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

Актуальность исследования. В настоящее время Российская Федерация в экономическом плане переживает свое возрождение и подъем после длительного периода застоя и упадка. Развитие и совершенствование наблюдается во всех сферах промышленности и народного хозяйства. Не исключением стал интерес к контролю за состоянием естественных и искусственных водных ресурсов страны во всём их многообразии. Стремление соответствовать постоянно совершенствующимся и строгим международным стандартам повышает требования к эксплуатации водных объектов, как с технической точки зрения, так и с точки зрения экологии.

Важной группой процессов, протекающих в рамках любого естественного или искусственного водоема, является совокупность гидродинамических явлений, выражающаяся в существовании фильтрации воды в водоем и/или из водоема. Исследование фильтрационных явлений ложа различных естественных и искусственных водоемов является в настоящее время очень актуальной задачей. Объясняется это существованием зон «нежелательной» фильтрации в ложе водоемов, которые изменяют их первоначальные функции, а также нарушают экологическое равновесие самих водоемов с прилегающими к ним территориями.

С этой позиции все искусственные водоемы можно разделить на две группы: водоемы, в которые попадание загрязнений нежелательно (водохранилища), и водоемы, утечки из которых являются крайне нежелательными (отстойники, пруды для сброса отработанной воды с АЭС). Естественные водоемы, особенно в крупных городах (р. Москва), нуждаются в усиленном контроле на предмет техногенных притоков и утечек. Притоки могут вызвать загрязнение воды в водоеме, а утечки могут привести к активизации или увеличению интенсивности процессов выветривания на прилегающих территориях (карстово-суффозионные процессы), к подтоплению жилых и промышленных объектов и т. д. Необходимость проведения исследований характера, параметров и динамики фильтрационных процессов во времени и пространстве в ложе водоемов все чаще стала отмечаться различными исследователями. В последнее время остро стоит проблема выявления областей развития карста, приуроченных к зонам интенсивной фильтрации, как в крупных мегаполисах, например в г. Москве [29], так и на территориях масштабных гидротехнических сооружений, типа водохранилищ [103]. Другая важная задача —это обнаружение и локализация в пространстве мест, через которые в водоем поступают загрязняющие вещества как из залегающих ниже водоносных горизонтов, так и из подземных коммуникаций, находящихся в аварийном состоянии. В случае естественных водоемов на территории крупных мегаполисов (р. Москва) очень актуальна задача определения местоположения источников вторичного загрязнения (илы) на дне водоема, которые могут располагаться в окрестности областей утечек воды из водоема. Проблема подтопления городских агломераций также имеет место практически во всем мире.

Необходимо отметить, что наблюдения за фильтрационными явлениями через дно и борта водоемов являются неотъемлемой частью процесса эксплуатации любого водного объекта, начиная с его проектирования и кончая утилизацией. Это особенно актуально для современного водного фонда Российской Федерации, так как множество водных объектов нуждается в мониторинге явлений фильтрации на предмет возможного ремонта и восстановления [23].

Сохранение запасов воды надлежащего качества в поверхностных водных объектах приобретает особую важность. Так как проблема водоснабжения велика, то для учета потерь воды, целесообразно использовать эффективный и производительный метод исследования областей утечек и разгрузки воды через ложе водоемов.

Задача изучения процессов фильтрации на акваториях имеет свои особенности и трудности. Исследования зон фильтрации в ложе водоемов традиционно выполняются гидрологическими методами/ путем наблюдения скорости движения и расхода воды в выбранных вертикальных сечениях водоема с последующим взаимным сравнением и анализом. В таком варианте точность определения мест утечек и притоков воды через дно и борта водоема напрямую зависит от частоты расположения сечений в пространстве. Это обстоятельство сильно снижает производительность работ при исследовании водоемов со значительными площадями акваторий, иногда исчисляемыми десятками и сотнями квадратных километров. Как следствие редкой сети гидрологических наблюдений, понижается точность определения местоположения и геометрии зон фильтрации. Поэтому возникает потребность в более оперативном и производительном способе локализации зон фильтрации воды на пространственной границе водоема, а также определения таких характеристик зон фильтрации, как направление (приток, утечка), скорость и расход воды.

Среди возможных вариантов решения этой задачи использование комплекса геофизических методов является привлекательным по ряду причин. Во-первых, наличие процессов фильтрации приводит к появлению в окружающем пространстве аномалий ряда физических полей. Комплексное исследование и анализ данных по набору физических полей, наиболее чувствительных к процессам фильтрации воды через дно и борта водоема, позволяет получить более достоверную и разностороннюю оценку параметров фильтрации. Во-вторых, имеется-возможность проводить наблюдения физических полей бесконтактным способом, в том смысле, что измерения выполняются в объеме воды вблизи дневной поверхности. Это обстоятельство позволяет преодолеть ряд технических трудностей при измерениях и существенно повысить производительность исследований, а, следовательно, увеличить пространственную и временную разрешающую способность исследований.

