CC BY
12
Вюник Дншропетровського унiверситету. CepiH: геологiя, географiя. 24 (2), 2016, 30-33. Visnik Dnipropetrovs'kogo universitetu. Seria Geologia, geographia Dnipropetrovsk University Bulletin. Series: geology, geography. 24 (2), 2016, 30-33.
Doi: 10.15421/111629 http://geology-dnu.dp.ua
УДК 556.491:622
Гщродинам1чне обгрунтування структури режимно'Т спостережноТ мереж1 у г1рничодобувних рег1онах
Г. П. бвграшкша, В. В. Проценко
Днтропетровсъкий нацiональний yuieepcumem шет Олеся Гончара, Днiпро, Украша, e-mail: valkaz@Ma. fm
Вивчення змши режиму пвдземних вод у простор! i 4aci техногенно порушених територ1й в1дбуваеться на спостережнш мереж1 свердловин. Вона е першою, обов'язковою i найбiльш важливою складовою гiдрогеологiчного монiторингу кожного i3 трьох його рпяш! - глобального, регiонального i локального. Попереднi досл1дження шших авторiв для обгрунтування структури спостережноТ мереж! мають рекомендацiйний характер або базуються на методах матема-тичноТ статистики. Запропонованi розробки мають гiдродинамiчне обгрунтування i базуються на теорп фiльтрацiТ i масопереносу. Нашi доповнення до обгрунтування структури режимноТ спостережноТ мережi з мiнiмально достатньою кшькктю свердловин 1з позицГТ найкращого використання результата спостережень для достов1рнот ощнки геофшь-трацiйних i мiграцiйних параметрiв полягають у наступному. Одиночна спостережна свердловина характеризуе при-родний або порушений режим, гвдрогеолопчний процес в однш точц1 доcлiджуваноТ територiТ i не е iнформативною. За двома спостереженнями у простор! можливо побудувати пряму л1н1ю, цього достатньо, якщо гiдрогеологiчний процес описуеться р1внянням Лапласа. Але геофшьтрацшш i мiграцiйнi процеси описуються 61льш складними р1вняннями другого порядку в частинних похвдних елштичного i параболiчного тип1в. Вони характеризують нелiнiйнi процеси, тому мiнiмальна кшьюсть спостережень у простор! та чаа повинна бути не менше трьох у межах кожного дослвджува-ного об'екта або елемента ландшафту (за потоком i вхрест пвдземних вод). Наведено приклади розв'язання шверсних мпрацшних i фiльтрацiйних задач.
Ключовг слова: режимна спостережна мережа, ктцево-ргзтцевг схеми, фыътрацшт i мкрацшт параметры, тверст задачг
The hydrodynamic justification of the structure of the supervisory regim in mining regions G. P. Yevgrashkina, V. V. Procenko
Oles Honchar Dnipropetrovsk National University, Dnipro, Ukraine
Study of changes in the grounwater regime in space and time on the technologically impaired territory is on the supervisory network of boreholes. This is the first mandatory and the most important part of the hydrogeological monitoring each of the three levels - global, regional and local. Previous studies made by other authors about justify the supervisory structure of the network has an recommender nature, or based on the methods of mathematical statistics. The proposed development has hydrodynamic rationale and based on the theory of mass transfer and filtration. Our additions to rationalisation of the supervisory structure of the regim minimally sufficient number of boreholes from the perspective of the best use of observations for reliable estimate geofiltrational and migration options are : single observational borehole characterize natural or disturbed mode, hydrogeological process at one point of the research area and it is not informative. With two observations in space it is possible to make a straight line, it is enough if hydrogeological process described by Laplace equation. But geofiltrational and migration processes are described by more complex equations of second order in partial derivatives of elliptic and parabolic types. They characterize the nonlinear processes, so the minimum number of observations must be at least three in space and time within each studied object or landscape elements (the flow and across groundwater). There are examples of solving inverse problems of migration and filtration. The hydrodynamic justification of the structure of the regime observations network enhances its scientific value and practical significance. This approach enables maximum accuracy to determine the filtration and migration parameters and solve the forecast problem for the scientific substantiation of a complex of environmental measures. The development of the theory of hydrogeological monitoring is ahead of its implementation, aimed at the result -sustainable use and protection of groundwater and surface water from pollution and depletion. Keywords: supervisory regim, finite difference schemes, filtration and migration options, inverse problem.
