Аппаратурно-методический комплекс для геофизических исследований процессов фильтрации на пресноводных водоемах

Глава 5. Опыт применения комплекса при решении геоэкологических задач.

Техническое обеспечение исследований методами ЕП, резистивиметрии и термометрии основано на многофункциональном комплексе аппаратуры, спроектированном и изготовленном научным руководителем исследования на кафедре, а его программное обеспечение и согласование с аналого-цифровой измерительной частью и ЭВМ разработаны и реализованы автором.

Для измерения потенциалов ЕЭП применяется усилитель со следующими характеристиками: уровень шума, приведенный к входу, 9 нВ/ √Гц; смещение нулевого уровня, приведенное к входу, ≤ 1 мкВ/^oC; 4 канала (обычный и дифференциальный режим). Для контактного измерения элементов ЕЭП руководителем настоящего исследования были разработаны специальные неполяризующиеся электроды, работающие по принципу солевого моста, реализованного за счёт контакта двух растворов через сменную волокнистую мембрану, что решает проблему загрязнения поверхности электрода. Конструктивно, электрод выполнен в виде обтекаемого продолговатого цилиндра и оснащен элементами, повышающими плавучесть, а также съемным жестким чехлом. В лабораторных условиях естественный <дрейф> собственного нуля электродов не превышал 200 мкВ/ч и имел преимущественно линейный характер.

Измерение температуры выполняется контактным способом посредством промышленного терморезистора, заключенного в тонкостенный медный корпус. В качестве измерительного устройства выступает специально разработанный модуль термометра на основе мостовой схемы со стабилизацией измерительного тока и переменным коэффициентом усиления выходного сигнала. Основные характеристики измерителя температуры следующие: измеряемая температура 3 - 35 ^oC; точность ± 0,05 ^oC; средняя чувствительность для низких температур ~ 0,002 ^oC, для высоких температур ~ 0,006 ^oC; постоянная времени терморезистора в воде в условиях естественной конвекции 34 с; смещение нуля сквозного канала ≤ 0,15 ^oC/час.

Электрическое сопротивление жидкости измеряется на частоте 5,7 кГц с использованием коаксиальной двухэлектродной электрохимической ячейкой проточного типа. Метод <двух сопротивлений> по условиям измерений не подходит для натурных наблюдений в режиме непрерывного движения. Поэтому было принято решение измерять модуль комплексного сопротивления раствора путем включения ячейки в цепь измерительного усилителя, работающего в режиме постоянного тока (амплитуда гармонического тока не зависит от сопротивления ячейки). Поскольку в предполагаемом диапазоне минерализации жидкости мнимая часть комплексного сопротивления не превышает 10 %, измеряемая величина дает достаточное представление о проводимости, понимаемом в общепринятом смысле этого слова. Основные характеристики измерителя сопротивления следующие: эквивалентное выходное сопротивление усилителя > 10 - 50 МОм; амплитуда тока через измерительную ячейку 130 мкА; смещение нуля по выходному сигналу 0,15 В/ч; измеряемое сопротивление: 0 - 2 кОм; чувствительность ~ 0,003 В/Ом.

Все измерительные каналы были согласованы с входным импедансом и диапазоном напряжений промышленного 11-разрядного АЦП с УВХ, сопряженного с ПК типа notebook. Со стороны ЭВМ аппаратно-программный комплекс замыкала программа для комплексной регистрации и анализа геофизических данных, разработанная автором.

В главе приводится описание техники и результатов исследования предложенным аппаратурно-методическим комплексом южного участка р. Москвы и Новодевичьих прудов.

В рамках акваторных исследований Новодевичьих прудов и прилегающей к ним территории требовалось выяснить наличие фильтрационных процессов и уточнить плановое положение зон фильтрации. Дополнительно необходимо было определить мощности и объем донных отложений, которые находились с использованием метода радиолокации.

Измерения элементов ЕЭП проводились на поверхности воды способом потенциала по детальной прямоугольной сетке. Температура и УЭС воды измерялись с малым шагом вдоль восточных берегов прудов на урезе воды в течение ~ 5.5 ч в облачную безветренную погоду. Радиолокационные исследования выполнялись промышленным устройством на частоте 300 МГц.

