Тема: ОБОСНОВАНИЕ ГРАНИЦ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА НАПОРНОЕ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Актуальность. Проблема оценки гидрогеодинамических границ влияния таких горнотехнических систем (ГТС) как водозаборы подземных вод и полигоны захоронения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) на геологическую среду - насущная проблема в экологических оценках и прогнозах. Это относится и к региональной экологической проблеме - проблеме границ гидрогеодинамического влияния водозабора подземных вод и полигонов подземного захоронения ЖРО.
Предмет исследования - колебания напорного гидрогеодинамического поля, возбуждаемые неравномерно-прерывистым режимом работы эксплуатационных скважин ГТС.
Цель работы - исследование гидрогеодинамических колебаний напорного поля при неравномерно-прерывистой работе горнотехнических систем с целью разработки методических приемов оценки границ их влияния.
Основные задачи исследования:
1) изучение прерывистого режима работы эксплуатационных скважин на примере полигона захоронения ЖРО Сибирского химического комбината (СХК) и Томского водозабора;
2) численное моделирование воздействия на гидрогеодинамическое напорное поле полигона захоронения ЖРО СХК и Томского водозабора;
3) выявление природного и технологического воздействия работы полигона на колебание напоров в наблюдательных скважинах;
Исходные материалы. Основной фактический материал по объектам исследования получен автором в 2007-2010 гг. при прохождении научнопроизводственных стажировок в лаборатории геотехнологического мониторинга Сибирского химического комбината, в Томскгеомониторинге и на Томском водозаборе подземных вод.
Информационная база включает следующие материалы:
1. Картографический материал по району объектов исследования: геологические, геофизические, геоморфологические и гидрогеологические карты общего назначения и разрезы к ним; специальные карты: карты гидроизопьез, водопроводимости и изопахит водоносных и водоупорных горизонтов.
2. Данные по режимам работы и объемам закачки/откачки эксплуатационных скважин в хронологической документации даты и времени с точностью фиксирования длительности до 1 часа. В работе использовались данные по 16 водозаборным скважинам первой очереди Томского водозабора в период с 1983-2007 гг. и 15 нагнетательным скважинам площадки 18 полигона захоронения в период с 2005-2008 гг.
3. Данные гидрогеодинамического мониторинга по 78-ми контрольным скважинам, расположенным в пределах полигона глубинного захоронения ЖРО и его горного отвода, 9-ти наблюдательным скважинам единой системы контроля недр в зоне санитарной охраны СХК и 17-ти наблюдательным скважинам вблизи Томского водозабора.
4. При моделировании колебаний гидрогеодинамического поля в
эксплуатационных режимах возбуждения нами принимается модельная схематизация краевых условий, которая разработана и используется в лаборатории геотехнологического мониторинга СХК и
Томскгеомониторинге. В них учтена вся информация по фильтрационноемкостным свойствам (ФЕС) моделируемых горизонтов, накопленная за всё время изучения объектов.
Методы исследования. Колебания гидрогеодинамического напорного поля, возбуждаемые режимом работы ГТС, исследуются методом численного моделирования гидродинамических процессов в программном комплексе GMS, который использует расчетный модуль Modflow. В нем реализован алгоритм решения дифференциального уравнения нестационарной плановорадиальной фильтрации методом конечных разностей. Для выявления частотных технологических и природных составляющих колебаний напоров в наблюдательных скважинах использовался Фурье-анализ. Также применялись стандартные статистические методы для анализа периодов работы и простоя режима эксплуатационных скважин ГТС.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработана технология определения границ влияния ГТС, основанная на изучении колебаний напорного гидрогеодинамического поля.
2. Впервые для полигонов захоронения ЖРО СХК и Томского водозабора исследован неравномерно-прерывистый режим работы эксплуатационных скважин по их технологическим циклам - периодам работы и простоя.
3. Разработан способ выделения технологической и природной составляющих в натурных спектрах колебаний гидродинамического напорного поля.
4. Впервые для моделируемых областей полигонов подземного захоронения ЖРО СХК и Томского водозабора количественно оценены и картографически выделены зоны колебаний напорного поля как функциональные зоны геоэкологического мониторинга.
Достоверность полученных результатов определяется
достоверностью и полнотой исходной информации по геоэкологическому мониторингу, фильтрационно-емкостным параметрам и граничным условиям горизонтов моделируемой области и точностью численных решений дифференциальных уравнений математической физики.
Практическая значимость работы. Материалы исследований по теме диссертации вошли в отчеты по госбюджетным научным темам, финансировавшихся Минобразования и Минпромнауки РФ (гранты № Е02- 9.0-60 и НШ-1566.2003.05), Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 06-05-64166 научный руководитель профессор М.Б. Букаты), а также фондом содействия развития по программе «У.М.Н.И.К.» (индивидуальный грант 2009-2011 гг.). Некоторые результаты переданы в лабораторию геотехнологического мониторинга СХК.
