СТАТЬИ АРБИР
 

  2018

  Июль
  Август   
  Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
30 31 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30 31 1 2
   

  
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?


О математических моделях анализа состояния подземных вод горнодобывающего узла


О МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО УЗЛА

Аннотация

В работе рассмотрены основные математические модели анализа состояния подземных вод горнодобывающего узла. Указана сложность описания данной задачи. Показана необходимость системного подхода для создания информационной технологии, обеспечивающей единый подход к решению соответствующих задач анализа состояния подземных вод, например, на основе применения элементов искусственного интеллекта.

Ключевые слова

Подземные воды, математическое моделирование, динамика уровня вод, прогнозирование, загрязнение, системный подход.

В настоящее время проблема анализа состояния подземных вод на территории горнодобывающего узла является достаточно актуальной - существует острая необходимость решения практических проблем улучшения водоснабжения регионов и развития рекреационной инфраструктуры на основе изучения процессов формирования ресурсов подземных вод в условиях открытых горных работ на территории отдельного горнодобывающего узла и других факторов антропогенного воздействия.

Изучение процессов формирования ресурсов подземных вод в условиях открытых горных работ (наличие открытых карьеров, прудов-накопителей (хвостохранилищ), необоснованные водоотборы, уничтожение лесов и др.) необходимо для построения прогнозов улучшения водоснабжения регионов и для развития рекреационной инфраструктуры.

Возрастающее воздействие антропогенной деятельности может привести к ухудшению геоэкологической обстановки региона (обезвоживание водоносных горизонтов, распространение ареалов загрязнения подземных вод и др.) и ухудшению условий формирования ресурсов и качества подземных вод, если своевременно не принимать меры к их изучению, охране и рациональному использованию.

В связи с этим разработка обоснованных оценок уровней залегания подземных вод, обезвоживания и формирования новых водных ресурсов является актуальной задачей [1, 2]. В большинстве случаев, современные методы позволяют решать лишь отдельные, частные задачи определения состояния подземных вод и не обеспечивают формирование целостного, взаимосвязанного описания гидродинамических процессов.

Сложность решения задачи определения уровней залегания подземных вод обусловлено наличием разнообразных гидрогеологических условий и сложностью их анализа. Общепринято что, естественное формирование подземных вод связано с тремя видами питания: инфильтрационное (рассеянное проникновение в почву и коренные породы атмосферной воды и склонового стока), инфлюационное (проникновение в почву сосредоточенного стока) и конденсационное питание. В большинстве современных подходов определения уровней залегания подземных вод учитывают, в основном, процессы инфильтрационного питания. Достоверная оценка и прогноз этих процессов требует применения современных математических моделей, описывающих закономерности изменений гидрогеологических условий.

В настоящее время большинство исследований и разработок по созданию, хранению и обработке гидрологической информации осуществляются на основе разнообразных подходов. Так, для определения распределения подземных вод используют методы математического моделирования, основанные на численном решении дифференциальных уравнений геофильтрации. Для такого решения чаще всего используются методы конечных разностей и конечных элементов.

Одним наиболее распространенным подходом при математическом моделировании подземных вод является переход к плановым моделям. Данные модели позволяют анализировать неоднородность фильтрационных свойств пород с последующим решением одномерных гидродинамических и миграционных задач. Используемая математическая модель обычно включает фильтрационную и миграционную части [3, 4].

Фильтрация в общем виде описывается трехмерными уравнениями математической физики параболического типа в частных производных, учитывающими значения гидродинамического напора, инфильтрационного питания, водопроводимости, уровнепроводности и др.

В настоящее время предложено два подхода для решения задачи плановой фильтрации. Первый подход заключается в построении гидродинамической сетки и, затем, по токовым линиям решается плановая задача, состоящая из множества одномерных решений. При втором подходе соответствующие уравнения, не имеющее аналитических решений для участков неправильной, сложной формы, решаются в конечных разностях.

Миграционная часть модели описывает распространение загрязняющих веществ в подземных водах. В данном случае при решении обычно применяют расчетные миграционные схемы поршневого вытеснения, упорядоченной и неупорядоченной микродисперсии, учитывающие значения гидродисперсии, минерализации подземных вод, активной пористости и др.

