Введение 3
1. Теоретические основы изучения ареалов загрязнения подземных вод 8
1.1. Характеристика Староосколько-Губкинского промышленного района 8
1.2. Основные факторы техногенного воздействия на подземные воды
1.3. Состояние подземных вод на территории Белгородской области
1.4. Опыт использования методов моделирования состояния подземных вод 22
2. Разработка модели распространения ареалов загрязнения подземных вод ... 25
2.1. Разработка графоаналитического представления динамики
распространения подземных вод 25
2.2. Разработка графоаналитического представления фильтрационных процессов в различных породах 29
3. Реализация имитационной модели течения подземных вод в
Старооскольском и Губкинском городском округе 32
3.1. Иерархия объектов модели знаний о динамике уровня подземных вод ... 32
3.2. Разработка метода узлового объекта 36
3.3. Модель откачки воды от горно-обогатительных комбинатов 41
3.4. Имитация процесса распространения подземных вод с применением модели 45
Заключение 59
Список использованной литературы
Актуальность исследования. Разработка месторождений полезных ископаемых и функционирование горно-обогатительных комбинатов приводит к загрязнению окружающей среды и образованию техногенных ландшафтов. Изучение процессов формирования ресурсов подземных вод в условиях открытых горных работ (наличие открытых карьеров, прудов -накопителей (хвостохранилищ), необоснованные водоотборы, уничтожение лесов и пр.) необходимо для прогнозирования состояния водоснабжения регионов и для развития рекреационной инфраструктуры. Подземные воды являются компонентой геологической среды, достаточно уязвимой к влиянию современных антропогенных воздействий, которые нарушают природные гидрогеологические и геоэкологические условия территории [36, 37, 43].
Рассматриваемый район Старооскольско -Губкинского горнодобывающего узла характеризуется значительной техногенной нагрузкой на гидрогеологическую систему, так как на сравнительно небольшой территории располагаются два города (Губкин и Старый Оскол), а также поселок городского типа Чернянка. В совокупности население на обозначенной площади составляет около 400 тысяч человек, что составляет 30 % от общего количества жителей Белгородской области. В Старооскольско-Губкинском районе выявлено 11 крупных месторождений железных руд, 4 из которых разрабатываются в настоящее время, что привело к интенсивному развитию горнодобывающей и металлургической промышленности [49].
На вышеупомянутой территории также находятся месторождения мела и глин, многие из которых разрабатываются. На территории района располагается шахта им. Губкина и два карьера (Лебединский и Стойленский), два гидроотвала (Березовый Лог и Грачев Лог), два хвостохранилища (Лебединского и Стойленского ГОКов), многочисленные отвалы вскрышных и скальных пород. Переработка добытых руд производится на двух горно- обогатительных комбинатах: Лебединском и Стойленском, и на Оскольском электрометаллургическом комбинате (ОЭМК). Подобного рода объекты оказывают сильное влияние на подземные воды рассматриваемого района. Дренажные работы и водоотбор подземных вод на водозаборах также значительно влияют на режим подземных вод [40].
Белгородская область принадлежит к числу регионов с ограниченными водными ресурсами при достаточно высоком уровне сельскохозяйственного, промышленного и коммунально-бытового водопотребления [40, 41].
В настоящее время в результате интенсивного освоения региона происходит усиление антропогенной нагрузки на окружающую природную среду, что приводит к значительному ухудшению экологического состояния, в частности качественного состояния подземных вод. Следует отметить, что подземные воды являются единственным источником питьевого, бытового и большей частью промышленного водоснабжения области.
Наибольшее влияние на качественные и количественные изменения водных ресурсов оказывают следующие виды хозяйственной деятельности: водопотребление для промышленных и хозяйственно-бытовых целей, сброс отработанных вод (без очистки или с недостаточной степенью очистки), зарегулирование стока рек и создание водохранилищ, сельскохозяйственная мелиорация и т.д. Также стоит отметить, что регион характеризуется высоким уровнем промышленного развития, но распределение техногенной нагрузки на территории области очень неравномерное [21-23, 39-41].
Целью написания магистерской диссертации является разработка модели распространения ареалов загрязнения подземных вод в условиях проведения открытых горных работ, которая может быть использована для анализа состояния естественных водных ресурсов, их защищенности, а также оценки прогнозных эксплуатационных ресурсов для целей водоснабжения.
Объектом исследования был выбран Старооскольско-Губкинский промышленный район Белгородской области.
Предметом исследования являются подземные воды указанного горнопромышленного района
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• провести обзор и анализ литературных источников;
• произвести выбор методов исследования;
• разработать модель распространения ареалов загрязнения подземных вод;
• провести аппробацию модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Графоаналитическое представление гидродинамических процессов на исследуемой территории Старооскольско-Губкинского промышленного района при неравномерном разбиении техногенно измененного участка гидрогеологической среды. В качестве элементов графа необходимо рассмотреть отдельные участки территорий, взаимосвязи между которыми определяются гидродинамическими характеристиками распространения подземных вод между ними.
2. Модель динамики распространения подземных вод на основе анализа знаний о гидродинамических свойствах отдельных участков недр путем последовательного решения задачи определения показателей распространения и накопления подземных вод в отдельных участках недр с относительно неизменными гидродинамическими свойствами.
3. Модель распространения ареалов загрязнения подземных вод, обусловленных антропогенной деятельностью в Старооскольско-Губкинском горно-промышленном районе, основанная на графоаналитическом представлении фильтрационных процессов в различных породах.
