Модели и методы исследований гидрогеологических процессов для рационального использования подземных вод в условиях техногенезаНИР

Models and methods of hydrogeological processes study for the management of groundwater in technogenesis

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Анализ и апробация на ключевых объектах современных методов моделирования геофильтрационных и геомиграционных процессов
Результаты этапа: -
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Обоснование методики геофильтрационного и геомиграционнаго моделирование водопользования и охраны подземных вод на ключевых объектах
Результаты этапа: -
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Анализ и апробация на ключевых объектах современных методов моделирования геофильтрационных и геомиграционных процессов
Результаты этапа: -
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Анализ и апробация на ключевых объектах современных методов моделирования мероприятий по защите и охране подземных вод
Результаты этапа: -
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Моделирование и мониторинг гидрогеологических процессов при решении геоэкологических задач, связанных с воздействием на подземные воды
Результаты этапа: Исследования отчетного года проводились с использованием данных трех ключевых объектов пилотных исследований – полигону ТКО Тимохово, в Московской области, Южно-воронежского месторождения пресных подземных вод, Ессентукского месторождения минеральных вод. Модельный анализ процессов миграции в районе полигона Тимохово показал, что несмотря на его закрытие, для защиты и охраны подземных и поверхностных вод требуется реабилитационные мероприятия. При помощи разработанных моделей оценена эффективность реабилитационных мероприятий и предложен оптимальный метод реабилитации подземных вод. Обоснована модель пространственной неоднородности целевого водоносного пласта Южно-воронежского месторождения пресных подземных вод, на которой проведена серия численных экспериментов по моделированию кустовых откачек. В результате модельного анализа этих откачек показано, что при их обработке с помощью стандартных аналитических методов временного, площадного и комбинированного прослеживания, полученные значения эквивалентной проводимости соответствуют среднегеометрическому значению поля проводимости, осреднённому в пределах каждого куста. В результате анализа процессов, влияющих на колебания напоров подземных вод в условиях неравномерного в пространстве и времени водоотбора обоснована применимость для прогноза среднегодовых напоров модель авторегрессии и распределённого лага. Эта модель верифицирована на данных многолетних наблюдений за напорами и расходами отбираемых скважинами минеральных вод Ессентукского месторождения.
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Модели и методы исследований гидрогеологических исследований геотехнологических процессов
Результаты этапа: Исследования отчетного года проводились с использованием данных двух ключевых объектов пилотных исследований – Сутарского месторождения железистых кварцитов и Хиардинского уранового месторождения. Выбор этих объектов обусловлен тем, что отработка полезных ископаемых на них напрямую связана с проблемами подземных вод. А для оценки и анализа гидрогеологических процессов, протекающих на этих месторождениях, ключевым этапом является разработка и обоснования геофильтрационных моделей потока подземных вод, подверженного влиянию техногенеза, связанного с их разработкой. Разработка геофильтрационной модели для Сутарского месторождения железистых кварцитов производилась для обеспечения организации дренажной системы карьера и оптимизации системы водоотлива. В значительной степени приток подземных вод в карьер будет обусловлен инфильтрационным питанием, для оценки которого было выполнено геогидрологическое моделирование. В результате моделирования получено, что прогнозная величина притока в карьер, в соответствии со схемой максимальной отработки карьерного поля, составила 193 700 м3/сут. Анализ результатов расчетов притоков в разные системы дренажей показывает, что наиболее приемлемым является вариант комбинированного дренажа, состоящего из двух ярусов вертикального дренажа и поверхностного водоотлива из карьера. Для Хиардинского месторождения откалиброванная региональная модель и система локальных моделей-врезок палеодолин Х-3 и Х-4 и приуроченных к ним рудных залежей. С помощью локальных моделей обоснованы оптимальные схемы отбора и последующей закачки подземных вод, выполнен прогноз заводнения обеих залежей, и проведен анализ неопределенностей этого прогноза. На основании результатов прогнозного моделирования предложена система мониторинга закачки.
