ИСТИНА

Перенос загрязнения в карбонатных карcтующихся породах, характеризующихся высокой неоднородностью гидрогеологических свойств, происходит по предпочтительным путям, обусловленным чередованием литологических разностей карбонатных пород, их трещиноватостью и закарстованностью. Опытно-фильтрационные и опытно-миграционные исследования показывают частое несоответствие определяемых параметров с результатами решения обратных задач, часто отмечается существенное расхождение результатов по скважинам расположенным в достаточной близости – первые метры, десятки метров. Предлагаемый проект направлен, в первую очередь, на исследование путей геомиграции в карбонатных карстующихся пластах и использование этой информации для определения репрезентативных геомиграционных параметров в прогнозах загрязнения подземных вод с учетом состава загрязнения. Базой исследований будет являться полигон учебной гидрогеологической практики на Звенигородской биостанции МГУ имени М.В. Ломоносова на котором имеются около 20 гидрогеологических скважин вскрывающих мячковско-подольский водоносный горизонт (известняки и подчиненные доломиты). Расположение скважин тремя кустами с небольшими расстояниями между ними дает возможность детального изучения проблемы. Имеется оборудование для проведения опытных фильтрационных и миграционных работ для идентификации структуры неоднородности и последующего анализа применимости теоретических моделей миграции к карбонатным карстующимся средам.

The contominant transport in carbonate karstified rocks, characterized by a high heterogeneity of hydrogeological properties, occurs along preferred paths, due to the alternation of lithological layers of carbonates, their fracturing and karstification. Experimental investigations of groundwater migration studies show a frequent inconsistency between the determined parameters and the results of solved inverse problems. Often there is a significant discrepancy in the results for wells located in sufficient proximity - the first meters, tens of meters. The proposed project is aimed primarily at studying the transport paths in the carbonate karstified formations and using this information to determine representative transport parameters in groundwater pollution forecasts, taking into account the composition of the contominant. The research base will be the training site for hydrogeological field school at the Zvenigorod Biological Station of the Lomonosov Moscow State University where there are about 20 hydrogeological boreholes revealing the Myachkovsky-Podilsky aquifer (limestone and subordinate dolomites). The location of the wells divided into three groups with small distances between them allows a detailed study of the problem. There is equipment for conducting experimental flow and transport experiments for identifying the structure of heterogeneity and subsequent analysis of the applicability of theoretical transport models to carbonate karstified media.

Схема распределения проницаемости карбонатного пласта (мячковско-подольского водоносного горизонта) по вертикали на территории полигона. Выделение и корреляция тонких зон повышенной проницаемости, как основного структурного элемента фильтрационных и миграционных свойств, с использованием методов расходометрии, термометрии, запусков трасера и электрического каротажа. В каждой скважине с проведенным комплексом работ определяются количество тонких зон, абсолютные отметки и доля проводимости каждой тонкой зоны в общей проводимости водоносного горизонта в месте расположения скважины. Схема представляет собой серию разрезов, включающих все опробованные скважины с вынесением определяемых характеристик. Предварительное выделение тонких зон повышенной проницаемости приведено в работах А.В. Лехова [например, 2010]. Однако детальность исследований невысокая вследствие неполноты охвата скважин и недостаточной корреляции слоев известняков различной литологии. В известной литературе выделение тонких зон, формирующих практически всю проницаемость карбонатных пластов, не описано. Модель поступления трасера в совершенную наблюдательную скважину при существующей структуре распределения проницаемости по вертикали. Определение реально работающих зон и их параметров. Эффект самоэкранирования некоторых зон. Обычные исследования проводят в скважинах вскрывающих практически всю активную часть водоносного горизонта, содержащую несколько тонких проницаемых зон. Проблемой является постановка измерений в наблюдательных скважинах при обычном измерении в определенных точках. Модель является необходимым этапом для дальнейшего определения характеристик переноса загрязнения. Исследования такого рода неизвестны. Первичная общая геофильтрационная модель территории полигона для дальнейшего исследования. Модель строится в системе программ математического моделирования Выбор приемлемого алгоритма обработки перекрестных наливов/откачек для гидравлической томографии в группе совершенных скважин. В литературе описаны немногочисленные опыты применения гидравлической томографии в слоистых отложениях дисперсных пород и в системе несовершенных скважин с точечными фильтрами. Применительно к совершенным скважинам в карбонатных породах работы неизвестны. Планируемые результаты в конце 2017 года: Детальное количественное представление параметров проницаемых зон в масштабе полигона (до 300 м). Уточнение путей миграции по проницаемым зонам в масштабе первых метров. Определение скоростей миграции воды на больших расстояниях в масштабе первых сотен метров. Определение оптимального набора методов выделения и характеристики структуры проводимости водоносного горизонта карбонатных пород Имитационная модель полигона с детализацией по проницаемым зонам и определением емкостных характеристик пород совокупности проницаемых зон

