CC BY
51
УДК 504.61.(082)(2)
Е.Э. Руденко *, К. А. Антонов **, Е.А. Кирьякова ***
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., 9.
* [email protected], ** [email protected], *** [email protected]
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЕОФИЛЬТРАЦИИ НА УЧАСТКЕ КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ (В ЗОНЕ РАДИОАКТИВНОГО СЛЕДА)
Построена модель, которая позволяет оптимизировать выбор территории для бурения и эксплуатации скважин хозяйственно-питьевого водоснабжения, с целью водообеспечения пресными подземными водами участка, расположенного на юге Калужской области.
Ключевые слова: моделирование, водоносный горизонт, подземные воды, геофильтрация, MODFLOW, водообеспечение.
Задачей исследований является оценка современного состояния и прогнозирование изменений ресурсов подземных вод в условиях нарастающих климатических и антропогенных воздействий на части территории Калужской области с использованием математического моделирования.
1. Выбор объекта моделирований
Географическое положение. Объектом моделирования гидрогеологических условий при антропогенной нагрузке была выбрана часть территории Калужской области наиболее пострадавшая от аварии на Чернобыльской атомной станции. Границы этой территории с учетом удобства задания граничных условий при моделировании установлены по речной сети: по рекам Болва - Овсорок - Огарь (на западе и юго-западе территории); по реке Рессета (на юге и юго - востоке); по рекам Жиздра и Драгожань (на северо-востоке) и по реке Перетесна (на севере территории). Часть западной и южной границы объекта совпадает с административной границей Калужской области.
Гидрогеологические условия. Как видно из характеристики гидрогеологических условий, они отличаются большим разнообразием водоносных горизонтов, как безнапорных, так и напорных, в целом гидрогеологическое строение территории представляет собой «слоеный пирог». Безнапорные водоносные горизонты включают в себя воды четвертичных (аллювиальных, гляциальных, флювиогляциальных, болотных, пролювиальных горизонтов), меловых и юрских отложений. Все эти водоносные горизонты связаны между собой и не имеют выдержанных водоупоров внутри этой толщи (комплекса). Напорные водоносные горизонты пресных подземных вод включают в себя множество
связанных между собой водоносных горизонтов каменноугольного возраста. Между двумя этими толщами (водоносными комплексами) залегает выдержанный по площади верхнеюрский водоупор, разделяющий эти толщи. Ниже каменноугольных водоносных горизонтов залегают водоносные горизонты девонского, протерозойского и архейского возраста, содержащие соленые подземные воды и рассолы [1].
2. Схематизация природных условий
Основой для создания модели данного объекта исследований является построение такой фильтрационной расчетной схемы модели, которая бы наиболее полно отражала свойства реальной системы. Однако, в практике моделирования гидрогеологических процессов, возможность реализации всех существующих факторов формирования потока в пределах изучаемой области фильтрации в известной мере ограничена. В связи с этим возникает необходимость в определенной схематизации природных условий и рассмотрение модели, функционально подобной реальной
фильтрационной системе. При этом степень соответствия построенной расчетной схемы модели реальным условиям определяется точностью оценки и полного учета основных факторов формирования, как естественного режима подземного потока, так и факторов, обуславливающих изменение этого режима. К числу последних относятся возмущения подземного потока, вносимые работой водозаборных скважин, изменений условий притока и разгрузки в пределах исследуемого объекта и т.д. Таким образом, чтобы получить достаточно достоверную расчетную схему модели, необходимо располагать соответствующим
объемом информации, касающейся как граничных условий данной области, так и величин основных гидродинамических параметров водовмещающей толщи и распределения их в пределах изучаемой области фильтрации.
Последовательность схематизации
1. Стратификация модели
Особенности природного геолого-
гидрогеологического строения изучаемой территории позволили рассмотреть процесс фильтрации, протекающий в трехслойной системе: верхний водоносный комплекс, объединяющий четвертичные, неогеновые и меловые водоносные горизонты, взаимосвязанные между собой и имеющий единый свободный уровень (безнапорный водоносный горизонт); разделяющий слой - верхнеюрский водоупор; нижний водоносный комплекс, объединяющий юрские и каменноугольные водоносные горизонты, подошвой его является малевский водоупор, водоносный горизонт напорный. Таким образом, фильтрационная модель изучаемого региона представлена трехслойной схемой с двумя водоносными горизонтами (комплексами) с раздельным слоем.
2. Выбор вычислительной программы и расчетной модели.
