автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему: Системный анализ гидролитосферных процессов региона г. Лермонтова

Автореферат диссертации по теме "Системный анализ гидролитосферных процессов региона г. Лермонтова"

На правах рукописи

ЦАПЛЕВА ВАЛЕНТИНА ВИКТОРОВНА

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ГИДРОЛИТОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ РЕГИОНА Г. ЛЕРМОНТОВА

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Управление и информатика в технических системах» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пятигорский государственный гуманитарно-технологический университет»

Научный руководитель (консультант): доктор технических наук,

Колесников Анатолий Аркадьевич, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге, заведующий кафедрой синергетики и процессов управления

Ефимов Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) в г. Новочеркасске, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции и теплотехника»

Ведущая организация: ФГУГП «Гидроспецгеология»

Защита диссертации состоится «22» ноября 2012 г. в 14 часов 20 минут на заседании диссертационного совета Д 212.208.22 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ) по адресу: 347928, Ростовская область, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Южный федеральный университет».

Малков Анатолий Валентинович

Ученый секретарь диссертациионного совета, д.т.н., профессор

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Основу курортных ресурсов Кавказских Минеральных Вод (КМВ) составляют минеральные воды. Разнообразные источники загрязняющих веществ наносят водным ресурсам огромный вред.

Разведка и разработка урановых месторождений на склонах горы Бештау значительно повлияли в первую очередь на состояние подземных вод региона гЛермонтова и на радиационном, и экологическом состояние всего региона КМВ. На участке южного склона горы Бештау в донных отложениях и почвах дачных участков выявлены концентрации радионуклидов, в подавляющем числе случаев, превышающие допустимые значения. Поэтому, несмотря на то, что регион Лермонтов является месторождением лечебных минеральных вод, использование минеральных вод этого месторождения ограничено. В процессе эксплуатации происходит систематическое снижение динамических уровней, тем самым осложняются как условия разработки месторождения, так и общая экологическая ситуация в районе. При падении уровня давления до некоторого критического, происходит попадание радиоактивных отходов в гидролитосферу. В этом случае, гидролитосферные процессы должны рассматриваться как объекты управления.

В работе предложена методика управления уровнем водоносного горизонта в эксплуатационных скважинах, обеспечивающих заданное понижение уровня водоносного горизонта на Бештаугорском месторождении минеральных вод, при котором не будут нарушаться качественные показатели минеральной воды.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательской тематики связанной с дальнейшим геологическим изучением Бештаугорского месторождения минеральных вод.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы является:

- системный анализ гидролитосферных процессов региона г. Лермонтова;

- составление прогнозных моделей развития гидролитосферных процессов рассматриваемого региона.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

- Выделены основные факторы, влияющие на гидролитосферу рассматриваемого региона.

- Разработаны математические модели, описывающие

взаимосвязи гидроминеральных «пластов», грунтовых вод и техногенных отходов.

- Разработаны системы оперативного контроля и управления гидродинамическим режимом и качественными показателями минеральных вод.

- Составлены долгосрочные прогнозы развития гидролитосферных процессов.

Методы исследования и достоверность полученных результатов

В работе использовались численные методы математического моделирования, методы теории автоматического управления, глубинная скважинная расходометрия.

Достоверность полученных научных положений и выводов доказана теоретическим обоснованием и подтверждена согласованием с результатами полевых опытно-фильтрационных работ и экспериментальных исследований на объектах (Бештаугорского месторождения минеральных лечебных вод).

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. математические модели, описывающие взаимосвязи основных техногенных факторов и параметров гидролитосферы рассматриваемого региона;

2. методика расчета максимально возможных уровней понижения депрессионной воронки для региона г. Лермонтова, при которых не нарушаются качественные показатели минеральной воды;

3. методика определения количества радиоактивных отходов, которое может попадать при эксплуатации водоносного горизонта без нарушения гидродинамики пласта;

4. синтезированная распределенная система управления водозаборными скважинами.

Научная новизна работы

1. Выявлены основные факторы, влияющие на гидролитосферу региона г. Лермонтова.

