В главе освещены особенности эксплуатации месторождения подземных вод "Куюлус", дается анализ нарушенного эксплуатацией гидродинамического режима геосистемы, характеристика техногенных процессов, протекающих в зоне влияния водозаборных скважин.
Во второй главе изложена проблема моделирования геофильтрационных процессов в гидродинамике, приводится система исходных дифференциальных уравнений и граничных условий, система допущений, принимаемых при построении моделей, оценка эффективности использования явных методов решения конечно-разностных схем.
В главе рассмотрены долгосрочные и краткосрочные модели водоносных систем, область использования их в практических задачах. Уточнена модель Южно-Мангышлакского артезианского бассейна. В ней дается постановка задачи, исходная система дифференциальных уравнений, блок-схема программы, предложен алгоритм реализации в зависимости от назначения модели.
В третьей главе изложен алгоритм корректировки параметров модели, обеспечивающий максимальную сходимость модельных и фактических данных.
В четветой главе описан способ разработки рекомендаций по оптимизации режима водозабора «Куюлус», направленного на максимальное снижение экологической нагрузки на регион.
Библиография включает 111 наименований.
В процессе шестилетних научных исследований автором обобщен и проанализирован отечественный и зарубежный опыт по вопросам построения математических моделей геофильтрации. При непосредственном участии автора выполнены анализ результатов полевых работ и обоснование фильтрационных свойств горизонтов, используемых при построении модели. Результаты исследований отражены в отчете № 04.96.01. "Исследования динамики и состава подземных вод водоносных горизонтов водоисточника "Куюлус", разработка мер по предупреждению его истощения и загрязнения" по договору, заключенному между Мангышлакским энергокомбинатом (заказчик) и МП гидрогеологическая лаборатория "Экогеология" (исполнитель), в «Отчете об эксплуатационных запасах подземных вод Березовского участка Кисловодского месторождения». Кроме того, результаты исследований докладывались на межреспубликанской научной конференции "Управление в социальных, экономических и технических системах" (г. Кисловодск), в пяти научных статьях, в монографии и настоящей диссертации.
Работа выполнена под руководством доктора технических наук, профессора И.М. Перший.
При выполнении диссертационной работы автор пользовался поддержкой со стороны сотрудников кафедры гидрогеологии Московской геологоразведочной академии. Большую помощь в выполнении исследований оказали кандидат геолого-минералогических наук А.В. Малков, а также сотрудники Мангышлакского атомного энергокомбината. Пользуясь случаем, автор выражает всем искреннюю признательность.