Для решения фильтрационной задачи была выбрана программа МОБРЬС^ широко используемая в мировой практике гидрогеологических исследований (приложение). Модель фильтрации представляет поток в трех измерениях. Трехмерное движение подземных вод постоянной плотности может быть описано дифференциальным уравнением для стационарной фильтрации и неоднородного пласта [2-6]:
Я r)h Я r)h Я 3h
— = (Kxx—) + — (Kyy—) + — (Kzz—) - W = Ss—; dx dx dy dy dz dz dt
где Кхх, Куу, - коэффициент фильтрации по осям координат х, у, z (м/сут); И -гидродинамический напор (м); W -инфильтрационное питание (м/сут); -
специфическая емкость порового пространства (1/м); Т - время (сут).
3. Сетка модели
Есть два типа ограниченных дифференциальных сеток, блок - центрированная сетка, где границы потока расположены на краю блока и меж - центрированная сетка, где границы потока совпадают с узлом [2]. MODFLOW основана на блок - центрированном подходе представления сеток. В этом подходе система
водоносного горизонта представляется дискретизированным доменом, состоящим из множества узлов и ограниченных дифференциальных блоков (ячеек). Центральная сетка представляет структуру всех вычислений цифровой модели. Гидростратиграфические единицы и толщина каждой ячейки модели могут быть определены в терминах слоев, столбцов и строк). В зависимости от концептуального типа и других соответствующих гидрогеологических данных, структура модели Калужской области (южная половина) была создана для того, чтобы покрыть площадь приблизительно 4500 км.2 со следующими свойствами: число квадратных ячеек - 1122, размером 2000 м на 2000 м; число слоев -3. Размер сетки модели 2000м на 2000м был выбран в соответствии с масштабом гидрогеологических исследований на территории объекта изучения (1 : 200000). В сетке 835 квадратных ячеек являются активными и используются для вычислений модели в верхнем и нижнем водоносном горизонте и раздельном слое. Район делится на ячейки: - 33 столбца на оси Х слева на право; - 34 строки на оси Y сверху вниз, где можно определить любую ячейку по координатам Х ,Y.
4. Граничные условия
Лимитирующие параметры в структуре расчетной модели должны выбираться на основе граничных условий моделируемых потоков подземных вод. Граничные условия должны быть тщательно и обоснованно установлены, так как они имеют большое влияние на результаты моделирования. Они отражают способ взаимодействия подземных вод и поверхностных водотоков, взаимодействие между различными водоносными горизонтами, области питания и разгрузки водоносных горизонтов, области выклинивания водоносных горизонтов и резкой смены проницаемости водовмещающих пород и др. Варианты взаимодействия с природной и нарушенной окружающей средой. Граничные условия обычно уточняются при режиме стационарной фильтрации, чтобы затем достигнуть заданных начальных условий.
В зависимости от принятой
геофильтрационной модели и вида потока подземных вод, верхнего (1 слой) и нижнего водоносных слоев (3 слой) для объекта исследований были приняты следующие граничные условия:
Для первого слоя: граничные условия первого рода (ГУ I - H = const.) задавались как отметки уреза воды в реках; граничные условия второго рода (ГУ II - Q = const.) задавались в виде инфильтрационного питания на всей площади;
величина инфильтрационного питания была принята по данным режимных наблюдений, а ее интерполяция по площади проводилась с учетом распределения атмосферных осадков на изучаемой территории. Начальная величина инфильтрационного питания (в верхнем водоносном слое) варьирует от 40 до 340 мм/год, при среднем значении 260 мм/год (0.26 м/год). Задавалась по исходной карте инфильтрационного питания.
Для третьего слоя: граничные условия первого рода (ГУ I - H = const.) задавались как отметки уреза воды в реках; граничные условия второго рода (ГУ II - Q = const.) задавались в виде расходов водозаборных скважин (водозаборов).
5. Начальные условия расчетной модели могут быть сгруппированы в два типа:
-физическая структура модели, которая определяет геометрию системы, включая топографические контурные линии (отметки поверхности земли); контурные линии структуры каждого слоя. Кровли первого, второго и третьего слоев задавалась по данным гидрогеологических исследований, по бурению скважин, завались по исходным картам кровли всех трех слоев. Подошва третьего слоя также задавалась по данным бурения скважин и исходной карте подошвы слоя.
-гидродинамическая структура модели определяется начальным положением уровня грунтовых вод в первом слое, задается по исходной карте гидроизогипс (рис. 1); и напорами подземных вод в третьем слое, задается по исходной карте пьезоизогипс.
10000 20000 30000 40000 50000 60000
Рис. 1. Карта гидроизогипс (фактическая)
6. Определение временных параметров
Единицей измерения времени являются сутки; временной шаг - 365 сут.; продолжительность периода возмущения - 3650 сут.