Вступ. Режимна спостережна мережа спочатку була единою складовою пдрогеолопчного мошто-рингу. В наш час вона залишилась його першою,
обов'язковою i головною частиною. Принципи И розмщення i функщонування у прничодобув-них регюнах i на шших об'ектах антропогенно-
Dniprop. Univer. Bull. Ser.: geol., geogr., 2016, 24 (2)
го впливу досить детально висв1тлен1 у в1тчиз-нянш i св1тов1й науковш л1тератур1 (Baer, 1998; Gamburtsev, 1994; Yevgrashkina, Shmalij, 1998; Izrajel', 1979; Kovalevskij, 1998; Mironenko, 1993; Tjutjunova, 1987; Carrera, Usunoff, Szidarovsky, 1984; Iawod, Hussien, 1988). Реко-мендацп щодо розмiщення спостережно! мережi мають описовий характер або базуються на мате-матичнiй статистицi. Застосування riдродинамiч-них методiв для обгрунтування структури режи-мно! спостережно! мереж запропоновано вперше. Такий пiдхiд дае можливють i3 максимальною достовiрнiстю визначати фшьтрацшш i мпрацш-нi параметри i розв'язувати прогнозш задачi для наукового обгрунтування комплексу природоохо-ронних заходiв.
Теорiя i методи дослщжень. Основний принцип побудови режимно! спостережно! мереж за методикою, яка пропонуеться: мiнiмально достатнiй обсяг спостережень у просторi i часi повинен бути не менше трьох, оскшьки одне спостереження не iнформативне, з двох одне може бути помилковим. Якщо результати режимних спостережень вико-ристовуються для визначення геофiльтрацiйних i мпрацшних параметрiв, то кiлькiсть спостереж-них свердловин в одному елеменп сiтки, по одному напрямку також повинна бути не менше трьох. Наприклад, необхщно визначити коефiцiент пд-родисперсп D в однорщному шарi за усталеного режиму мпрацп речовини. Рiвняння масоперено-су для однiе!' токово! лшп в цих умовах мае вигляд (Brenner, 1962):
ас
D —г — V —
дх2 дх
О,
Якщо для визначення геофшьтрацшних i м> грацшних параметрiв використовуеться кшце-во-рiзницева форма диференцшних рiвнянь, то мiнiмальна кшьюсть спостережних свердловин по кожному елементу дослiджуваного профiлю також повинна бути не менше трьох. Наприклад, одновимiрне рiвняння масопереносу в неустале-ному режимi з постшними коефiцiентами:
D
э с
дх*
дС ВС
= п~Г дх dt
(3)
Для розв'язання вщносно параметра D представляемо у кшцево^зницевш формi:
\(.Ax)z САт)2 / ZAx
(.AxV (AxY-J" ZAX "" At ' (4)
де Cj. С2, Cg, Cí+1 - вщома мшератзащя шдзем-них вод у трьох свердловинах на два моменти часу т i т+1, г/дм3;
íi - активна пористють, частки одиницi;
- крок за часовою координатою, дiб. Якщо вщсташ мiж свердловинами не однако-вi, то рiвняння (3) у кшцево^зницевш формi мае вигляд:
D
{ci~cl _ .; \ Лхх1 ¡Lt^ü )
(1)
де D - коефкцент пдродисперсн, м2/доб.;
С - мiнералiзацiя пiдземних вод, г/дм3;
V - швидюсть фiльтрацi!, м/доб.;
- просторова координата, м. Аналiтичне розв'язання цього рiвняння вщ-
носно параметра D запропонував М. М. BepirÍH (Verigin, 1977):
А ш _ ^
(2)
де С2, Сэ - мшерал1защя шдземних вод у трьох точках шдземного потоку, розташованих на вщсташ Ах одна вщ íhiiioí, м.
Застосування аналiтичного ршення (2) можли-ве тiльки за однакових вщстаней мiж трьома спо-стережними свердловинами.
(5)
де Дд^2—э _ вщсташ \пж свердловинами, м.
Iншi позначення наведенi ранiше.
Для 3míhhoí у npocTopi швидкосп с|млbTpauií v
i коефщента пдродисперсн D для розв'язання íh-версно! задачi використовуемо рiвняння:
У наступнiй кiнцево-рiзницевiй формк
.-Dj Dj+Dw. ^ .