В результате обработки данных метода ЕП получено распределение потенциала на поверхности прудов (рис. 5). Мал. Новодевичий пруд характеризуется небольшими градиентами потенциала ЕЭП, в то время как в северо-восточной части Бол. Новодевичьего пруда наблюдается сильная положительная аномалия до 50 мВ относительно потенциала нулевого электрода, которая предположительно связана с относительно большим притоком воды в озеро. Результаты моделирования предложенным методом показали, что площадь развития фильтрации не менее ~ 7000 м². Невозможность указать более определенные значения связана с ограничениями модели. Оценка скорости фильтрации по величине аномалии в результате моделирования, дала неестественно большие для изучаемого района скорости фильтрации (> 0,1 м/сут), что может быть связано с наличием других, отличных от фильтрационных, источников ЕЭП в пределах пруда. Учитывая небольшую глубину (1,5 - 2 м) и застойный режим пруда, автор связывает зарегистрированную аномалию потенциала с возможным наличием окислительно-восстановительных и диффузионно-адсорбционных процессов на дне пруда. Расположение зон <повышенного увлажнения> по периметру прудов, полученное по данным радиолокации, в северо-восточной части Бол. Новодевичьего пруда в целом совпадает с положением аномалии потенциала ЕЭП.

Анализ данных термометрии и резистивиметрии показал, что в период исследований Мал. Новодевичий пруд характеризуется аномалией температуры в 1 ^oC и примерно постоянным фоновым УЭС воды ~ 47 Ом^.м, а в Бол. Новодевичьем пруду отмечается повышение температуры в северо-восточном направлении с 11,5 до 14 ^oC и понижение УЭС воды с 55 до 45 Ом^.м. Аномалии температуры и УЭС располагаются в северо-восточной части Бол. Новодевичьего пруда и предположительно связаны с притоком в озеро воды с повышенной температурой и пониженной минерализацией в этом месте.

Совокупность данных метода ЕП, термометрии, резистивиметрии, позволяет утверждать, что значительная доля зарегистрированных потенциалов ЕЭП связана с фильтрационными процессами. В результате обработки радиолокационных данных определены глубины воды, кровли и подошвы современных осадков на Новодевичьих прудах, и рассчитан объем современных осадков, которые потенциально являются вторичным источником загрязнения водоема. Согласно полученным результатам автор и руководитель склоняются в пользу гипотезы о существовании подземного притока вод в Бол. Новодевичий пруд в период проведения исследований. В результате совместного анализа данных предложенного комплекса были локализованы участки развития фильтрационных процессов; установлены направления и оценены площади зон фильтрации.

Исследования юго-восточного участка р. Москвы выполнялись с целью совершенствования знаний о структуре и параметрах ЕЭП вблизи поверхности воды и выяснения возможности использования водного варианта метода ЕП при решения задач геоэкологии, гидро- и инженерной геологии в пределах крупных городских агломераций. По ряду причин исследования были выполнены с различной степенью полноты рассматриваемого комплекса геофизических методов.

Большая часть натурных наблюдений методом ЕП здесь проводились по способу градиента путем буксировки массива измерительных электродов в водной толще. База градиента выбиралась по результатам моделирования ЕЭП фильтрационного происхождения с учетом априорных данных о размерах и положении зон фильтрации. Для совершенствования знания о характере ЕЭП в водном объеме, на нескольких участках дополнительно выполнялись исследования по способу потенциала (вертикальные и горизонтальные профили). При исследованиях осуществлялось эхолотирование и позиционирование данных с помощью промышленного цифрового эхолота. Общий объем наблюдений в период 2005 - 2007 г. превысил 120 км.

Были опробованы обе предложенные в настоящем исследовании схемы расположения электродов - при <обычном> и дифференциальном включении. Показано, что в последнем случае уровень промышленной помехи удалось снизить в несколько раз. Компоненты ЕЭП на поверхности р. Москвы исследовались по ряду длинных профилей, пройденных с годовым интервалом. Ввиду сильной изменчивости разностных производных ЕЭП, анализ данных производился в терминах потенциала ЕЭП, восстановленного с точностью до постоянной составляющей по методу развитому в настоящем исследовании.

На рис. 6 представлен сравнительный анализ результатов восстановления потенциала ЕЭП по данным натурных наблюдений продольного градиента ЕЭП по профилю от Бесединского моста до причала КСА с общей длиной 12 км в 2005 г. (база 20 м) и 2006 г. (база 15, 35 и 55 м). Результат демонстрирует хорошую взаимную корреляцию распределений потенциала, полученных с интервалом в 1 год. На координате 9000 м от начала профиля имеет место сильно выраженная депрессия дна реки. Над депрессией наблюдается отрицательная аномалия потенциала ЕЭП с относительным значением 5 мВ, которая, согласно представлениям о составе отложений дна и минерализации воды, соответствует месту развития фильтрационных процессов типа утечек. Аномально большая для р. Москвы глубина воды, а также сравнительно небольшие линейные размеры депрессии позволяют некоторым специалистам делать вывод о её тектонической природе, а, следовательно, она может рассматриваться как зона повышенной проницаемости, через которую возможна интенсивная фильтрация воды.