В современных условиях при громадных масштабах гидротехнического мелиоративного, промышленного и других видов строительства, при неуклонном росте потребления минерально-сырьевых, водных и других природных ресурсов, в условиях интенсивного влияния различных сфер инженерной деятельности человека на природу и состояние ее ресурсов все более и более возрастают требования к эффективности и результативности гидрогеологических исследований, к качеству и достоверности получаемой при этом исходной информации, к надежности и обоснованности выполняемых на основе изысканий оценок, рекомендаций, проектных решений и инженерных прогнозов.
Обеспечение успешного выполнения этих требований во многом зависит от активного развития и внедрения в гидрогеологическую практику новых методов изучения подземных вод, от их обоснованного и эффективного сочетания с традиционными методами гидрогеологических исследований, от степени раскрытия и использования возможностей каждого из применяемых методов.
Одним из таких новых и перспективных методов гидрогеологических исследований является моделирование фильтрации подземных вод.
Под моделированием в гидрогеологии понимается искусственное 'воспроизведение на различных моделях процессов фильтрации подземных вод и связанных с ними явлений в целях обеспечения эффективного решения различных гидрогеологических задач.
В практике гидрогеологических исследований применяется главным образом математическое моделирование, основанное на использовании математической аналогии процессов, различных по своей физической сущности, но описываемых одинаковыми дифференциальными уравнениями. Это дает основание вместо процесса фильтрации рассматривать на модели какой-либо другой процесс, подчиняющийся тем же уравнениям, что и движение подземных вод. Физическое моделирование (с сохранением на модели физической природы фильтрации) практикуется гораздо реже.
Как метод количественной оценки условий движения подземных вод моделирование применяется в гидрогеологии длительное время и детально рассматривается в курсах «Динамика подземных вод» и «Моделирование гидрогеологических процессов» (1, 6—9, 13, 14). В настоящее время моделирование получает все большее признание и практическое применение при решении самых разнообразных гидрогеологических задач, в том числе и как новый, весьма перспективный и экономически эффективный метод гидрогеологических исследований.
Моделирование дает возможность при изучении гидрогеологических объектов и составлении инженерных прогнозов полнее учитывать многообразие природной обстановки, оценивать влияние разнообразных факторов и процессов, повышать качество и достоверность получаемой при исследованиях информации, давать более обоснованные прогнозы условий работы инженерных сооружений и направленности гидрогеологических процессов и явлений, определять степень точности и достоверности других расчетных методов.
Сейчас можно считать обязательным применение моделирования для гидрогеологических исследований на достаточно крупных объектах, особенно при обосновании проектирования водозаборных и дренажных сооружений, крупных осушительных и оросительных систем, при региональном изучении территорий в целях оценки эксплуатационных запасов подземных вод и их режима, при изучении и оценке сложных гидрогеологических условий, обосновании мероприятий по рациональному использованию и охране подземных вод и т. п. Опыт применения моделирования для решения конкретных гидрогеологических задач освещен в специальных работах (1—7,9—12).
Однако применение моделирования не ограничивается и не должно ограничиваться рамками конкретных гидродинамических расчетов и прогнозов, выполняемых при решении гидрогеологических задач. Моделирование надо рассматривать как научный метод исследования, изучения и оценки различных гидрогеологических процессов и явлений, условий формирования, распространения и движения подземных вод, их гидродинамических и гидрогеохимических особенностей, накопления и изменения их ресурсов под влиянием различных естественных и искусственных факторов.
Моделирование позволяет учесть влияние этих многочисленных факторов яри анализе и прогнозе гидрогеологических явлений и процессов, выработать действенные меры по управлению этими процессами и явлениями в нужном для человека направлении, ускорять и совершенствовать методы гидрогеологических исследований, рекомендовать наиболее оптимальные варианты различных инженерных сооружений, а также способствовать решению многих задач теоретической гидрогеологии. В сложных гидрогеологических условиях моделирование используется не только для количественной оценки условий движения подземных вод. Оно обеспечивает также возможность более глубокого изучения и познания геолого-гидрогеологических особенностей объекта, внесения корректив в объемы, виды, направленность и методику проведения гидрогеологических исследований. При этом изучение особенностей и проявлений гидрогеологического объекта осуществляется на определенным образом построенной и соответствующей ему модели, степень обоснованности и достоверности которой может оцениваться и повышаться в процессе моделирования.
