CC BY
323
УДК [502:061],003.13:66.013
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ПРОМЫШЛЕННОГО УЗЛА
В.А. Немтинов1, А.А. Литвинов2, Ю.В. Немтинова1
Кафедры: «Автоматизированное проектирование технологического оборудования» (1),
«Информационные системы (2), ТГТУ
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: ГИС-технологии; информационная система; подземные водные ресурсы.
Аннотация: Рассмотрен подход, позволяющий оценить качество подземных водных ресурсов промышленного узла г. Тамбова с использованием геоин-формационной системы ЛгсОК фирмы Е8Ы.
Качество воды, использующейся для водоснабжения - одна из важнейших характеристик ее потребительских свойств. Химический состав воды определяет здоровье людей. Потребительскую ценность как источники водоснабжения имеют водоносные системы, расположенные в верхней гидродинамической зоне. В связи с этим оценке подвергаются подземные воды, расположенные до глубины 300 м.
Получение достоверной информации о количественных и качественных показателях воды в удобной для восприятия форме в настоящее время невозможно без использования современных информационных технологий.
В данной работе рассмотрен подход, который позволяет оценить количественные показатели воды на примере Тамбовского промышленного узла с использованием ГИС-технологий. В качестве базовой авторами выбрана система Лге018 фирмы Е8Ы.
Сложившаяся схема обеспечения водой крупных потребителей Тамбовского региона, формировавшаяся в послевоенный период, предусматривала наиболее простой способ забора воды из поверхностных водоемов (рек). В настоящее время этот подход все меньше себя оправдывает, поскольку поверхностные воды сильно загрязнены. Проведение доочистки и водоподготовки с целью доведения вод до питьевого качества требует постоянных и крупных денежных вложений, что доступно лишь для крупных потребителей.
Нерешенными являются и такие проблемы как сравнительная оценка использования подземных и поверхностных вод для хозяйственного питьевого водоснабжения, установление взаимосвязи подземных вод с загрязненными речными и др. В связи с этим первоочередными являются задачи оценки возможности использования месторождений подземных вод в долинах реки Цны и ее притоков на основе математического моделирования процессов развития воронок депрессии при их эксплуатации и возможной взаимосвязи подземных и поверхностных вод; выбор конкретных месторождений для водоснабжения крупных потребителей; экономическая оценка целесообразности использования месторождений, удаленных от потребителей и мелких месторождений с водой не соответствующей по качеству нормативам и т. п.
Для ответа на эти и другие вопросы целесообразным является создание пространственной информационной модели Тамбовского промышленного узла, включающей в себя: отображение рельефа местности и подземных горизонтов с их геологическими и гидрогеологическими характеристиками, в том числе и пластов, используемых для закачки сильнозагрязненных промышленных сточных вод; промышленные объекты различного назначения (предприятия, станция биохимической очистки сточных вод и т.п.); природные объекты (озера, участок реки Цны и ее притоки); известные источники образования загрязнений поверхностных и подземных вод; нагнетательные и барражные скважины химического предприятия с данными об объемах закачки сточных вод в глубокие водонепроницаемые слои и барражного отбора воды; водозаборные скважины с данными об объемах отбора воды на различные нужды; наблюдательные скважины и их характеристики; створы реки и другие точки (пункты) отбора проб воды поверхностных водоемов; данные натурных наблюдений за состоянием подземных и поверхностных вод узла и т.д. В качестве базовых источников данных при построении модели были использованы:
- растровое изображение карты промышленного узла;
- атрибутивная информация об объектах различного назначения, собранная за длительный период сотрудниками территориального центра государственного мониторинга геологической среды по Тамбовской области. На рис. 1 изображена
Рис. 1 Процедура построения поверхностей рельефа, подземных горизонтов и полей концентраций веществ в воде
схема процедуры построения поверхностей рельефа, подземных горизонтов и полей концентраций веществ в воде с использованием инструментов основных компонентов АгсОК: АгсМар, Агс'Уш'^ Агс8сепе. В результате была создана информационная модель, визуализация фрагментов которой приведена на рис. 2 - 5.
