Казак Андрей Владимирович
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
|
содержание |
Актуальность исследования. В настоящее время в Российской Федерации наблюдается развитие и совершенствование во всех сферах промышленности и народного хозяйства. Не исключением стали контроль за состоянием водных ресурсов и повышение требований к эксплуатации поверхностных водных объектов, как с технической, так и экологической точек зрения.
Важной группой процессов, протекающих в рамках любого естественного или искусственного водоема, является совокупность гидродинамических явлений, выражающаяся в существовании фильтрации воды в водоем и/или из водоема. Исследование фильтрационных явлений ложа различных естественных и искусственных водоемов является в настоящее время очень актуальной задачей. Объясняется это существованием зон <нежелательной> фильтрации в ложе водоемов, которые изменяют их первоначальные функции, а также нарушают экологическое равновесие самих водоемов с прилегающими к ним территориями.
С этой позиции все искусственные водоемы можно разделить на две группы: водоемы, в которые попадание загрязнений нежелательно (водохранилища) и водоемы, утечки из которых являются крайне нежелательными (отстойники, пруды для сброса отработанной воды с АЭС). Естественные водоемы, особенно в крупных городах (р. Москва), нуждаются в усиленном контроле на предмет техногенных притоков и утечек. Притоки могут вызвать загрязнение воды в водоеме, а утечки могут привести к активизации или увеличению интенсивности процессов выветривания на прилегающих территориях (протекание карстово-суффозионных процессов, подтопление жилых и промышленных территорий). В последнее время остро стоит проблема выявления областей развития карста, приуроченных к зонам интенсивной фильтрации, как в крупных мегаполисах, например в г. Москве, так и на территориях масштабных гидротехнических сооружений, типа водохранилищ. Другая важная задача - это обнаружение и локализация в пространстве мест, через которые в водоем поступают загрязняющие флюиды, как из залегающих ниже водоносных горизонтов, так и из подземных коммуникаций, находящихся в аварийном состоянии. В случае естественных водоемов на территории крупных мегаполисов (р. Москва) очень актуальна задача определения местоположения источников вторичного загрязнения (илы) на дне водоема, которые имеют тенденцию к расположению в окрестности областей утечек воды из водоема. Проблема подтопления городских агломераций также имеет место практически во всем мире. Сохранение воды надлежащего качества в поверхностных водных объектах приобретает особую важность. Так как проблема водоснабжения велика, то для учета потерь воды, целесообразно использовать эффективный и производительный метод исследования областей утечек и загрузки воды через ложе водоемов.
Одним из традиционных методов исследования процессов фильтрации является гидрологический метод, который является трудоемким, малопроизводительным и, зачастую, недостаточно разрешенным в пространстве, особенно при исследованиях водоемов со значительными площадями акваторий. Как следствие редкой сети гидрологических наблюдений понижается точность определения местоположения и геометрии зон фильтрации. В связи с этим возникает потребность в более оперативном и производительном способе локализации зон фильтрации воды, а также определения таких характеристик зон фильтрации, как направление (приток, утечка), скорость и расход воды.
Среди возможных вариантов решения этой задачи, использование комплекса геофизических методов является привлекательным по ряду причин. Во-первых, наличие процессов фильтрации приводит к появлению в окружающем пространстве аномалий ряда физических полей. Комплексное исследование и анализ данных по набору физических полей, наиболее чувствительных к процессам фильтрации воды через дно и борта водоема, позволяет получить более достоверную и разностороннюю оценку параметров. Во-вторых, имеется возможность проводить наблюдения физических полей бесконтактным способом, в том смысле, что измерения выполняются в объеме воды вблизи дневной поверхности. Это обстоятельство позволяет преодолеть ряд технических трудностей при измерениях и существенно повысить производительность исследований, а, следовательно, увеличить пространственную и временную разрешающую способность исследований.
Основная цель исследования состоит в разработке теоретических, технических, аппаратных и вычислительных аспектов комплекса геофизических методов для дистанционного, бесконтактного и высокопроизводительного исследования процессов фильтрации, протекающих в ложе пресноводных водоемов любого типа, конфигурации и масштаба.
Основные задачи исследования:
1) Выбор комплекса геофизических методов для исследования фильтрационных процессов на водоемах.
2) Создание алгоритма решения прямой задачи метода естественного электрического поля, как центрального метода комплекса и оценка возможности регистрации аномалий естественного электрического поля, связанных с фильтрационными процессами на поверхности водоема.
3) Разработка способа прецизионного определения комплексного электрического сопротивления водных электролитов, как фактора обладающего сильной реакцией на изменение химического состава и качества воды.
4) Анализ динамической характеристики термоприемника и реализация способа её коррекции для увеличения быстродействия измерителя температуры как при зондировании в грунте, так и при непрерывном движении в водной толще.