7 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Модели и методы исследований гидрогеологических исследований: оценка неопределенности прогнозов и рисков
Результаты этапа: Показана эффективность использования модельно-ориентированного подхода для решения задач реабилитации подземных вод на примере промплощадки Байкальского Целлюлозно-Бумажного Комбината (БЦБК). Для его территории разработана система моделей геофильтрации и миграции химического и теплового загрязнения. С их помощью оценен процесс самореабилитации подземных вод в случае прекращения поступления с промплощадки комбината. Показано, что процесс реабилиации будет ускорен, а разгрузка загрязнённого потока подземных вод в Байкал уменьшена при работе перехватывающего водозабора. На примере Кульдурского месторождения термальных и минеральных вод отработана методика создания и калибрации по разным типам данных связанных моделей геофильтрации и теплоперерноса с последующей модельной оценкой фактров, влияющих на формирование месторождения. Для этого построена циркуляционная модель формированя минеральных вод. Показана решающая роль разлома в локализации выходов минеральных вод в долине реки Кульдур. Начаты работы по оценке загрязнения подземных вод микропластиком в техногенно-нагруженных регионах.. Для этого выполнены оценки содержания микропластика в поверхностных водах и донных отложениях реки Оки в районе Андреевского месторождения подземных вод и Москвы-реки в районе Звенигорода показали, что на обоих объектах поверхностные воды и донные отложения водотоков являются потенциальными источником загрязнения подземных вод при их эксплуатации. Также, подземные воды водоносных горизонтов могут содержать частицы МП, попавшие в них в областях питания в естественных условиях.
8 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Модели и методы исследований гидрогеологических исследований: реабилитация загрязнённых подземных вод
Результаты этапа: В результате проведенных в отчётном году исследований на ключевых объектах получены следующие основные результаты. Разработана концептуальная геофильтрационная модель шахтного поля трубки Интернациональная, которая позволила оценить текущую степень воздействия добычных работ на геологическую среду. Результаты калибровки этой модели подтвердили принципиальную верность выбранной геофильтрационной схемы. В прикладном плане эта модель используется для расчета прогнозных водопритоков в дренажные скважины горизонта -145 м абс отм. для выбора и обоснования аварийных сценариев. Основные научно-методические результаты этой части исследований состоят в следующем: • Анализ чувствительности модели к параметрам в процессе калибрации позволяет определить возможность определения параметров той или иной концептуальной схемы геофильтрационной неоднородности, принятой в процессе геофильтрационной схематизации • Отработана методика моделирования дренажно-восстающих скважин с формированием зоны осушения вокруг их стволов Разработана методика экспериментального определение скоростей растворения пород чарской свиты в образцах для оценки растворения массива солей. Основной научно-методический результат этой работы состоит в том, что создана установка для экспериментального исследования растворения при отрицательных температурах и методика расчета кинетики растворения. Исследование реабилитации подземных вод на территории БЦБК с помощью системы моделей, разработанных на предыдущих этапах показало, что результаты эпигнозного моделирования удовлетворительно воспроизводящими историю контаминации территории, то есть эти модели могут использоваться для проектирования реабилитационных мероприятий. Общее научно методическое значение полученных результатов состоит в том, что, в процессе кадибрации определена константа биоразложения нефтепродуктов, составляющая всего около 0,001 1/сут, что показывает, достаточно низкий потенциал самореабилитации холодных подземных вод Прибайкалья от нефтяного загрязнения. Основным научно-методическим результатом исследования микропластика в подземных водах в текущем году является обзор аналитических методов их определения и результаты оценки его содержания в пробах, отобранных в предыдущий год. Полученное разнообразие обнаруженных типов МП и высокая концентрация в подземных водах защищенного от загрязнения подольско-мячковского водоносного горизонта в районе Звенигорода требует разработки и верификации концептуальной модели его проникновения в подобные горизоны зоны активного водообмена
9 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Модели и методы исследований гидрогеологических исследований при обосновании закачки и водоотбора подземных вод