а)
Scv_Id 1 Glubina X 1 Y
1 0 40,7908 40,7908
3 0 41,4612 41,4612
5 121,5 41,6614 41,6614
7 152 40,5053 40,5053
9 0 42,765 42,765
11 0 42,7648 42,7648
13 0 41,6575 41,6575
15 0 41,3962 41,3962
17 0 42,7972 42,7972
19 0 42,471 42,471
21 120 41,4843 41,4843
б)
Рис. 2 3-Б изображение поверхности рельефа г. Тамбова со скважинами различного назначения (а), фрагмент базы данных с их характеристиками (б)
«ИЯШІ1>«НИ —------------------------- !__ ________________ .ІДІ.І
ЗУйл Всалкгиоосatь 30 Вид J*r*a Цок&хнветь СьлФвка Окна Сґсмско
иГ йі н НИВ ига ианаимш U и
Рис. 3 3-Б изображение водоносных слоев и слоев для закачки промышленных сточных вод
125 м
Кайноюпс
Диаграмма концентраций веществ в воде отдельной скважины
- Юм
I-1V водоносный чсгвсргнчиый комплекс
-31 м
В.11ЛНЖИНСКНМ водоносный горизонт
■ Myt
■ неф!С1рС1ДуК'Ы □ супьфм! S04-
■ сухой OCI8TU* экиперимсгиагъоый
■ Цветное'»
РезуЛЬТсИЫ hyiOfl /фжиЦ№(
- fil м
Klnc-а слибоволоноспый нсоком-антский террнгенный горизонт
- 82 М
J3 водоупорный юрский терр»
генный ГОрНКЖГ
Слон: |<;1шм=|; его/
~3
- Cksm^h:i_D «г:п:л:*е-и=: ;665^98^Е8404 5W572; Ж7)
Гоге Зсчэку
- Ск=а«"Н=1_“:ч<и ob eli) ?: /
Э 6:Ж№4 shape lwitra:
В-bo г Shape_le~g:~ ?5,13?hr9
Ш ГА,Ж shape_А'М :0,i^2I3
BifferCii 1
па:<_фЬ -121
*4 ■ 1r< f
■ 44 M
!ЩМ - . e?UL—
* •* w
♦ *• ♦ «*• ♦
Задонско (л волжский водоносный комплекс (D3frnl)
• I OS м
Всрхнсфамснскнй (D3tm2)
___________ -122 m
!
Ж \
M
■ Л '}b
! " y,
is>
if
Ip
f
, * *
**
■9
*
) -
Щ ’,y
‘K-
а) б)
Рис. 4 Данные показателей химического состава воды по отдельной скважине
На рис. 2 показано 3-Б изображение поверхности рельефа со скважинами различного назначения. Для лучшего восприятия на рис. 2, а линейные размеры скважин были увеличены в десять раз по сравнению с реальными размерами. На рис. 2, б приведен фрагмент базы данных (БД) с отдельными атрибутивными характеристиками скважин. 3-Б изображение водоносных слоев и слоев, используемых химическим предприятием для закачки промышленных сточных вод, приведено на рис. 3. Для закачки стоков в глубокозалегающие водоносные горизонты (более 700 м от поверхности земли) предоставлен горный отвод в двух водоносных горизонтах живетского яруса среднего девона. Водовмещающими породами являются слабосцементированные кварцевые песчаники. Рабочие пласты разделены слоем глинисто-алевролитовых пород, которые являются непроницаемыми отложениями [1]. Анализ условий функционирования системы наблюдательных скважин по их приемистости и оценка распространения закачиваемых стоков в водоносном горизонте в пределах горного отвода осуществляется с помощью следующих моделей: геофильтрационной модели, позволяющей получить распределение давле-
ний в нагнетательных скважинах, и геомиграционной модели, с помощью которой осуществляется прогнозирование распространения промышленных стоков в водоносном горизонте [2, 3]. Использование данных моделей позволяет делать вывод о размерах областей распространения загрязнений (см. рис. 3) и перспективах применения данного метода утилизации промышленных отходов в пределах выделенного горного отвода.
По данным о глубинах подошв отдельных горизонтов, полученных при бурении скважин, средствами подсистемы Лгс8сепе получены поверхности для каждого горизонта в границах Тамбовского промышленного узла. При этом была использована информация более чем 400 скважин. На рис. 4 приведены фрагменты поверхностей в окрестности отдельной скважины.