Исследование переноса загрязнения, определяющих его параметров и методы их получения разрабатываются на кафедре гидрогеологии достаточно давно. Конкретно для изучаемых карбонатных карстующихся пород на базе полигона учебной гидрогеологической практики предварительное выделение и корреляция тонких проницаемых зон выполнены в первый раз в 1980-е годы вместе с теоретическим обоснование формирования тонких проницаемых зон [Лехов и Петров, 1986]. Разработана первичная модель переноса загрязнения в такой структурированной системе с численным решением [Лехов и Рыбникова, 1986]. На полигоне разбурен куст совершенных скважин на мячковско-подольский водоносный горизонт специально для перекрестных определений гидрогеологических параметров в масштабе первых метров, расстояния между соседними скважинами около 3 м. Ежегодно на нем определяется удельная емкость двух проницаемых зон. Наблюдается постепенное увеличение емкости за счет ежегодных наливов речной воды (растворение стенок путей миграции). Раздельное определение удельной емкости и индивидуальной проводимости проницаемых зон в литературе не встречается. Для определения мест и индивидуальных относительных проводимостей зон разработана оригинальная методика комплексной (динамической и статической) расходометрии с кавернометрией совершенных скважин со сложной геометрией ствола [Практическое ..., 2000]. Разработана методика проведения опытно-миграционных работ в виде налива трасера с регистрацией в наблюдательных и центральной скважине оригинальными самоэкранирующимися точечными электродами для зараженных электричестовм территорий. Проводятся методические работы по применению метода непрерывной регистрацией протяжкой электрода кондуктометра и термометра по стволу скважины, показывающие сложную динамику потоков в самом стволе.

Теоретические исследования предсказали вертикальную неоднородность водопроводимости водоносного горизонта в виде тонких зон, к которым приурочена вся проводимость пласта карбонатных пород. Между зонами расположены слабопроницаемые толщи мощностью первые метры и соизмеримые с двойной мощностью слоев различной литологии. Зоны образуются в результате карстового процесса и представляют собой сеть плоских труб различного гидравлического сечения. Основными гидрогеологическими параметрами зон, отвечающими за миграцию воды и загрязнений, является их проводимость km и удельная емкость nm, где m – мощность зоны, а отдельное определение коэффициента фильтрации k и пористости n зоны невозможно, т.к. мощность зоны является неизмеряемой величиной. Стандартные методы полевых исследований и, в особенности, стандартные алгоритмы их обработки концептуально не подходят для характеристики подобных неоднородных систем. С другой стороны невозможно ожидать широкого распространения специально разработанных методов в производстве. Цель данного исследования заключалась в разработке алгоритма применения и обработки комплекса стандартных в индустрии методов, позволяющего получить качественную и количественную информацию о распределении фильтрационных и миграционных параметров подобных трещиновато-карстовых систем. Данный комплекс методов был применен для подтверждения теоретических представлений о формировании проводящих зон в карбонатных пластах на примере мячковско-подольского водоносного горизонта на территории Звенигородской Биологической станции МГУ им. М.В. Ломоносова. Были использованы, модифицированы и разработаны следующие методы: - детальный электрокаротаж – измерение кажущегося сопротивления пород по 4-х электродной схеме для корреляции разрезов скважин и определения контактов слоев различной литологии; - расходометрия скважин в комбинированном варианте статического и динамического опытов, сопровождаемая кавернометрией; - резистивиметрия с методикой трансформированной для высоких скоростей движения подземных вод для определения скоростей фильтрации в зонах и перетеканий между ними; - термокаротаж для определения мест расположения зон и направления перетекания между ними; - телекаротаж для визуального исследования мест проходки тонких зон; - кустовые наливы соляного трасера с непрерывной регистрацией по глубине и во времени его прохождения в наблюдательных скважинах для исследования возможностей метода и определения удельной емкости зон; - перекрестные кустовые наливы термотрасера, позволяющего проводить быструю регистрацию сигнала, в наиболее проводящей зоне для выявления неоднородности распределения удельной емкости зон; - перекрестные наливы с регистрацией напоров в стволах скважин для определения неоднородности распределения проводимости пласта в целом и отдельных зон; - опытные многосуточные откачки с большим дебитом воздействующие на все скважины полигона. Обработка результатов проводилась с использованием математического моделирования процессов от аналитических до численных методов. При обработке каждого метода учитывались данные полученные по другим методам. Проведена корреляция положений контактов слоев различной литологии на территории полигона. Подробно проанализирована работа наблюдательной скважины. Для наиболее компактной группы скважин выделены области неоднородности по отдельным зонам на основании расходометрии, перекрестных наливов и перекрестных запусков термотрасера. Обнаружено несовпадение положений зон проводимости для первой террасы (перетекание через разделяющие толщи вниз) и высокой поймы (перетекание вверх), что укладывается в рамки теоретической модели развития закарстованности. Выявленная канальная структура проводимости зоны подтверждает теоретические разработки карстования в системе трещин неодинакового исходного раскрытия. Обработка откачек и трасерных опытов по основным аналитическим моделям показывает своего рода гистерезис – различие параметров определенных в паре скважин при смене их ролей (центральная – наблюдательная). Скважины на территории около 40 м2 показывают различия проводимости горизонта на 30-40 % в зависимости от выбора центральной скважины. Для удельной емкости зоны эти различия еще больше, значения отличаются иногда на порядок в зависимости от выбора пары скважин (центральная – наблюдательная). Общая проводимость горизонта закономерно убывает от реки к тыловому шву первой террасы от 950-1250 м2/сут до 400 м2/сут на расстоянии около 200 м. Для всего водоносного горизонта водоотдача, рассчитанная по различным парам скважин (центральная – наблюдательная), убывает с увеличением расстояния между ними, что свидетельствует о необходимости совершенствования расчетной модели. Предложенный комплекс методов может быть использован на базе существующего и широко распространенного оборудования после несложной коррекции методик. После совместной обработки данных он позволяет получить достаточное представление о локальной неоднородности карбонатных водоносных горизонтах (качественное и количественное) в полевых масштабах, что значительно улучшит прогнозное моделирования фильтрации и миграции в таких пластах в региональных масштабах.