Результаты этапа: Общей целью исследований по теме «Модели и методы исследований гидрогеологических процессов для рационального использования подземных вод в условиях техногенеза» является совершенствование модельно-ориентированного подхода к прогнозированию техногенного влияния на гидрогеологические процессы и методов их исследований для решения прикладных задач использования и охраны подземных вод. Способ достижения указанной цели включает теоретический анализ современных моделей гидрогеологических процессов, развитие существующих и разработка новых методов гидрогеологического прогнозирования на основе модельно-ориентированного подхода и апробация результатов теоретических и методических результатов на ключевых объектах пилотных исследований. Эти ключевые объекты, как правило связаны с прикладными исследованиями, проводимыми с участием кафедры гидрогеологии В рамках работ 2024 года исследования проводились на одном новом ключевом объекте исследований и на ряде старых. В результате проведенных в отчётном году исследований на ключевых объектах получены следующие основные научно-методические результаты. 1. При исследовании на ключевом объекте – Андреевское месторождение подземных вод, типичном месторождении приречного типа на основе анализа разведочных работ выявлено по диагностике данных опытно-фильтрационных опробований: - Идентификация гидрогеодинамических параметров по начальному этапу нестационарного режима откачек бесперспективна в силу отсутствия аналитических моделей, совокупно описывающих действие внутренних и внешних балансообразующих факторов - Параметры проводимости и сопротивления ложа р. Оки следует оценивать по площадному распределению стационарных понижений по схеме «у узкой несовершенной реки» - Параметры проводимости и обобщенный фактор внутреннего перетекания следует оценивать по площадному распределению стационарных понижений по схеме «перетекание при постоянном уровне в смежном пласте» (под «постоянным уровнем в смежном пласте» при этом условно понимается уровень р. Оки, не реагирующий на откачку) - В качестве дополнительного приема интерпретации данных откачек (проводимость и обобщенный фактор внутреннего перетекания) возможно использование билогарифмического временнóго прослеживания по такой же схеме - Решение идентификационных обратных задач следует выполнять для периодов стабилизации понижений - Решение прогнозных задач на полный расчетный срок эксплуатации следует выполнять в стационарной постановке. 2. Исследования на ключевом объекте БЦБК: Калибрация геофильтрационной модели позволила достичь удовлетворительного соответствия расчетных уровней подземных вод имеющимся наблюденным данным. Диапазон вариации нормализованной ошибки для рассмотренных стресс-периодов составил ~12-18%. Калибрация геомиграционных моделей теплового и растворенного химического загрязнений производилась в два этапа – в первую очередь определен режим и интенсивность выделенных источников загрязнения для достижения нормализованной ошибки менее 20% при сопоставлении наблюденных и расчетных значений; далее производилась калибрация по параметру продольной дисперсивности для достижения более достоверного воспроизведения распространения двух типов загрязнения в подземных водах. Расчеты массопереноса для консервативного мигранта, который определялся данными по значению минерализации подземных вод, показали, что наименьшая нормализованная ошибка (12,3%) достигается при значении параметра продольной дисперсивности 4 м. А расчеты теплопереноса показали, что наименьшая нормализованная ошибка (15,8%) достигается при значении параметра продольной дисперсивности 230 м, что более чем на порядок выше, чем в модели массопереноса. Полученное различие параметра продольной дисперсивности для моделей теплопереноса и массопереноса можно объяснить тем, что основной источник теплового загрязнения расположен в 10 раз дальше от точек наблюдения по сравнению с источниками химического загрязнения. Это объясняет превышение на порядок продольной термодисперсивности по сравнению с дисперсивностью для массопереноса. Кроме того, полученное различие термодисперсивности и дисперсивности, возможно, связано с неучтенными при моделировании механизмами рассеивания и поступления тепла – отток тепла за счет кондуктивного теплообмена через кровлю и подошву моделируемой области, неучтенные источники теплового загрязнения и др. Оценку значимости этих процессов в формировании ореола теплового загрязнения целесообразно провести при дальнейших исследованиях. 3. В результате исследований на ключевом объекте – Звенигородском опытном полигоне проведена опытная кустовая откачка в циклическом режиме. С использованием высокоточных датчиков давления записана в высоко разрешимом режиме реакция уровня двух взаимодействующих водоносных пластов на циклическую откачку. Полученная база данных динамики изменений уровней в целевом и соседнем пласте далее будет использована при тестировании теоретических моделей и разработке методики оценки геофильтрационных параметров по статистике колебаний напоров при циклическом изменении дебита.