7. Гидрогеологические параметры
Коэффициент фильтрации
Горизонтальные и вертикальные
коэффициенты фильтрации должны быть заданы в каждый слой модели и каждую ячейку. Горизонтальные коэффициенты фильтрации были заданы в верхний и нижний водоносные слои в зависимости от результатов анализов опытных откачек. Согласно опытным откачкам, колебания коэффициентов фильтрации верхнего
водоносного слоя находились в диапазоне от 3 до 4 м/сут. Для нижнего водоносного слоя этот диапазон составил 6.0 -17.0 м/сут.
Коэффициент фильтрации раздельного слоя был принят равным 10-4 м/сут.
Вертикальные коэффициенты фильтрации для верхнего водоносного слоя изменялись от 0.3 до 0.4 м/сут, а для нижнего слоя они были приняты от 0.6 до 1.7 м/сут.
Эффективная пористость для всех трех слоев: для I -го слоя 0,25; для II - 0,1 и для III - 0,3.
3. Моделирование стационарной фильтрации - калибровка модели
Необходимым этапом проверки модели является уточнение основных ее параметров -калибровка модели. При этом подвергаются проверке основные положения
геофильтрационной схематизации, уточняются фильтрационные свойства проводящей среды, подбирается распределение естественного фильтрационного питания и другие параметры. Критерием правильности модели служит малость отличия модельных напоров в естественной природной обстановке от наблюденных. Полного совпадения напоров быть не может из-за упрощения в модели естественных закономерностей. Однако, можно говорить об адекватности модели природной системе, если верно передаются основные тенденции и закономерности процесса, если погрешность модели находится в допустимых пределах (менее 10%). Согласно поставленным задачам были получены карты-схемы гидроизогипс (рис. 2) и пьезоизогипс с учётом параметров модели.
Калибровка модели при стационарной фильтрации осуществлялась путем сравнения пьезометрических (фактических) уровней подземных вод с расчетными уровнями, полученным по данным моделирования. Наибольшим изменениям были подвержены параметры фильтрации (особенно горизонтальный коэффициент фильтрации) и инфильтрационное питание при решении обратной задачи при стационарной фильтрации для того, чтобы достичь наилучшего совпадения природных и расчетных значений уровней подземных вод.
Для оценки перспектив использования подземных вод для водоснабжения в первую очередь было необходимо наметить (выбрать) на изучаемой территории наиболее благоприятные с точки зрения гидрогеологических условий -водообильности водоносных горизонтов территории.
С этой целью была проведена следующая оптимизационная процедура:
Благоприятными условиями для расположения водозаборов на изучаемой территории считаются те условия, которые обеспечивают возможность наибольшего водоотбора (водообильности) пресных подземных вод. Параметром, характеризующим степень водоотбора, является водопроводимость водоносных горизонтов, равная произведению мощности водоносного горизонта и его коэффициентов фильтрации.
В результате по данным моделирования была выбрана территория, в пределах которой может
быть сооружен водозабор, который обеспечит потребность г. Людиново в питьевой воде.
10000 20000 30000 40000 50000 60000
Рис. 2. Карта гидроизогипс (расчётная)
Руденко Елена Эдуардовна магистр кафедры ЮНЕСКО «Зелёная химия для устойчивого развития» РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Антонов Кирилл Алексеевич студент кафедры «Высший колледж рационального природопользования» РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Кирьякова Екатерина Александровна студентка кафедры «Высший колледж рационального природопользования» РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Объяснительная записка к гидрогеологической и инженерно-геологической картам западной части Московской синеклизы масштаба 1: 500000. Отчет ПГО «Центргеология», 1979.
2. Anderson, M.P., Woessner, W.W. Applied groundwater modeling (Simulation of flow and advective transport). Academic Press, Inc., London. ISBN 0-12-059485-4, 1992, 381 p.
3. Charles Harvey. Groundwater hydrology, lecture packet 9. Numerical modeling of groundwater. 2007.
4. Delleur J.W. The handbook of groundwater engineering, second edition, 2007, chap. 24-1.
5. Delleur J.W. The handbook of groundwater engineering, first edition, 1999, chap.20.
6. Vedat Batu. Applied flow and solute transport modeling in aquifers, fundamental principles and numerical methods, Istanbul, Turkey, 2006.
Rudenko Elena Eduardovna*, Antonov Kirill Alekseevich**, Kiryakova Ekaterina Alexandrovna*** D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected], ** [email protected], *** [email protected]
MODELING OF THE GEOFILTRATION PROCESS AT THE SITE OF KALUGA REGION (ZONE OF RADIOACTIVE TRACE)
Abstract
A model that allows optimal site selection for drilling and operating wells of drinking water supply, water supple for the purpose of fresh groundwater area located in the south of the Kaluga region.
Key words: modeling, aquifer, groundwater, geofiltration, MODFLOW, water supply.