Для построения модели, функционально отображающей приходную гидрогеологическую обстановку и учитывающей влияние всех .воздействующих на условия фильтрации факторов, необходимо располагать определенными данными о размерах области фильтрации, ее строении и гидрогеологических параметрах, границах и действующих на них граничных условиях и других определяющих особенности изучаемого объекта факторах.
От степени соответствия построенной фильтрационной модели реальной фильтрационной схеме объекта и учета всех факторов, определяющих условия движения подземных вод, зависят однозначность, надежность и эффективность решения любой гидрогеологической задачи. Использование моделирования в гидрогеологических исследованиях имеет большое психологическое значение, поскольку разработка и построение модели требуют от исследователя четкого представления о природной фильтрационной схеме и ее особенностях, в то время как применение аналитических и гидравлических методов расчета позволяет рассматривать фильтрационную схему в более завуалированном виде. В процессе исследований, выполняемых при моделировании (вариантность схем, оценка степени и характера влияния различных факторов, решение комплекса обратных задач и др.), осуществляется дальнейшее более глубокое изучение объекта и его природной фильтрационной схемы (7—9).
Общий процесс решения гидрогеологических задач методом моделирования складывается из следующих последовательно выполняемых этапов:
1.Анализ природных условий и исходных материалов, их схематизация и составление природной гидрогеологической схемы области фильтрации с количественной оценкой принятых допущений и обоснованием необходимости учета тех или иных факторов.
2.Обоснование и составление фильтрационной модели.
3.Обоснование точности и достоверности построенной модели и факторов прогноза (с помощью решения комплекса обратных задач, фрагментного моделирования и факторно-диапазонных оценок).
4.Выбор и обоснование способов и методики моделирования, набор задачи на моделирующем устройстве и ее решение.
5.Пересчет полученных результатов с модели на натуру с использованием соответствующих масштабных коэффициентов и обработка полученных результатов.
Следует иметь в виду, что процесс предварительной обработки исходных данных для моделирования и само моделирование обычно более трудоемки, чем решение задач аналитическими методами, поэтому моделирование целесообразно применять для решения задач, не имеющих достоверных аналитических методов расчета (7), либо в том случае, когда оно обеспечивает повышение экономической эффективности намеченных к проведению исследований.
В обобщенном виде могут быть рекомендованы следующие основные направления применения моделирования как современного метода гидрогеологических исследований (3—7, 9—12):
1.Изучение современных гидрогеологических условий территорий по материалам региональных исследований и изысканий с региональной оценкой эксплуатационных запасов подземных вод и обоснованием схем их рационального и комплексного народнохозяйственного использования и охраны от истощения и загрязнения.
2.Составление инженерных прогнозов в сложных гидрогеологических условиях на различных стадиях изысканий и проектирования крупных инженерных сооружений водозаборов, систем орошения, осушения и дренажа, водохранилищ, каналов, систем захоронения промстоков и др.).
3.Изучение условий формирования сложных водонапорных систем земной коры и месторождений подземных вод.
4. Решение задач оптимизации при обосновании проектирования инженерных сооружений в сложных гидрогеологических условиях.
5.Изучение особенностей и закономерностей развития сложных гидрогеологических явлений и процессов.
6.Обработка получаемой в процессе исследований гидрогеологической информации с целью определения и уточнения расчетных гидрогеологических параметров, элементов водного баланса и фильтрационных схем, корректировки проведения разведочных работ и решения других гидрогеологических задач.
Вид, содержание и методика моделирования, требования к исходной информации и методам ее получения, масштабы моделирования и приемы обоснования достоверности прогнозов определяются стадией исследований, сложностью природных условий, степенью их изученности, заданной точностью и типом решаемых задач.
С помощью моделирования решаются прямые, обратные и обобщенные задачи фильтрации подземных вод.