10 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Модели и методы исследований гидрогеологических процессов для рационального использования подземных вод в условиях техногенеза
Результаты этапа: В результате проведенных в отчётном году исследований на ключевых объектах получены следующие основные научно-методические результаты: 1. Анализ миграции микропластика в подземных водах в районе Биостанции МГУ. По результатам опробований выявлено наличие частиц микропластика (МП) в относительно защищенном водоносном мячиковско-подольском горизонте. Выявление возможных путей попадания этих частиц в этот горизонт при помощи моделирования свидетельствую, что частицы МП, могут поступать только в локальных незащищенных участках. Для характерных условий гидрогеологического строения долины реки Москвы в районе Звенигорода моделирование показало, что при характерных геофильтрационных параметрах юрских глин за 100 лет полимерные микрочастицы не успевают пройти путь от поверхности водораздела до подольско-мячковского водоносного горизонта через глинистые отложения за счет вертикального водообмена. Наиболее вероятный путь попадания частиц микропластика в подольско-мячковский водоносный горизонт в области отсутствия или минимальной мощности юрских глин, т.е. в тыловой зоне I надпойменной террасы 2. Исследования на ключевом объекте БЦБК. С использованием откалиброванной и верифицированной геофильтрационной и геомиграционной модели установлено положение и режим основных источников теплового загрязнения и растворенного минерального загрязнения на территории Байкальского целлюлозно-бумажного комбината: между зданием ТЭЦ и главным корпусом БЦБК, а также в карте №11. Это позволяет запланировать мероприятия по ликвидации источников химического загрязнения. Оценена защитная роль перехватывающего водозабора, действовавшего на территории предприятия. В результате эпигнозного моделирования показано, что до ликвидации он принимал до 50%. растворенных минеральных веществ. Соответственно, в настоящее время, без водоотбора, массовый расход разгрузки растворенных минеральных веществ с территории в озеро возрос вдвое. Эпигнозные расчеты показали, что основное уменьшение количества растворенных нефтепродуктов в подземных водах территории БЦБК связано с процессами биоразложения, при этом, около 10% всех растворенных нефтепродуктов, поступивших в водоносный горизонт, разгрузилось, в итоге, в озеро, а в перехватывающий водозабор попало лишь около 5%. Проведенные прогнозные расчеты, реализованные в двух постановках: первая включала только устранение источников загрязнения; вторая – помимо удаления источников, предусматривала запуск перехватывающего водозабора, показали, что, в первом случае, половина накопленного в пласте загрязнения разгрузится в озеро в течение первых 3 лет, а по истечении 4,5 лет в озеро будет происходить разгрузка растворенных минеральных веществ на уровне фоновых значений. В результате расчетов, согласно второй постановке, разгрузка растворенных минеральных веществ в озеро достигнет фоновых значений раньше – в первые два года и будет ниже ~40%, по сравнению с первым вариантом реабилитации территории 3. Исследование экспериментального барьера на территории СХК, состоящего из глиняногрунтовых колонн. По результатам моделирования проведенных опытно-миграционных работ установлено, что глинистый опытный замкнутый барьер не является сплошным, т.е. в нем есть «гидрогеологические окна». Наличие «гидрогеологических окон» в барьере подтверждается также анализом поля напоров при проведении опытно-фильтрационных работ -откачки из скважины 2 внутри барьера. Данный анализ позволил в ходе моделирования назначить предположительное присутствие «гидрогеологического окна» на северной стенке ОЗББ, в районе 3 и 4 глиногрунтовых колонн. Таким образом, результаты исследований на экспериментальном участке замкнутого вертикального барьера показали, что проведение опытно фильтрационных и опытно миграционных работ и их интерпретация на основе модельно-ориентированного подхода позволяет оценить его противофильтрационные и противомиграционные свойства. 4. Получено новое аналитическое решение для установившихся колебаний уровней подземных вод при циклической откачке из пласта двухслойного строения. Выполнена валидация формул, связывающих стандартные отклонения колебаний понижений при циклической откачки из двухслойного пласта с геофильтрационными параметрами строения и продолжительностью цикла (частотой) колебаний дебита. Проведена циклическая откачка на полигоне Звенигородской биостанции МГУ из известняков подольско-мячковского горизонта для анализа закономерностей колебаний уровня при циклической откачке в двухслойном пласта. Обработка полученных данных методом площадного прослеживания стандартных отклонений и соотношения стандартных отклонений колебаний свободной поверхности и напора в основной части для двухслойного пласта соответствуют с приемлемой погрешностью результатам проводимых ранее на этом объекте откачек. Таким образом разработана и верифицирована методика проведения и интерпретации опытных откачек с циклическим изменением дебита откачивающей скважины. Эта методика может быть применяться как для обработки опытов специально спроектированных откачек с циклическим изменением дебита, так и для обработки колебаний уровней подземных вод по данным мониторинга периодически работающих водозаборных скважин.