5) Обоснование и разработка аппаратно-программного аналого-цифрового комплекса для регистрации данных комплекса геофизических методов, как в лабораторных, так и в полевых условиях в процессе непрерывного перемещения измерительных датчиков в среде.
6) Разработка и тестирование программ цифровой обработки данных комплекса геофизических методов.
7) Испытание предложенного аппаратурно-методического комплекса в ходе геофизических исследований природных объектов.
8) Анализ подходов к качественной и количественной интерпретации данных, полученных в результате обработки.
Объектом исследования является совокупность явлений фильтрации воды через ложе естественных и искусственных водоемов.
Предмет исследования состоит в изучении естественного электрического, термического полей и поля электрического сопротивления в водной толще, в том числе связанных с фильтрационными процессами, протекающими в дне и бортах водоемов.
Методологическая и теоретическая основа исследования. Основу работы составили научные труды отечественных и зарубежных авторов, специализирующихся в области теории математического моделирования естественных процессов, области геофизических методов исследования земной коры, а также в области разработки методов измерения физических полей в условиях натурных наблюдений. Среди отечественных пионеров-исследователей фильтрационных процессов на водоемах геофизическими методами необходимо указать следующие имена: Огильви А. А., Богословский В. А., Калинин А. В., Калинин В. В., Владов М. Л., Мусатов А. А., Горбунов А. А., Модин И. Н. Стоит также огласить имена отечественных исследователей, принимавших и принимающих активное участие в разработке теории геофизических полей фильтрационной природы: А. И. Заборовский, Л. М. Альпин, А. С. Семенов, В. В. Кормильцев, К. В. Титов, П. К. Коносавский. Имена зарубежных исследователей, изучавших похожие проблемы и решавших сходные задачи такие: William R. Sill, Robert F. Corwin, David V. Fitterman, Andrew P. Bérubé и др.
Исследование выполнено с использованием математических, статистических методов, а также метода сравнений и аналогий, метода обобщений и метода натурных наблюдений.
Информационная база исследования. В качестве информационных источников в работе использовались:
1) Научные источники в виде данных и сведений из монографий, журнальных статей, кандидатских и докторских диссертаций, научных и производственных докладов и отчетов, материалов научных конференций.
2) Результаты собственных расчетов и проведенных лабораторных и натурных экспериментов.
3) Официальные документы в виде законодательных актов, государственных стандартов и нормативных документов.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
1) Впервые разработан и реализован алгоритм решения прямой задачи метода естественного электрического поля (ЕП) для плоскопараллельной модели водоема (воздух, вода, однородное полупространство) с произвольным расположением зон фильтрации различных типов на дне.
2) Реализован в цифровой форме и усовершенствован ранее известный алгоритм восстановления потенциала естественного электрического поля по данным наблюдения дипольными установками.
3) Предложен и реализован способ раздельного измерения компонентов комплексного сопротивления электрохимической ячейки, а также сделана оценка статической и динамической погрешностей измерения.
4) Реализован в цифровой форме и развит ранее известный алгоритм коррекции динамической характеристики измерителя температуры, а также исследована область его применения и ограничения.
5) Проведены лабораторные и натурные испытания многофункционального масштабируемого аналого-цифрового аппаратно-программного комплекса, предназначенного для проведения геофизических исследований в водном объеме, как в статическом (точечном), так и в динамическом (непрерывное движение) режимах.
6) Отработаны методические вопросы наблюдения естественного электрического поля, полей температуры и электрического сопротивления вблизи поверхности ряда водоемов с целью выявления зон фильтрации воды. Развиты представления о пространственной структуре изучаемых физических полей на водоемах. Существенно дополнена имеющаяся фактологическая база по теме исследований.
Практическая значимость исследования. Предложен аппаратурно-методический геофизический комплекс, а также теоретически разработан и практически реализован вариант его аппаратно-программной реализации для определения местоположения и типа зон фильтрации через дно и борта естественных и искусственных водоемов, а также для оценки местоположения, геометрии и размеров зон и скорости фильтрации жидкости. Комплекс может быть практически использован для прогноза развития неблагоприятных природных и техногенных процессов, для решения задач геоэкологического мониторинга, а также для выработки обоснованных рекомендаций для проектных организаций. Предложенный комплекс позволяет существенно расширить фактологическую базу и дать количественные величины для построения более адекватных геологических, гидрогеологических, гидрологических и геофизических моделей. Современная аппаратная аналогово-цифровая база реализации комплекса обеспечивает высокую точность выходных данных, а также позволяет использовать реализацию комплекса как самостоятельно, так и в связке с другими методами, как в лабораторных условиях, так и для натурных исследований пресноводных водоемов любого типа конфигурации и масштаба в широком диапазоне условий наблюдения.
Личный вклад автора диссертации в общий результат исследования:
1) Получено аналитическое решение и разработан численный алгоритм для моделирования естественного электрического поля фильтрационной природы для упрощенной модели водоема. Алгоритм реализован в виде прикладного программного обеспечения для ЭВМ.