Апробация результатов исследований, описанных в тексте выпускной квалификационной работы, представлена в следующих работах:
1. Зайцева Н.О., Черноморец А.А. О разработке математической модели динамики распространения подземных вод на основе графоаналитического представления гидрогеологических процессов на исследуемых территориях. // Инновационные процессы в научной среде: сборник статей Международной научно-практической конференции (8 декабря 2016 г., г. Новосибирск). В 4 ч. Ч.3 / Уфа: МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2016. - с.43¬45.
2. Черноморец А.А., Петина М.А., Коваленко А.Н., Зайцева Н.О. Графоаналитическая модель динамики распространения подземных вод // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия Экономика. Информатика. № 2 (251), Выпуск 41, Март 2017, Компьютерное моделирование, с.75-81.
3. Зайцева Н.О., Черноморец А.А. Влияние горнодобывающей
промышленности на состояние подземных вод // Наука и образование: сохраняя прошлое, создаем будущее: сборник статей Х Международной научно - практической конференции. В 3 ч. Ч.3 - Пенза : МЦНС «Наука и Просвещение». - 2017. - 214 с. С.60-62.
4. Н.О. Зайцева, А.А. Черноморец, А.Г. Жихарев О разработке
алгоритма метода узлового объекта в терминах языка описания функциональных объектов // OPEN INNOVATION: сборник статей Международной научно-практической конференции. В 2 ч. Ч.1 - Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение», 2017. - С.91-95.
Исследования, описанные в тексте магистерской диссертации, выполнялись при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16- 07-00451.
Научно-практическая значимость полученных при написании магистерской диссертации результатов определяется новизной разработанного графоаналитического представления гидродинамических процессов на исследуемых территориях на основе неравномерного разбиения исследуемых участков недр на области с относительно постоянными гидродинамическими показателями, а также новизной построенных на его основе моделей динамики распространения подземных вод и ареалов их загрязнения на основе анализа знаний о гидродинамических свойствах отдельных участков недр.
Структурно магистерская диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы.
В первом разделе дана характеристика Староосколько-Губкинского промышленного района. Также описываются основные факторы техногенного воздействия на подземные воды на территории Белгородской области и их состояние. Опыт использования методов моделирования состояния подземных вод приведен в заключении данного раздела.
Во втором разделе описывается процесс разработки графоаналитического представления динамики распространения подземных вод и графоаналитического представления фильтрационных процессов в различных породах.
В третьем разделе приведено описание иерархии объектов модели знаний о динамике уровня подземных вод. Основную часть данной главы составляет имитация процесса распространения подземных вод с применением разработанной модели в программном средстве UFO Modeler.
Выпускная квалификационная работа написана на 69 страницах, имеет 32 рисунка.
Студентом-магистрантом выражается благодарность Петину А.Н., Петиной М.А., Черноморцу А.А., Жихареву А.Г. и Коваленко А.Н. за научно-методическое руководство и помощь в проведении исследования.
Целью магистерской диссертации являлась разработка модели распространения ареалов загрязнения подземных вод, которая может быть использована для анализа состояния естественных водных ресурсов, их защищенности, а также оценки прогнозных эксплуатационных ресурсов для целей водоснабжения. Конкретная задача заключалась в создании модели применительно к Старооскольско-Губкинскому промышленному району Белгородской области.
Изучение процессов формирования ресурсов подземных вод в условиях открытых горных работ (наличие открытых карьеров, прудов -накопителей (хвостохранилищ), необоснованные водоотборы, уничтожение лесов и др.) необходимо для составления прогнозных значений улучшения качества водоснабжения регионов и для развития рекреационной инфраструктуры. Подземные воды являются компонентой геологической среды, весьма уязвимой к влиянию современных антропогенных воздействий, которые нарушают природные гидрогеологические и геоэкологические условия территории. Возрастающее воздействие антропогенной деятельности может привести к ухудшению геоэкологической обстановки региона и условий формирования ресурсов и качества подземных вод, если своевременно не принимать меры к их изучению, охране и рациональному использованию [40-43, 49, 52].
В результате написания магистерской диссертации были получены следующие результаты [9-14, 16, 53, 54]:
• Разработано графоаналитическое представление гидродинамических
процессов на исследуемой территории Старооскольско-Губкинского горно-промышленного района при неравномерном разбиении техногенно измененного участка гидрогеологической среды. В качестве элементов графа были рассмотрены отдельные участки территорий, взаимосвязи между которыми определялись гидродинамическими характеристиками распространения подземных вод между ними.
• Разработана модель динамики распространения подземных вод на основе анализа знаний о гидродинамических свойствах отдельных участков недр путем последовательного решения задачи определения показателей распространения и накопления подземных вод в отдельных участках недр с относительно неизменными гидродинамическими свойствами.
• Разработана модель распространения ареалов загрязнения подземных вод, обусловленных антропогенной деятельностью в Старооскольско-Губкинском горно-промышленном районе, основанная на графоаналитическом представлении фильтрационных процессов в различных породах.
Научно-практическая значимость полученных при написании магистерской диссертации результатов была определена новизной разработанного графоаналитического представления гидродинамических процессов на исследуемой территории Старооскольско-Губкинского промышленного района на основе неравномерного разбиения исследуемых участков недр на области с относительно постоянными гидродинамическими показателями, а также новизной построенных на его основе моделей динамики распространения подземных вод и ареалов их загрязнения на основе анализа знаний о гидродинамических свойствах отдельных участков недр [9-14, 16, 53, 54].
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