11 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Модели и методы исследований гидрогеологических процессов для рационального использования подземных вод в условиях техногенеза
Результаты этапа: Цель работы: Совершенствование модельно-ориентированного подхода к прогнозированию техногенного влияния на гидрогеологические процессы и развитие методов исследований для решения прикладных задач охраны и рационального использования подземных вод. Задачи и методы: Достижение цели осуществлялось через теоретический анализ современных моделей, развитие методов гидрогеологического прогнозирования и апробацию результатов на ключевых объектах. Основным инструментом являлся модельно-ориентированный подход, включающий создание, калибровку и верификацию геофильтрационных и геомиграционных моделей. Объекты и основные результаты исследований в отчетном году: 1. Исследование миграции микропластика на Звенигородской биостанции МГУ. Подтверждено наличие частиц микропластика в защищенном подольско-мячковском водоносном горизонте. Моделирование показало, что прямое проникновение частиц с поверхности через толщу юрских глин за 100 лет невозможно. Установлен наиболее вероятный путь поступления – через локальные зоны отсутствия или малой мощности юрских глин (тыловая зона I надпойменной террасы). 2. Модельный анализ загрязнения подземных вод на территории БЦБК. С помощью откалиброванной модели локализованы основные источники теплового и химического загрязнения (между ТЭЦ и главным корпусом, карта №11), что позволяет планировать реабилитационные мероприятия. Оценена роль перехватывающего водозабора, который до ликвидации принимал до 50% растворенных минеральных веществ. Его остановка привела к двукратному росту массы загрязнения, сбрасываемого в озеро Байкал. Установлено, что уменьшение концентрации нефтепродуктов связано с биоразложением; в озеро поступило около 10% от общей массы, а в водозабор – 5%. Прогнозные расчеты показали, что сочетание ликвидации источников загрязнения и возобновления работы перехватывающего водозабора позволяет достичь фоновых значений разгрузки загрязнения в озеро за 2 года, что на 40% эффективнее, чем просто устранение источников. 3. Оценка эффективности экспериментального замкнутого барьера на Сибирском химическом комбинате (СХК). Модельная интерпретация опытно-фильтрационных и опытно-миграционных работ выявила наличие в барьере из глиногрунтовых колонн «гидрогеологических окон» (нарушений сплошности). По данным откачки и миграционных тестов предположительно локализована зона окна на северной стенке барьера. Доказано, что комплекс опытно-фильтрационных и миграционных работ с модельной интерпретацией является эффективным инструментом для оценки противофильтрационных и противомиграционных свойств инженерных барьеров. 4. Разработка и апробация методики циклических откачек на Звенигородском полигоне. Получено новое аналитическое решение для установившихся колебаний уровней при циклической откачке из двухслойного пласта. Проведена верификация методики интерпретации, связывающей стандартные отклонения колебаний уровня с геофильтрационными параметрами. Обработка данных полевой циклической откачки из подольско-мячковского горизонта подтвердила адекватность методики. Метод применим как для специальных опытов, так и для анализа данных мониторинга периодически работающих водозаборов. Общий вывод: Проведенные на ключевых объектах исследования продемонстрировали эффективность модельно-ориентированного подхода для решения широкого спектра прикладных задач: от выявления путей миграции новых загрязнителей (микропластик) и оптимизации мероприятий по реабилитации загрязненных территорий (БЦБК) до оценки надежности инженерных защитных сооружений (СХК) и совершенствования методов гидрогеологических исследований (циклические откачки). Полученные результаты вносят вклад в развитие методов прогнозирования и оценки техногенного воздействия на подземные воды.
12 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Модели и методы исследований гидрогеологических процессов для рационального использования подземных вод в условиях техногенеза
Результаты этапа: -

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен