Введение к работе
Актуальность.
Гидролитосфера - это одна из основных оболочек биосферы, от сохранения целостности которой во многом зависят все живые существа. Крайне неблагоприятная ситуация с поверхностными водами, желание иметь надежные и качественные водоисточники, утилизация отходов, интенсивная добыча минеральных ресурсов - основные причины серьезного антропогенного воздействия на гидролитосферу, принимающего в настоящее время угрожающие масштабы. Дефицит водных ресурсов питьевого качества приобретает сегодня масштабы глобальной экологической катастрофы. Системы водоснабжения выдают колоссальные и все возрастающие объемы сточных вод, размещение которых в гидролитосфере традиционными методами сопряжено с экономическими и энергетическими затратами, опасностью загрязнения окружающей природной среды, вспышками эпидемий. Основным итогом природопользования является истощение и загрязнение водных ресурсов, нарушение природных круговоротов и рассеяние вещества, рост энтропии биосферы. Сегодня всерьез говорят о возможности изменения глобального круговорота воды, последствия которого трудно предсказать и оценить. В связи с этим одной из первоочередных задач, внимание к которой постоянно возрастает, является рациональное и экологически безопасное использование природных ресурсов, диагностика состояния гидролитосферы, прогноз развития техногенных процессов и управление ими.
Современное состояние исследований в этой области характеризуется увеличением масштабности, и во многих случаях исследования рассматриваются в региональных аспектах. Именно этим вызвана постоянная необходимость в усложнении постановки и методов решения практических задач, которые еще больше усложняются в связи с возросшими требованиями к вопросам охраны окружающей среды и рационального использования недр. Гидролитосфера как многокомпонентная система по своему строению весьма сложна, и ее изучение в условиях интенсивной техногенной нагрузки сложная комплексная задача.
Интенсивное использование минеральных ресурсов и воздействие на гидролитосферу довольно часто приводят к развитию негативных неуправляемых процессов, ликвидация которых в ряде случаев требует пересмотра принятых первоначально технологических решений, привлечения дополнительных финансовых вложений и длительных сроков реабилитации.
Естественно, предупреждение нежелательных ситуаций более предпочтительно, чем ликвидация причин, вызвавших их, но в этом случае необходимо располагать методологической базой, позволяющей осуществлять систематическую оценку сложившейся ситуации и своевременно прогнозировать ее развитие на некоторую перспективу в зависимости от технологических режимов эксплуатации. Иными словами, гидролитосферные процессы должны рассматриваться как объекты управления со всеми присущими элементами и связями управляемых объектов.
Учитывая сложившуюся экологическую ситуацию в верхней гидродинамической зоне гидролитосферы, актуальность этого направления сложно переоценить и дальнейшее развитие его является важной народнохозяйственной задачей.
Цель и задачи исследований.
Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие и совершенствование теоретических основ управления природными геологическими объектами в условиях интенсивного техногенного воздействия, повышение точности и оперативности процессами эксплуатации, обоснование условий разработки, обеспечивающих минимальную экологическую нагрузку на гидролитосферу.
Цель достигается системным анализом процессов, влияющих на гидролитосферу, разработкой методов повышения точности построения пространственных (плоско-пространственных) математических и гидравлических моделей водоносных систем, внедрением методов оперативного управления, основанных на принципах отрицательной обратной связи и современных методов изучения геологической среды.
Достижение цели требовало решение следующих задач.
-
Разработка и совершенствование теоретических основ и методов полевых опытно-фильтрационных исследований с целью определения гидродинамических параметров геологической среды, в том числе и методов изучения фильтрационных свойств геологического разреза с использованием скважинной расходометрии.
-
Разработка и теоретическое обоснование методов верификации пространственных и плоско-пространственных математических и гидравлических моделей водоносных систем по данным эпигноза.
-
Эколого-гидродинамическое районирование объекта с целью обоснования целевой функции и предельных режимов эксплуатации.
-
Разработка системы оперативного управления техногенными процессами на природных геологических объектах, обеспечивающих минимальное экологическое воздействие.