2. Математически описаны взаимосвязи основных факторов и параметров гидролитосферы рассматриваемого региона.

3. Рассчитаны максимально возможные уровни понижения депрессионной воронки для региона г. Лермонтова, при которых не нарушаются качественные показатели минеральной воды.

4. Синтезирована распределенная система управления параметрами депрессионной воронки.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Все методики, рассмотренные в работе, доведены до конкретных конструктивных предложений и могут быть использованы в инженерной практике исследования гидроминеральных «пластов» различного региона КМВ.

Указанные методики построения математических моделей распределенных процессов внедрены в учебный процесс Пятигорского государственного гуманитарно-технологического университета по специальности 220201.65 «Управление и информатика в технических системах» (используются в курсовом и дипломном проектировании).

Разработанные положения могут быть использованы при построении математических моделей и систем управления на других геолого-гидрогеологических объектах. Результаты работы использовались при оценке эксплуатационных запасов.

Апробация работы, публикации

Результаты работ докладывались на научно-технических конференциях:

1. Международная научная конференция «Системный синтез и прикладная синергетика» (г. Пятигорск, 2009)

2. XI региональная научно-практическая конференция «Дни науки» (г. Пятигорск, 2010)

3. Национальный научный форум «Нарзан-2011» (г. Кисловодск,

По теме работы опубликовано 9 научных статей.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 141 наименование, 3-х приложений. Содержание работы изложено на 149 страницах, содержит 37 рисунков, 5 таблиц.

II СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обосновывается актуальность проблемы управления техногенными процессами в гидролитосфере, поставлены цели и задачи исследования, выделены объект и предмет исследования, научная новизна, практическая ценность работы и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе «Описание гидролнтосферных объектов»

рассматриваются процессы фильтрации, описаны гидродинамические

законы движения воды, особое внимание уделено взаимосвязи: Техногенные отходы-Грунтовые воды-Гидролитосфера, а именно региональным закономерностям формирования качества подземных вод, рассмотрены модели массопереноса и определение геомиграционных параметров.

Приведен обзор существующих на сегодняшний день методов описания гидролитосферных объектов и проблем, с которыми сталкиваешься при решении задач миграции в сложных природных условиях, да и при моделирования в гидрогеодинамике в общем.

Во второй главе «Описание объекта исследования» даны общие сведения Бештаугорского месторождения минеральных вод, которое дифференцировано на пять участков. Приведена схематическая карта месторождения. В геологическом строении принимает участие комплекс осадочных пород от верхнеюрских до палеогеновых, прорванных нижнемиоценовой интрузией г. Бештау, внедрение которой сопровождалось образованием многочисленных, главным образом радиальных и диагональных разломов, и зон повышенной трещиноватости пород. На рис. 1 представлены гидрогеологические подразделения в районе г.Лермонтова.

Рис. 1. Вертикальный разрез Бештаугорского месторождения

Объектом управления выбран верхнемеловой водоносный горизонт Бештаугорского месторождения минеральных вод, на котором добыча минеральной воды осуществляется пятью эксплуатационными скважинами, а измерение уровня понижения давления с помошью пяти наблюдательных скважин.

Для оценки состояния окружающей среды региона г. Лермонтова были исследованы данные о загрязнении техногенными отходами следующих ресурсов:

• Шахтных (технических) вод.

Для оценки влияния техногенных отходов на гидролитосферу в целом необходимо было в первую очередь оценить уровни загрязненности территорий, влияния горных выработок и отвалов на загрязнение подземных вод.

Одним из источников техногенного загрязнения подземных вод региона Лермонтова являются подземные выработки (штольни) и отвалы высокорадиоактивных гранитоидных пород из них на г. Бештау, а также карьеры, разрабатываемые для добычи строительных материалов.