Решение прямых задач сводится к определению отдельных гидродинамических элементов потока (напоров, расходов, скоростей движения) при конкретных начальных и граничных условиях и параметрах потока, заданных на модели, как в естественных условиях, так и при учете воздействия инженерных сооружений. В большинстве своем эти задачи связаны с прогнозом условий фильтрации при проектировании конкретных объектов (прогнозы подпора в районах создания водохранилищ и подъема уровня грунтовых вод на массивах орошения, эффективности работы дренажных систем, водопонизительных установок и водозаборов подземных вод и т. п.) и в зависимости от сложности гидрогеологических условий они могут быть одномерными, двухмерными и значительно реже — пространственными.
Решение обратных задач заключается в определении и. уточнении фильтрационных характеристик или граничных условий потоков по данным о распределении их напоров и расходов. Такие задачи обычно решаются подбором до получения приемлемого совпадения распределения напоров (или расходов) с наблюдаемыми в природных условиях. На практике, с помощью решения обратных задач определяют значения коэффициентов фильтрации, водоотдачи, пьезо- или уровнепроводности, оценивают величины инфильтрационного или глубинного питания, степень и характер гидравлической связи подземных и поверхностных вод и другие показатели.
Таким образом, решение обратных задач при моделировании используется как метод более полного освещения гидрогеологических особенностей изучаемого объекта и вместе с тем как метод оценки достоверности построенной модели, степени ее соответствия природной фильтрационной схеме и надежности выполняемых на ее основе инженерных прогнозов (3—5, 7—9, 12). Обоснование достоверности построенной модели включает: 1) определение и уточнение параметров фильтрационной среды, и обоснование их достоверности воспроизведением опытных откачек, эффекта действующих водозаборов и т. п.; 2) уточнение особенностей и строения фильтрационной схемы изучаемого объекта; 3) уточнение гидродинамической роли границ и действующих на них граничных условий;
4) определение элементов водного баланса или их уточнение;
5) построение фильтрационной модели и качественное обоснование ее достоверности;
6) количественную оценку точности и достоверности построенной модели и выполненных на ней прогнозов.
Обобщенные задачи решаются для получения общей характеристики какого-либо фильтрационного процесса или с использованием безразмерных параметров или путем перебора всех возможных значений параметров, характерных для изучаемого процесса. Цель таких решений — получение графических или аналитических зависимостей на основе статистической обработки и обобщения полученных решений.
В зависимости от размеров изучаемого объекта, степени изученности и сложности его гидрогеологических условий, типа решаемых задач и стадии осуществления исследований моделирование подразделяется по степени детальности (по И. К. Гавич) на обзорное, выполняемое в масштабах мельче 1:500000, региональное — от 1:500000 до 1:50000 и детальное — крупнее 1:50000.
Обзорное моделирование применяется при региональном гидрогеологическом изучении территории СССР в целях обоснования схем комплексного использования водных ресурсов, планирования водохозяйственных мероприятий, региональной оценки естественных и эксплуатационных ресурсов, изучения гидрогеологических особенностей артезианских бассейнов и других водонапорных систем.
Региональное моделирование используется при гидрогеологическом изучении отдельных крупных месторождений подземных вод, частей водонапорных систем, крупных инженерных сооружений и других объектов для оценки перспектив их промышленного освоения, определения эксплуатационных ресурсов, гидрогеологических характеристик и осуществления различных инженерных прогнозов. При детальном моделировании решаются самые разнообразные гидрогеологические задачи по изучению и геолого-промышленной оценке месторождений подземных вод или их участков, осуществлению прогнозов и обоснованию проектирования на различных стадиях гидрогеологических исследований.
Детальное изложение принципов и методики решения частных гидрогеологических задач в различных природных условиях с помощью моделирования, приемы учета и оценки, действующих при этом факторов, требования к качеству и количеству исходной информации и другие вопросы решения задач моделированием рассматриваются в специальной литературе (1—9, 12—14).
Как показывает опыт, моделирование как метод исследований и количественных оценок может эффективно использоваться при изучении и оценке месторождений подземных вод практически на всех стадиях их изучения, включая и исследования при эксплуатации. С помощью моделирования в зависимости от конкретных условий изучаемого объекта могут решаться различные частные задачи и в том числе корректировка видов и объемов дальнейших исследований. Используя для моделирования, полученные исходные данные, можно оценить влияние на условия работы проектируемого сооружения особенностей геологического и гидрогеологического строения объекта, его границ и граничных условий и, таким образом, установить, насколько достаточны имеющиеся данные для решения поставленных задач или насколько важны и необходимы дальнейшее изучение и оценка того или иного фактора.