2 Ах J '
(Н
2 Ах
С? —г" i .i.j
— V.
"L + 1
Ах
"f-l-tff. Ах
At
; (7)
де Di_lrDijD¿+i - коефщенти пдродисперсн у
розрахункових точках i — 1, í, £+ 1, м2/доб.;
vi-1, vi+1 - ШВИДКОСТ1 фшьтрацн, м/доб. Iншi позначення наведенi у попередньому текстi. Швидкостi фiльтрацi! розраховуемо за даними
режимних спостережень. Параметри D,;_]_,£); , D¿+1
Dniprop. Univer. Bull. Ser.: geol., geogr., 2016, 24 (2)
визначаемо 13 системи трьох р1внянь на р13Н1 пер1-
оди часу (Yevgrashkina, 2016).
Приклад ¡нверсноУ фшьтрацшноТ задачи Для
визначення шфшьтрацшного живлення у фшь-трацшно-однорщному безнашрному водоносному шар1 на горизонтальному водотрив1 (площина пор1вняння вибрана по водотриву) розв'язуеться парабол ¡ч не р1вняння:
Дг
або
IV = р
Ы1
\ Лх1|3 А*1
, 2,3
(10)
д*Н IV _ 1
Эх2 ду* Т ~ а 01
(8)
вцщосно параметра IV у юнцево-р1зницевш фор\п [3]: Ж - д д ' -Г (9)
йаи
дсГ-водопровщшсть, м2/доб;
й-. к2, Ь.^1 - потужшсть водонасичено! частини водоносного горизонту в загальному ви-глядi та у свердловинах 1, 2, 3 на часовi моменти
% { Т + 1;
IV - iнфiльтрацiйне живлення, м/доб;
^ - коефiцieнт гiдроeмностi, частки одинищ;
ос - просторова координата, м;
t - часова координата, дiб;
Ах Дх^п , Л\,"2 Э - вщсташ м1ж свердловинами, м;
М - iнтервал спостережень у часi, дiб.
Для похилого водотриву рiвняння записуеться у повних гiдродинамiчних напорах i розв'язуеться аналогiчно (IzrajeГ, 1979). Якщо необхiдно вра-хувати фiльтрацiйну анiзотропiю, розв'язуеться двовимiрне рiвняння фшьтрацп за даними п'яти свердловин:
я2 и я2 ¿г 11л 1 яи
(11)
Методика розрахункiв детально описана В. М. Шестаковим (Shestakov, 1979), тому тут не розглядаеться.
На основi вищевикладеного побудовано режи-мну спостережну мережу бiля ставюв-накопичу-вачiв у Захiдному Донбасi (рис.). Свердловини розташоват групами по три на рiвних вiдстанях одна вщ одно!. Для ставка Балка Таранова вона дорiвнюе 100 м.
Рис. 1. Фрагменти схем розмщення спостережно1 мережi:
1 - ставок-накопичувач Балка Таранова;
2 - ставок-накопичувач Балка Стуканова.
Таке розташування дозволяе використати для
розрахунюв параметра О формулу (2) I р1вняння (4). По три спостережш свердловини розташова-ш перпендикулярно основному напрямку потоку тдземних вод на вiдстанi 50 м, тому що складо-вi швидкост фшьтрацп у цьому напрямку значно нижчь
Для хвостосховища Балка Стуканова вщсташ мiж свердловинами бiльшi. На територiях, при-леглих до шших ставкiв, залишилися схеми попе-редшх авторiв. Вони спроможнi виконувати тшь-ки контрольну функцiю. Висновки
1. Режимна спостережна мережа - перша, голов-на й обов'язкова складова всiх вцщв пдрогеолопчного мошторингу на техногенно порушених територiях.
2. Результати режимних спостережень до-цшьно використовувати комплексно - контроль, етгноз, початковi данi для iнверсних i прямих прогнозних задач, результати яких е науковим об-грунтуванням природоохоронних задач пдрогео-логiчного спрямування.
3. Гiдродинамiчне обгрунтування структури режимно! спостережно! мережi тдвищуе И науко-ву цiннiсть i практичну значимiсть.
4. Розробка теорп гiдрогеологiчного мо-нiторингу випереджае И практичне здiйснення, направлене на кшцевий результат - рацiональне використання i охорону пiдземних й поверхневих вод вщ забруднення i виснаження.