На юго-западе г. Бештау один из таких отвалов находится южнее устья штольни № 32 у подножья г. Шелудивой. Его западный и южный откосы граничат с садовыми участками. Площадь отвала составляет 90 тыс. м2. В юго-восточной части г. Бештау расположены штольни № 42 и № 16 с отвалами, составляющими ориентировочно 56 и 26 тыс. м3 соответственно. Отвалы штольни 42 мало отличаются по радиоактивности от вмещающих гранитов, достигая лишь на локальных (1-3 м2) участках значений 80-100, иногда до 120 мкР/ч (по радиометру). Штольня 16 имеет два отстойника рудничных вод и достаточно высокий уровень радиоактивности отвала, достигающий от 40-60 до 120-150 мкР/ч, а в отдельных пятнах до 250 мкР/ч (по радиометру).

К юго-западу от приустьевого участка расположены два отстойника штольневых вод, площадью 525 кв. м и 1150 кв. м, которые практически целиком оконтуриваются изолинией в 0,6 мкЗв/ч, с максимумами мощности дозы по берегам до 0,85-0,94 мкЗв/ч. Придонные отложения отстойников представлены желевидно-коллоидной формой накапливаемых илов, которые, по сути, являются среднеактивными жидкими радиоактивными отходами, так как илы содержат первые проценты урана (1,54 - 2,22%).

Подведя итоги по общей оценки влияния техногенных отходов на подземные воды, радионуклидов в первую очередь, можно отметить, что подземные воды г. Бештау характеризуются как комплексным насыщением ЕРН, так и моноэлементным, достигая чрезвычайно опасных уровней для питьевых вод.

Но так как заборные скважины расположены в некотором

отдалении от Г.Бештау, то поэтому эти источники загрязнения имеют влияния на качественные показатели добываемой минеральной воды. Поэтому регулирование уровня водоносного горизонта связано с тем, что именно этот параметр оценивается как один из основных при изучении гидролитосферных процессов, т.к., при достижении уровнем некоторого критического значения происходит попадание радиоактивных отходов в гидролитосферу.

Постановка задачи исследования на физическом уровне следующая: имеется пять эксплуатационных и пять наблюдательных скважин, требуется синтезировать закон управления уровнем водоносного горизонта в эксплуатационных скважинах, используя частотный метод синтеза, обеспечивающий заданное (минимальное) понижение уровня водоносного горизонта в наблюдательных скважинах.

Третья глава «Математическая модель объекта исследования».

Водоносный горизонт - это объект с распределенными параметрами. Поведение такого объекта существенно зависит не только от времени, но и от пространственных координат. Математическая модель такого объекта описывается сложными дифференциальными уравнениями в частных производных, при этом параметры, входящие в модель, зависят от пространственных координат (скорость движения в водоносном горизонте, коэффициент фильтрации И.Т.П.).

Модель представляет собой двухслойную толщу, разделенную относительно водоупорными отложениями, на два водоносных горизонта. Верхний горизонт является грунтовым, нижний - напорным. Между горизонтами имеется гидравлическая связь, характеризующаяся параметром перетекания. Верхний горизонт имеет инфильтрационное питание за счет атмосферной влаги.

Забор минеральной воды производится из верхнемелового водоносного горизонта, из пяти скважин, общий дебит составляет 1000 м3/сут, расчетная схема представлена на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема

Решение задачи массопереноса требует знание скорости фильтрации, и решение ее, осуществляется в два этапа. На первом решается задача геофильтрации, в результате которой определяются скорости фильтрации и расходы потоков между центрами модельных блоков. На втором — собственно задача массопереноса.

Математическая модель объекта управления записывается в виде:

к,, с1Н. . К. ан, к,, с!Н,

г// ' ¿х2 сіх сіу1 (¡у ск1

(іх ' •"2 «Ее ' * ^ (1С2 ,, ,Лй,-(ІСг) V 2 ■ <1С2 <ЦРу-<1Сг) V„-¿С2 ¿(Д. -¿С2)

Л сЫ1 сіх 4у2 сіу йЬ2

где: 77/ ц2- упругоемкость пласта;

- коэффициенты фильтрации по соответствующим координатам, (¡=1,2);

Я/ - функция напора, (¡=1,2);

п -активная пористость;

£>х, Оу, Д- коэффициент гидродинамической дисперсии;

С/ - концентрация исследуемого компонента;

ХиЛу/Ли - компоненты скорости фильтрации по соответствующим координатам, (¡=1,2);

а - параметр, характеризующий интенсивность внутрипластовых обменных процессов.