По данным поисков и предварительной разведки представляется возможным: 1) уточнять или определять параметры основных водоносных горизонтов и разделяющих их глинистых толщ на основе выполненных опытных работ и данных стационарных наблюдений; 2) изучать закономерности изменения фильтрационных свойств пород путем построения схематических карт водопроводимости; 3) давать предварительную оценку общих гидрогеологических условий объекта с выделением ведущих и требующих дальнейшего изучения факторов и их предварительной количественной оценкой; 4) уточнять методику проведения опытно-фильтрационных работ на последующих стадиях исследований, воспроизводя их предварительно на модели; 5) корректировать виды и объемы работ, проектируемых для дальнейшего проведения (более рациональное размещение разведочных и наблюдательных скважин по площади объекта, определение мест проведения, длительности и интенсивности кустовых и групповых опытных откачек и т. д.); 6) выбирать участки для детальной разведки и осуществлять применительно к ним прогнозы условий работы проектируемых инженерных сооружений; 7) исходя из допустимых при прогнозе погрешностей оценивать влияние изменения местоположения границ пласта или характера граничных условий на величину погрешности, точность определения фильтрационных свойств и т. д., что дает возможность определять степень детальности дальнейших исследований на тех или иных участках объекта; 8) давать рекомендации по вариантам рационального размещения проектируемых инженерных сооружений.
Аналогичного типа задачи, но при большей обоснованности фактическим материалом и более значительном их ассортименте могут решаться на стадии детальной разведки, где основное внимание уделяется обеспечению осуществления обоснованного инженерного прогноза в соответствии с целевым заданием решаемой народнохозяйственной задачи.
На стадии эксплуатационной разведки с помощью моделирования могут быть решены задачи, связанные с уточнением инженерного прогноза, обоснованием более рациональных условий эксплуатации инженерного сооружения (или объекта) и корректировкой видов, объемов и методики дальнейших исследований. Основой для решения этих задач служат данные опыта эксплуатации инженерного сооружения и специальных наблюдений за режимом подземных вод.
Полнота исследования, разрешающая способность и экономическая эффективность решения задач моделированием существенно повышаются при совместном (полном или частичном) использовании аналоговых вычислительных машин (АВМ) и электронных цифровых (вычислительных машин (ЭЦВМ), т. е. при использовании аналогово-цифровых вычислительных комплексов (АЦВК). Такое комплексирование аналоговых моделирующих устройств с ЭЦВМ позволяет полностью (или частично) автоматизировать моделирование, обеспечить его эффективное математическое обслуживание,- сохранив все преимущества аналогового моделирования. Эффективность создания и использования, гибридных вычислительные систем подтверждается опытом применения аналогово-цифровых вычислительных комплексов типа «Сатурн» (5, 9, 12).
В перспективе с помощью гибридных вычислительных систем будут создаваться постоянно функционирующие математические модели месторождений подземных вод и отдельных гидрогеологических регионов, на основе которых будет осуществляться оперативное прогнозирование и управление разведкой и эксплуатацией подземных вод. Математические модели отдельных объектов, записанные на технические носители информации (магнитные ленты, перфокарты и т. п.), могут вводиться в действие в любое время для решения поставленной задачи с помощью моделирования.
В результате по каждому гидрогеологическому региону может быть создана система моделей, начиная от обзорных и региональных и кончая моделями отдельных объектов (месторождений, участков, водозаборов). Такие системы моделей могут рассматриваться как основная часть автоматизированной системы управления (АСУ) изучением, оценкой и использованием ресурсов подземных вод.
В целом АСУ ресурсами подземных вод может быть представлена как комплекс, состоящий из следующих составных частей: 1) автоматизированная информационно-поисковая система данных поисково-разведочных работ и режима эксплуатации подземных вод; 2) специализированная система обработки исходной информации (построение карт, графиков, таблиц и т. д.); 3) система математических моделей природных гидрогеологических объектов, реализующая функции воспроизведения естественных и нарушенных природных условий и прогнозирования на их основе результатов различных воздействии на гидрогеологические условия объектов. Таким образом, с помощью гибридных вычислительных систем может быть реализована основная часть автоматизированной системы управления ресурсами подземных вод — создание системы моделей природных гидрогеологических объектов.
Эффективность моделирования как метода исследований, количественных оценок и инженерных прогнозов во многом определяется возможностью более полного учета сложных природных условий и комплекса влияющих на особенности фильтрации разнообразных факторов, повышения в процессе моделирования степени достоверности исходной информации и осуществляемых на ее основе инженерных оценок и прогнозов, корректировки на основе моделирования направленности и методики гидрогеологических исследований. Все эти особенности моделирования как метода исследований, а также специфика решения задач моделированием предъявляют определенные требования к качеству и количеству исходной информации, к видам и методике проведения гидрогеологических исследований (3—5, 7—9, 12, 14). Требования определяются стадией проведения изысканий, степенью изученности и сложности природных условий объекта, задачами выполняемых исследований и моделирования, методикой моделирования (типом моделирующего устройства и модели, приемами моделирования и т. д.).
В общем случае применение моделирования требует целенаправленного проведения полевых исследований и обеспечения несколько более полной и достоверной информации о всей области фильтрации и действующих в ее пределах факторах, особенно если в процессе моделирования предполагается решение обратных задач.
Особую важность представляют данные о внешних и внутренних границах области фильтрации и действующих на них граничных условиях, а также о параметрах и строении изучаемого объекта. В связи с этим при проведении изысканий следует предусматривать комплекс работ по выявление границ области фильтрации, изучению их характера и свойственных им граничных условий (рекогносцировочные обследования, геофизические и гидрологические работы, стационарные наблюдения, опытно-фильтрационные работы и др.).
На первоначальных стадиях изучения объекта исходный материал должен обеспечить изучение с помощью моделирования общих гидрогеологических условий, выявление и оценку роли действующих факторов, и основные направления в проведении дальнейших исследований.
Более высокие требования к количеству и качеству исходной информации предъявляются на стадиях детальной и эксплуатационной разведок, при обосновании проектирования и условий эксплуатации инженерных сооружений. Материал, предполагаемый к использованию при решении обратных задач, должен быть максимально достоверным, а надежность установления границ и граничных условий области фильтрации обоснована данными разведочных работ. Ниже приводится ориентировочный перечень необходимых информационных материалов (по И. К. Гавич) для решения задач моделированием на детальных стадиях изучения и геолого-промышленной оценки месторождений подземных вод (3-5, 10).
1. Геолого-литологическая, геоморфологическая и гидрогеологические карты и профили, желательны структурные карты с изолиниями мощностей основных комплексов, характеризующие геоструктурные и морфологические особенности территории, площадь, контуры и условия залегания развитых водоносных и относительно водоупорных пород, их литологические особенности и изменение их по площади и разрезу.
2. Характеристика интенсивности и глубины эрозионного вреза речной сети, данные по осадкам, режиму и питанию рек, величине речного стока, характеризующие особенности изменения уровня и расхода потока во времени на его внешних и внутренних границах, возможную величину и изменение инфильтрационного питания и испарения.
3. Данные опытно-фильтрационных и лабораторных работ, определяющие основные расчетные параметры и возможный диапазон их изменения (коэффициент фильтрации, водопроводимость, гравитационная и упругая водоотдача, уровне или пьезопроводность, активная пористость).
При наличии достаточного материала расчетные параметры представляются в виде соответствующих карт. Эти карты в процессе моделирования уточняются.
4. Карты гидро- или пьезоизогипе основного и гидравлически связанных с ним водоносных комплексов с отметками уровня воды во всех опорных точках, охватывающие площадь несколько большую, чем возможная зона влияния проектируемого сооружения, и характеризующие положение пьезометрической поверхности на ряд моментов времени.
5. Данные наблюдений за уровнем и расходами источников действующих водозаборных скважин. Длительность периода наблюдений определяется в соответствии с выбранным методом обоснования достоверности модели. Данные представляются в виде специальных схем и графиков. Карты, отображающие условия питания подземных вод и восполнения их запасов, обычно строятся в процессе моделирования.