5. Актуальна проблема сучасност в системi гiдрогеологiчного монiторингу - розвиток стратеги боротьби за яюсть тдземних вод.
Dmprop. Univer. BuИ. Ser.: geol., geogr., 2016, 24 (2)
Ei6.iorpa$iHHi nocn.iaHHH
Baer, R. A., 1998. Jekologo-meliorativnyj monitoring v Ukraine, principy ego organizacii i osnovnye zadachi [Ecological and melioration monitoring in Ukraine, the principles of its organization and main tasks]. Interational conference «Environmental problems in irrigation and drainage» - 41 K: 44 - 45, (in Russian).
Brenner H., 1962. The diffusion model of longitudinal mixing in beds of finite length. Numerical values. - Chemical Engineering Science, №4, 81.
Carrera Iesus, Usunoff Eduardo, Szidarovsky Ferenc, 1984. A method for optimal observation network desing, for groundwater management I. Hydrol. -- Vol. 73, № 1-2. 147 - 163.
Gamburtsev, A. G., 1994. Koncepcija monitoringa prirodno-tehnicheskih. [The concept of monitoring of natural-technological systems]. Geoecolo-gy. M.: Nauka, 12-19, (in Russian).
Iawod Sadik B., Hussien Koram A. 1988. Ground-water monitoring network rationalization using statistical analyses of piesometric fluctuation. Hydrol. Sci. I. -- Vol. 33, №2, 181 - 191.
Izrajel', Ju. A., 1979. Global'naja sistema nabljudenij: prognoz i ocenka izmenenij sostojanija okru-zhajushhej sredy. Osnovy monitoringa. [Global Observing System: forecast and assessment of environmental changes. Based monitoring]. Meteorology and hydrology. Moscow, 7, 54-67, (in Russian).
Kovalevskij, V. S., 1998. Principy optimizacii monio-ringa podzemnyh vod [Principles of optimization of groundwater monitoring]. Geoecology. -M.: Nauka, №. 21 - 32, (in Russian).
Mironenko, V. A., 1993. O koncepcii gosudarstven-nogo gidrogeologicheskogo monitoringa [About the state of concept hydrological monitoring].
Geoecology. M.: Nauka, №1, 19 - 29, (in Russian).
Samarskij, A. A., 1977. Teorija raznostnyh shem [The theory of difference schemes]. M.: Nauka, 653, (in Russian).
Shestakov, V. M., 1979. Dinamika podzemnyh vod [The dynamics of groundwater]. Moscow, 368, (in Russian).
Tjutjunova, F. M., 1987. Gidrogeohimija tehnogeneza [Hydrogeochemistry technogenesis]. M.: Nauka, 375, (in Russian).
Verigin, N. N., Vasil'ev, S. V., Sarkisjan, V. S., Sherzhukov, B. S., 1977. Gidrodinamicheskie i fiziko-himicheskie svojstva gornyh porod [Hy-drodynamic and physical and chemical properties of rocks]. M.: Nedra, 271, (in Russian).
Yevgrashkina, G. P., 2003. Vlijanie gornodobyva-jushhej promyshlennosti na gidrogeologiches-kie i pochvenno-meliorativnye uslovija territorij [The impact of mining on the hydrogeological and soilreclamation conditions of the territory]. Dnipropetrovsk, Monolit, 200, (in Russian).
Yevgrashkina, G. P., Shmalij, T.I., 1998. Klassifik-acija gidrogeologicheskih prognozov i orga-nizacija nabljudenij za rezhimom podzemnyh vod v uslovijah tehnogeneza [Classification of hydrological forecasts and the organization of observations of the groundwater regime in technogenesis] Visn. Dnipropetr. Univ. Ser. Geology. Geography. 2, 62 - 65, (in Russian).
Yevgrashkina, G. P., Kalinkina, O. E., Procenko, V. V., 2016. Udoskonalennja koncepcii' suchasno-go gidrogeologichnogo monitoringu lokal'nogo rivnja [Improvement of the concept of modern hydrogeological monitoring local level]. Visn. Dnipropetr. Univ. Ser. Geology. Geography. 24(1), 28 - 31 (in Ukrainian).
Hadiuwjia do pedmneai 13.10.2016
Dniprop. Univer. Bull. Ser.: geol., geogr., 2016, 24 (2)