Уравнение (1) дополняется условиями однозначности, представляющими собой совокупность начальных и граничных условий.

Граничные условия (внутренние и внешние) устанавливаются на основе целого комплекса геолого-гидрогеологических, геофизических исследований и буровых работ.

Начальные условия формируются в следующем виде: г = 0, 2 = 0, Н = Нст, где Нст - статический уровень в водоносных горизонтах.

Если бы начальные условия были заданы в следующем виде: I = 0, 0 = 0, -У = 0, в этом случае естественная пьезометрическая поверхность уровня подземных вод рассматривается как нулевая, расчеты ведутся в понижениях, и после завершения вычислений, полученные срезки уровня даются в виде схемы распределения понижений или накладываются на статическую поверхность, в результате чего получается искомая схема распределения динамических уровней. При изучении процессов миграции, массопереноса, задач экологического плана, необходимо иметь решение не в понижениях, а в напорах.

В этом случае, когда на модели задается начальное распределение статической поверхности, и расчет ведется не в понижениях, а в напорах, задача становится несколько сложнее. Дело в том, что естественная поверхность зеркала подземных вод формируется под воздействием не только латеральных, но и вертикальных перетоков. Если вертикальные перетоки не задать на модели, то со временем, в силу закона сообщающихся сосудов, естественная поверхность превратится в горизонтальную плоскость. Иными словами требуется проведение дополнительных расчетов с целью определения вертикальных расходов и заданием их на модели.

Граничные условия для Бештаугорского месторождения следующие (рис. 3):

Граница Б2, захватывает подножие горы Бештау, куда стекаются радиоактивные (среднеактивные по урану с процентными его содержаниями) и высокотоксичные (мышьяк, свинец, бериллий, другие элементы) отходы, представляет собой границу первого рода.

Границы 81 и БЗ, из-за интрузии (геологическое тело, сложенное магматическими горными породами), принимаются как закрытые, или ГУ И.

Граница 54 - контур постоянного напора, рассматривается как ГУ I.

Рис. 3. Схема граничных условий модели (где БІ, БЗ: ГУ-ІІ, <3=0; Б4: ГУ-I, Н=соп5І; Б2: ГУ-ІІ, С^сопбі; 85: ГУ-ІІ, С^соїШ (скважина))

Условия на границах водоносных и слабопроницаемых пропластков выражает закон неразрывности движения (закон Дарси), и записывается в виде:

В работе рассматриваются две математические модели. Первая приведена выше, решается в напорах и находит максимально возможные уровни понижения депрессионной воронки для каждого региона КМВ, при которых не нарушаются качественные показатели минеральной

Вторая модель решается в понижениях, т.к. основной задачей

изучения подобных объектов является создание технологической схемы разработки, согласно которой осуществляется эксплуатация. Данная технологическая схема предусматривает обоснование оптимальных режимов эксплуатации.

В этой связи в общей задаче управления геологическими объектами можно выделить два аспекта. Первый связан с решением задачи оптимизации и направлен на обоснование режимов эксплуатации, обеспечивающих минимальное воздействие не геологическую среду. Второй - непосредственно с обоснованием и реализацией системы управления, обеспечивающей достижение поставленной задачи.

Математическая модель представлена в следующем виде:

¿1 12 v (к йу1 ск2

где: ц- коэффициенты упругоемкости коллектора и относительно

водоупорных пород соответственно;

Ру скорость движения воды ]-го водоносного пласта; кукушку - коэффициенты фильтрации по пространственным координатам; 5у.г,0- понижение уровня (от статического) в водоносных горизонтах и водоупорах, -понижение уровня в точке расположения ¡-ой водозаборной скважины ( пять водозаборных скважин расположены вблизи границы ъ = г2 и опущены внутрь пласта на величину размера фильтра (50 метров)), 8