Основное практическое назначение разрабатываемой
гидрогеосейсмической технологии - использование её в оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) при проектировании инженерноэкологических изысканий и эксплуатации обширного класса горнотехнических систем. Применение данной технологии экономически выгодно предприятию.
Защищаемые положения.
1. Режим работы эксплуатационных скважин полигона захоронения ЖРО СХК и Томского водозабора, как фактор возбуждения колебаний напорного поля, является случайным процессом смены периодов работы (Тр) и простоя (Тп), подчиняющимся логнормальному закону распределения длительностей Тр и Тп, который существенно отличается от длительностей природной цикличности в колебаниях напоров.
2. Колебательный режим напорного гидрогеодинамического поля, возбуждаемый работой горнотехнических систем, является существенным как при оценках границ их влияния, так и при разработке программы оптимизации геоэкологического мониторинга.
3. Анализ спектральной плотности дисперсии колебаний напоров в наблюдательных скважинах может применяться как независимый способ оценки гидродинамического влияния режима работы горнотехнических систем.
Личный вклад автора. При выполнении научных исследований по теме диссертации автор являлся непосредственным исполнителем всех поставленных в работе задач и анализе полученных результатов. В процессе прохождения научно-производственных стажировок в лаборатории геотехнологического мониторинга СХК и Томского водозабора участвовал в геомониторинговых исследованиях наблюдательных и эксплуатационных скважин этих объектов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались в различных городах России (Москва, Санкт-Петербург, Астрахань, Новосибирск, Иркутск, Тюмень, Томск), а также за рубежом (Киев, Украина) как индивидуально, так и в составе коллектива авторов на семнадцати научных конференциях, совещаниях, симпозиумах и конкурсах различного ранга (международного, российского, регионального).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в двадцати трех работах. Три из них - в рецензируемых журналах, остальные - в статьях или тезисах докладов, изданных материалов научных конференций и симпозиумов; одна из таких публикаций - в зарубежном издании.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитируемой литературы из 140 наименований. Материал работы изложен на 106 страницах, включая 4 таблицы и 31 рисунок.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю - д.г.-м.н., профессору Л. Я. Ерофееву. Также автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры геофизики Е.В. Гусеву, В.П. Меркулову; сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии А.А. Лукину, М.Б. Букаты за всестороннюю помощь, критические замечания и ценные советы.
Автор благодарит руководство и коллективы лаборатории геотехнологического мониторинга СХК, ОАО Томскгеомониторинг и Томскводоканал, особенно А.А. Зубкова, В.В. Данилова, Ю.В.
Макушина, Д.Н. Четвергова, В.В. Товкача и В.В. Нейфельда за ценные советы и предоставленные материалы, которые легли в основу диссертации.

Купить

На основании выполненных в диссертационной работе исследований дано решение актуальной научно-практической задачи оценки гидрогеодинамических границ влияния горнотехнических систем и оптимизации систем мониторинга. Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Изучен прерывистый режим работы полигона захоронения ЖРО СХК и Томского водозабора: закон распределения периодов работы и простоя для обоих объектов соответствует логнормальному распределению. Так же были оценены основные статистические параметры для периодов работы и простоя скважин: математическое ожидание и дисперсия.
2. Различие характеристик колебаний напорного поля водоносных горизонтов, возбуждаемых природными факторами и режимом эксплуатации скважин полигона и водозабора - основа и главное условие их разделения и количественных оценок по данным натурных наблюдений напоров в скважинах объектных систем мониторинга.
3. Выявлено технологическое воздействие работы полигона на колебание напоров во всех контрольных скважинах и в наблюдательных скважинах единой системы контроля недр, расположенных на расстояниях менее 7 км от центра полигона.
4. На основе гидрогеосейсмической технологии обоснованы границы гидродинамического влияния полигона захоронения ЖРО СХК. Построена карта волнового районирования. Размеры радиусов зон: I - 900-1100 м, II - 4000-8600 м в зависимости от направлений, которые определяются неоднородностью геологического строения и, соответственно, распределением фильтрационно-емкостных свойств пластов.
5. В результате численного моделирования Томского водозабора построена так же карта волнового районирования. Граница зоны ближнего воздействия равна 600 м, а зоны дальнего воздействия равна Rmax = 1800 м.
6. Разработана основа программы оптимизации гидродинамического мониторинга санитарно-защитной зоны полигона, позволяющая сократить расходы на проведение геоэкологического мониторинга при увеличении информативности об экологической обстановке района.
7. Дальнейшие исследования планируются в трех направлениях. Первое - расширение области применения гидрогеосейсмической технологии за счет увеличения круга горнотехнических систем (прежде всего нефтегазовые промыслы). Второе - увеличение функциональности - применение технологии при обосновании режима эксплуатации ГТС, при которых обеспечивается управление размерами репрессивных и депрессионных воронок, водонефтяных контактов, границ раздела вод различного состава. Третье направление - более детальное изучение факторов, влияющих на изменение напоров в наблюдательных скважинах, находящихся в зоне влияния ГТС, и разработка методик по их вычленению и оценок
Купить