Разрез с севера на юг (А-А) Разрез с запада на восток (В-В)
Изменение концентрации
мг/л
m lJd
Перепад высот рельефа
б)
Рис. 5 Г рафики полей концентрации железа по данным анализа воды в скважинах (ПДК = 0,3 мг/л)
m
m
m
m
За длительный период эксплуатации скважин в информационной базе данных накоплена информация о показателях качества воды для каждой из них. Характерными компонентами, определяющими качественный состав подземной воды данной местности по химическим показателям, являются повышенная жесткость, избыточное содержание железа и повышенная минерализация (сухой остаток). Усредненные значения показателей качества воды (содержания железа, солей жесткости, сульфатов и др.) в отдельной скважине приведены на рис. 4, б.
Для получения обобщенной информации о качестве подземной воды в различных местах промышленного узла средствами подсистемы ArcScene были построены поверхности полей концентраций по каждому показателю. В качестве примера на рис. 5, а изображено поле значений концентрации железа, содержащего в воде.
При наложении этих поверхностей с плоскостями, характеризующими значения предельно допустимых концентраций, можно легко определить области, где наблюдается превышение допустимых значений концентраций веществ.
Для получения более детальной информации имеется возможность построения графиков изменения концентрации веществ по любому сечению поля. На рис. 5, б приведены графики изменения концентрации железа по двум направлениям: с севера на юг и с запада на восток.
В настоящее время авторами проводятся работы по разработке программного обеспечения, позволяющего осуществлять прогнозирование качества воды в поверхностных водных объектах (реке с малым расходом воды). К таким рекам может быть отнесена река Цна, протекающая по территории Тамбовского промышленного узла. В качестве базовой математической модели используется модель, приведенная в работе [4].
Заключение. Таким образом, с помощью предложенного подхода с использованием ГИС-технологий можно:
- создать пространственную информационную модель промышленного узла, все объекты которой имеют географическую привязку;
- получать объективную информацию о состоянии водных ресурсов промышленного узла и в удобной форме представлять результаты обработки данных о количественных показателях качества воды.
Список литературы
1 Оценка загрязнений подземных вод в районе АО «Пигмент» (г. Тамбов). -М.: АОЗТ «Проектпромстрой», 1995. - 83 с.
2 Шестаков, В.М. Гидрогеодинамика / В.М. Шестаков. - М.: МГУ, 1995. -268 с.
3 Fitter, C.W. Contaminant Hidrogeology / C.W. Fitter. - MPC, 1994. - 458 p.
4 Попов, Н.С. Методика автоматизированного моделирования процессов самоочищения реки с малым расходом воды в условиях неопределенности / Н.С. Попов, В.А. Немтинов, В.Г. Мокрозуб // Химическая промышленность. -1992. - № 9. - С. 545-550.
Application of GIS-Technologies when Evaluating the Quality of Underground Water Resources of Industrial Unit
V.A. Nemtinov1, A.A. Litvinov2, Yu.V. Nemtinova1
Departments: “Automated Design of Technological Equipment” (1), “Information Systems ” (2), TSTU
Key words and phrases: underground water resources; information system; GIS-technologies.
Abstract: The approach enabling to evaluate the quality of underground water resources of industrial unit in Tambov using the geo-information system ArcGIS made by ESRI is studied.
Anwendung der GIS-Technologien bei der Einschatzung der Qualitat der Untergrundwasserressourcen des Betriebsknotens
Zusammenfassung: Es ist das Herangehen, das die Qualitat der Untergrundwasserressourcen des Betriebsknotens der Stadt T ambow mit der Benutzung des Geoin-formationssystems ArcGIS von der Firma ESRI zu schatzen erlaubt, betrachtet.
Utilisation des GIS-technologies lors de devaluation de la qualite des ressources souterrainnes d’eau dans un centre industriel
Resume: Est envisagee l’approche permettant d’evaluer la qualite des ressources souterrainnes d’eau dans un centre industriel de Tambov avec l’utilisation du systeme ArcGIS de la firme ESRI.