6. Карты минерализации подземных вод и гидрохимические профили, определяющие в совокупности с другими данные для прогноза возможного изменения гидрогеохимической обстановки в районе проектируемого сооружения.
7. Сведения, характеризующие условия работы действующих в районе исследований инженерных сооружений, а также все необходимые данные об объекте проектирования.
8. Данные кустовых и групповых откачек, обеспечивающие их воспроизведение при обосновании достоверности модели или отдельных ее элементов (сведения об изменении уровней в опорных точках во времени).
Получение перечисленных выше материалов возможно при широком использовании геофизических методов исследований, аэрофотосъемки, скоростных методов бурения и опробования скважин, например, применении экспресс-методов, выполнении мощных кустовых и групповых откачек, проведении в необходимых объемах гидрометрических, гидрологических, режимных и других работ.
Накопленный опыт использования моделирования в гидрогеологических исследованиях свидетельствует о том, что применение моделирования вносит определенные изменения и дополнения в методику их организации и проведения, которые следует учитывать при проектировании разведочных гидрогеологических работ (1—7, 9, 11 — 14): 1) применение моделирования планируется, а проект гидрогеологических исследований должен содержать перечень намечаемых к решению моделированием задач с указанием возможных методов их решения и обоснования надежности выполняемых оценок и прогнозов; 2) намечаемые для использования при решении обратных задач опытно-фильтрационные работы и наблюдения следует проводить с учетом обеспечения ими исходной информации в достаточном количестве и соответствующем качестве; 3)при необходимости уточнения параметров, построения карт их распределения и обоснования достоверности модели проектом работ необходимо предусмотреть составление карт .гидроизопьез по всем изучаемым и гидравлически связанным с ними водоносным горизонтам (при возможности на несколько моментов времени); 4) для установления характера границ области фильтрации и действующих на них граничных условий следует проводить комплекс дополнительных работ, обеспечивающих достоверное их определение и количественную оценку; 5) комплекс гидрогеологических и других исследований следует корректировать и выполнять в целях обеспечения успешного решения поставленных задач методом моделирования (достоверное обоснование фильтрационной схемы, однозначность решения обратных задач, надежность исходной информации). Только при правильной научно обоснованной его постановке, выполнении изложенных требований и творческом его применении моделирование может обеспечить надежное и эффективное решение поставленных гидрогеологических задач.
1. Аравин В. И. Расчеты и моделирование плановой фильтрации. М., Госэнергоиздат, 1963, 78 с.
2. Булдей В. Р. Моделирование гидромелиоративных систем. Киев, «Наукова думка», 1973, 199 с.
3. Гавич И. К.- Принципы и методы моделирования при оценке эксплуатационных запасов подземных вод. М. 1970, 98 с.
4. Гавич И. К. Применение моделирования к обработке гидрогеологической информации. М., 1971, 96 с.
5. Гавич И. К. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод методом моделирования. М., 1972, 98 с.
6. Дружинин Н. И. Изучение региональных потоков подземных вод методом электрогидродинамических аналогий. М., «Недра», 1966, 336 с.
7. Жернов И. Е., Шестаков В. М. Моделирование фильтрации подземных вод. М., «Недра», 1971, 226 с.
8. Жернов И. Е., Павловец И. Н. Моделирование фильтрационных процессов. Киев, «Вища школа», 1976, 192 с: 0
9. Лукнер Л., Шестаков В. М. Моделирование геофильтрации. М., «Недра», 1976, 407 с.
10.Мироненко В. А., Шестаков В. М. Основы гидрогеомеханики. М., «Недра», 1974, 296 с.
11.Поиски и разведка подземных вод для крупного водоснабжения. Под ред. Н. Н. Биндемана. «Недра», 1969, 328 с.
12.Рекомендации по применению современных математических методов к решению гидрогеологических задач при инженерных изысканиях. М., Стройиздат 1974, 135 с. Шестаков В. М. Динамика подземных вод. Изд-во МГУ, 1973, 327 с.
13.Шестаков В. М., Кравченко И. П., Пашковский И. С. Практикум по динамике подземных вод. Изд. 2-е. Изд-во МГУ, 1975, 270 с.