2) Выполнены все численные и основная часть лабораторных экспериментов.
3) Практически реализованы стыковка и согласование комплекса измерительной аппаратуры с аналого-цифровой измерительной частью и ЭВМ посредством разработки соответствующего прикладного программного обеспечения для комплексной регистрации данных комплекса.
4) Выполнены все натурные наблюдения.
Защищаемые положения. Защищается совокупность теоретических, методических разработок, лабораторных и натурных исследований, включающая следующее:
1) Выбран комплекс геофизических методов, состоящий из ЕП, резистивиметрии и термометрии в водном объеме, предназначенный для дистанционных исследований искусственных и естественных водоемов на предмет нахождения параметров фильтрационных процессов через поверхность водного объема.
2) Получено решение прямой задачи метода ЕП для упрощенной модели водоема при наличии источников тока фильтрационной природы. На базе теоретического решения была разработана программа моделирования на персональной ЭВМ, которая позволила разработать эффективные методики натурных наблюдений по методу ЕП в водном варианте.
3) Предложен и реализован способ раздельного измерения компонентов комплексного сопротивления электрохимической ячейки, а также сделана оценка статической и динамической погрешностей измерения. Апробация метода осуществлялась при измерении активного и реактивного сопротивления водного раствора соли NaCl с помощью двухэлектродной электрохимической ячейки. Метод позволяет существенно повысить точность определяемых абсолютных значений проводимости.
4) Вычислительно реализован метод коррекции динамической характеристики преобразователя температуры с целью увеличения его быстродействия. По результатам лабораторного эксперимента в режимах естественной и вызванной конвекции было достигнуто увеличение быстродействия термометра в 4 - 5 раз. Программная реализация метода позволяет повысить точность определения температуры и положения источников аномалий.
5) Проведены представительные по объемам опытно-методические исследования доступных поверхностных объектов (Новодевичьи пруды, юго-восточный участок р. Москвы и её притоки) предложенным аппаратурно-методическим комплексом. На нескольких объектах, которые, согласно априорным данным, в сильной степени подвержены явлениям фильтрации, были зарегистрированы аномалии физических полей, которые, по результатам комплексирования методов, наиболее вероятно соответствуют наличию значимых фильтрационных явлений. В результате обработки данных предложенного комплекса были сделаны оценки направления фильтрации и, в некоторых случаях, площади развития фильтрационных процессов.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований докладывались автором на следующих мероприятиях: день научного творчества студентов МГУ (г. Москва, 2006 г.); международная выставка-конференция общества EAGE <69th EAGE Conference & Exhibition incorporating SPE EUROPEC 2007> (г. Лондон, 11 - 14 июня 2007 г.); международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных <Ломоносов-2008> (г. Москва, 7 - 11 апреля 2008 г.). Результаты исследования вошли в состав научно-производственных отчетов и помогли в деятельности двух профильных организаций: МГУП <Мосводоканал> и ЗАО <Центр практической геоэкологии О плюс К> (ЦПГ).
Публикации. Основные положения работы и результаты исследований по различным направлениям работы опубликованы в 5 научных статьях и 3 сборниках материалов к профильным научно-практическим конференциям.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и 4 приложений. Содержит 222 страницы машинописного текста, в том числе 1 таблицу, 36 рисунков и библиографический список использованных литературных источников из 168 наименований, из которых 30 иностранных.
Благодарности. Автор сердечно благодарит научного руководителя Калинина В. В. за постоянное внимание, бесконечное терпение и безграничное понимание, снисходительность, жесткую и конструктивную критику выводов деятельности автора в процессе выполнения и написания работы. Особую благодарность автор выражает заведующему кафедрой сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Владову М. Л. за всемерную финансовую и материальную поддержку работы, а также за организацию части натурных наблюдений. Автор также желает высоко оценить помощь, ценные замечания и рекомендации следующих сотрудников геологического факультета: кафедра сейсмометрии и геоакустики - Старовойтов А. В., Степанов П. Ю., Калашников А. Ю.; кафедра геофизических методов исследования земной коры - Горбунов А. А., Модин И. Н., Бобачев А. А.; кафедра гидрогеологии - Орлов М. С. Часть натурных наблюдений не смогла бы быть реализована без самоотверженного участия супруги автора Крузиной Е. С. и студентов кафедры сейсмометрии и геоакустики Зелинского Н. Р. и Ли В. О. Исследования на акватории р. Москвы были бы невозможными без заразительного энтузиазма и щепетильности Щегольковой Н. М. из ИТЦ МГУП <Мосводоканал>.
Автор в бесконечном долгу перед своими родителями Казаком В. Г. и Казак Т. Г. за предоставленную возможность заниматься научной деятельностью в процессе учебы в аспирантуре.
| 