Для реализации геофильтрационной модели также используется математическая модель плановой стационарной фильтрации [5]. Стационарная фильтрация подземных вод в анизотропном проницаемом слое описывается в декартовой системе координат дифференциальным уравнением, определяющем зависимости между проводимостью проницаемого слоя вдоль осей X и Y (для изотропного слоя эти значения совпадают), процессом перетекания через выше- и нижележащий слабопроницаемые слои, интенсивностью площадных и точечных источников (стоков), абсолютными (или относительными) отметками уровней подземных вод проницаемого и выше- и нижележащего слоев и т.д.. При дискретизации математической модели геофильтрации значительные проблемы возникают в процессе обоснования модельной сетки (равномерной или неравномерной) и обоснования пространственных шагов по координатным осям.

В настоящее время также применяют методы прогнозного моделирования геофильтрации, позволяющие определить прогнозные отметки (понижения) уровней подземных вод на конец расчетного срока эксплуатации при проектируемом водоотборе и сопоставление их с допустимыми величинами, дать количественную оценку источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод, дать оценку изменения составляющих баланса подземных вод и определение ущерба поверхностному стоку. Геофильтрационные модели обычно разрабатываются по результатам полевых и камеральных работ и с учетом архивных данных.

Для анализа процессов загрязнения подземных вод в результате антропогенной деятельности в настоящее время широко применяют методы моделирования геомиграции [6]. Использование методов миграционного моделирования позволяет выполнить количественный гидродинамический прогноз, обосновать расчет зон санитарной охраны II и III поясов, дать прогноз подтягивания к водозаборам подземных вод некондиционного качества, составить прогноз распространения загрязнения в подземных водах и изменения качества подземных вод на водозаборах и др.

Проведенный анализ современного состояния отечественных и зарубежных исследований в области разработки математических моделей и методов определения состояния подземных вод показал наличие значительного количества разнообразных подходов к решению отдельных, частных задач в рамках исследуемой проблемы, которые, в большинстве случаев, не ориентированы на получение целостного, взаимосвязанного описания гидродинамических процессов. Существующие разработки не обеспечивают создание единой информационной технологии анализа изменений состояния ресурсов подземных вод в результате воздействия различных антропогенных факторов, позволяющей прогнозировать изменение состояний водных объектов, их обезвоживание и загрязнение. Помимо этого, существует необходимость разработки методов анализа гидродинамических показателей различных пород и территорий в горнопромышленном узле, обеспечивающих решение поставленной задачи определения состояния подземных вод в режиме реального и модельного времени.

Для оперативного решения указанных проблем также необходимо создание интернет-портала с применением ГИС-технологий.

Таким образом, проведенный анализ показал, что необходимо на основе системного подхода создать информационную технологию, обеспечивающую единый подход к решению соответствующих задач анализа состояния подземных вод, например, на основе применения элементов искусственного интеллекта, для выбора наиболее целесообразных методов решения конкретных проблем исследования динамики поземных водных ресурсов различных территорий, позволяющую на основе анализа знаний о гидродинамических характеристиках пород, результатах воздействия естественных и антропогенных факторов на гидрогеологическую среду применять различные методы определения динамики поземных водных ресурсов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-07-00451.

Список литературы:

Нахапетян А.К. О гидрогеологическом обосновании защищенности подземных вод применительно к расчетам зон санитарной охраны водозаборов подземных вод // Разведка и охрана недр. - 2014. - № 5. - С. 39-40.

Харитонов В.Я. Гидрологические расчеты. Учеб. пособие / В.Я. Харитонов; М- во образования Рос. Федерации, Арханг. гос. техн. ун-т. Архангельск, 2003.

Михайлов В.И. Добровольский А.Д., Добролюбов С.А. Гидрология. - М.: Высшая школа, 2005. - 463 с.

Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. М.: Наука, 2004. - 677 с.

Гальперин А.М., Зайцев В.С., Харитоненко Г.Н., Норватов Ю.А. Геология. Часть III. Гидрогеология. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2009. - 400 с.

Кулешов В.Н. Марганцевые породы и руды. Геохимия изотопов, генезис, эволюция рудогенеза. - М.: Научный мир, 2013. - 532 с.


Черноморец А.А. - к.т.н., доцент, профессор кафедры прикладной информатики и ин- формационных технологий Болгова Е.В. - аспирант, ассистент кафедры прикладной информатики и информацион- ных технологий Петина М.А. - к.г.н., доцент кафедры прикладной информатики и информационных технологий Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Россия, г. Белгород





МОЙ АРБИТР. ПОДАЧА ДОКУМЕНТОВ В АРБИТРАЖНЫЕ СУДЫ
КАРТОТЕКА АРБИТРАЖНЫХ ДЕЛ
БАНК РЕШЕНИЙ АРБИТРАЖНЫХ СУДОВ
КАЛЕНДАРЬ СУДЕБНЫХ ЗАСЕДАНИЙ

ПОИСК ПО САЙТУ