Методы исследования и достоверность полученных результатов
В работе использовались численные методы математического моделирования, гидравлические, методы теории автоматического управления, многофакторного регрессионного анализа, геофизические (сейсмические) методы изучения геологической среды, опытно-фильтрационные исследования, скважинная расходометрия.
Достоверность полученных научных положений и выводов доказана теоретическим обоснованием, подтверждена согласованием с результатами полевых опытно-фильтрационных работ и экспериментальных исследований на объектах (Куюлусское месторождение артезианских вод, Ки-словодское месторождение лечебных углекислых минеральных вод, Березовское месторождение углекислых минеральных вод).
Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту
-
Особенности динамики водопритока в скважину при квазистационарном режиме фильтрации в условиях гидравлически связанных водоносных горизонтов. Усовершенствованные методы обработки полевых опытно-фильтрационных исследований кустовых и одиночных скважин. Оценка точности существующих методов обработки данных опытно-фильтрационных исследований.
-
Усовершенствованные методы послойного изучения фильтрационных и емкостных параметров коллекторов на основе скважинной расходометрии.
-
Методы определения модуля вертикального водообмена (перетока) и верификации математических моделей геофильтрации по данным эпигноза.
4. Гидравлический метод прогнозирования гидродинамических процессов в сложных гид
рогеологических условиях.
5. Методы оперативного управления техногенными процессами в гидролитосфере на осно
ве теории автоматического управления.
Научная новизна
-
Разработана методика обработки полевых опытно-фильтрационных исследований с целью определения емкостных и фильтрационных свойств водовмещающих отложений и разделяющих слоев при наличии гидравлической связи и активного вертикального водообмена между смежными водоносными горизонтами для условий квазистационарного режима фильтрации, усовершенствованы существующие методы изучения фильтрационных свойств коллекторов.
-
Дано теоретическое обоснование методики интерпретации полевых опытных работ по схеме временного прослеживания для изучения фильтрационных свойств геологического разреза с использованием скважинной глубинной расходометрии.
-
Предложено универсальное решение для подсчета запасов подземных вод методами гидравлики.
-
Разработана методика верификации математических моделей, основанная на итерационной процедуре данных эпигноза, методика определения модуля вертикального водообмена.
-
Впервые для Куюлусского месторождения разработана оперативная система управления режимами эксплуатации водозаборных скважин.
6. Впервые для Кисловодского месторождения выполнено эколого-гидродинамическое
районирование, количественно установлены гидродинамические параметры водоносных горизон
тов, параметры гидравлического взаимодействия горизонтов, модули вертикальных перетоков.
7. Впервые построена плоско-пространственная математическая модель Кисловодского ме
сторождения минеральных вод, установлены особенности формирования химического состава
подземных вод, закономерности гидродинамического режима и режимообразующих факторов.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Основные результаты работы использовались при оценке эксплуатационных запасов подземных минеральных вод базы отдыха «Ивушка» (Р. Казахстан, протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых СССР № 278 от 28.11.1994 г.). Березовского и Кисловодского месторождений лечебных минеральных углекислых вод (протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых РФ № 827 от 20.04.2002 г., протокол ГКЗ РФ № 1442 от 31.08.2007 г.). Разработанные положения могут использоваться при оценке запасов подземных вод, построении математических моделей и систем управления на других геологических объектах.
Апробация, публикации
Результаты работ докладывались на научно- технических конференциях:
-
Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (г. Киев 1988г.);
-
Научно-практической конференции "Экология и энергосбережения" (г. Пятигорск, 2001г.);
-
Всероссийской научной конференции "Современные проблемы гидрогеологии и гидро-геомеханики" (г. Санкт-Петербург 2002г.);
-
Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (Санкт-Петербург 2005г.);
-
Международной научной конференции «Системный анализ и прикладная синергетика» (г. Пятигорск, 2006 г.);
-
Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (г. Пятигорск, 2009 г.).
По теме работы опубликовано 37 научных публикаций, в том числе две монографии.