Основная цель исследования состоит в разработке теоретических, технических, аппаратных и вычислительных аспектов комплекса геофизических методов для дистанционного, бесконтактного и высокопроизводительного исследования процессов фильтрации, протекающих в ложе пресноводных водоемов любого типа, конфигурации и масштаба.

Основные задачи исследования:

1) Выбор комплекса геофизических методов для исследования фильтрационных процессов на водоемах.

2) Создание алгоритма решения прямой задачи метода естественного электрического поля, как центрального метода комплекса и исследование количественных закономерностей естественного электрического поля, связанного с фильтрационными процессами через ложе водоема.

3) Разработка способа прецизионного определения комплексного электрического сопротивления водных электролитов' как фактора обладающего сильной реакцией на изменение химического состава и качества воды.

4) Анализ динамической характеристики термоприемника и реализация способа её коррекции для увеличения быстродействия измерителя температуры как при зондировании в грунте, так и при непрерывном движении в водной толще.

5) Обоснование и разработка аппаратно-программного аналого-цифрового комплекса для регистрации данных комплекса геофизических методов как в лабораторных, так и в полевых условиях в процессе непрерывного перемещения измерительных датчиков в среде.

6) Разработка и тестирование программ цифровой обработки данных комплекса геофизических методов.

7) Испытание предложенного аппаратурно-методического комплекса в ходе геофизических исследований природных объектов.

8) Анализ подходов к качественной и количественной интерпретации данных, полученных в результате обработки.

Объектом исследования является совокупность явлений фильтрации воды через ложе естественных и искусственных водоемов.

Предмет исследования состоит в изучении естественного электрического, термического полей и поля электрического сопротивления в водной толще, в том числе связанных с процессами фильтрации жидкости через дно и борта водоемов.

Методологическая и теоретическая основа исследования. Основу работы составили научные труды отечественных и зарубежных авторов, специализирующихся в области теории математического моделирования естественных процессов, области геофизических методов исследования земной коры, а также в области разработки методов измерения физических полей в условиях натурных наблюдений. Среди отечественных пионеров-исследователей фильтрационных процессов на водоемах геофизическими методами необходимо указать следующие имена: Огильви А. А., Богословский В. А., Калинин А. В., Калинин В. В., Владов М. Л., Мусатов А. А., Горбунов А. А., Модин И. Н. Стоит также огласить имена отечественных исследователей, принимавших и принимающих активное участие в разработке теории геофизических полей фильтрационной природы: Заборовский А. И., АпьпинЛ. М., Семенов А. С., Кормильцев В. В., Титов К. В., Коносавский П. К. Имена зарубежных исследователей, изучавших похожие проблемы и решавших сходные задачи такие: William R. Sill, Robert F. Corwin, David V. Fitterman, Andrew P. ВёгиЬё и др.

Исследование выполнено с использованием математических, статистических методов, а также метода сравнений и аналогий, метода обобщений и метода натурных наблюдений.

Информационная база исследования. В качестве информационных источников в работе использовались:

1) Научные источники в виде данных и сведений из монографий, журнальных статей, кандидатских и докторских диссертаций, научных и производственных докладов и отчетов, материалов научных конференций.

2) Результаты собственных расчетов и проведенных лабораторных и натурных экспериментов.

3) Официальные документы в виде законодательных актов, государственных стандартов и нормативных документов.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1) Впервые разработан и реализован алгоритм решения прямой задачи метода естественного электрического поля для плоскопараллельной модели водоема (воздух, вода, однородное полупространство) с произвольным расположением зон фильтрации различных типов на дне.

2) Реализован в цифровой форме и усовершенствован ранее известный алгоритм восстановления потенциала естественного электрического поля по данным наблюдения дипольными установками.

3) Предложен и реализован способ раздельного измерения компонентов комплексного сопротивления электрохимической ячейки, а также сделана оценка статической и динамической погрешностей измерения.

4) Реализован в цифровой форме и развит ранее известный алгоритм коррекции динамической характеристики измерителя температуры, а также исследована область его применения и ограничения.

5) Проведены лабораторные и натурные испытания многофункционального масштабируемого аналого-цифрового аппаратно-программного комплекса, предназначенного для проведения геофизических исследований в водном объеме как в статическом (точечном), так и в динамическом (непрерывное движение) режимах.

6) Отработаны методические вопросы наблюдения естественного электрического поля, полей температуры и электрического сопротивления вблизи поверхности ряда водоемов с целью выявления зон фильтрации воды. Развиты представления о пространственной структуре изучаемых физических полей на водоемах. Существенно дополнена имеющаяся фактологическая база по теме исследований.

Практическая значимость исследования. Предложен аппаратурно-методический геофизический комплекс, а также теоретически разработан и практически выполнен вариант его аппаратно-программной реализации для определения местоположения, типа, размеров и геометрии зон фильтрации через дно и борта естественных и искусственных пресноводных водоемов, а также для оценки скорости фильтрации жидкости. Комплекс может быть практически использован для прогноза развития неблагоприятных природных и техногенных процессов, для решения задач геоэкологического мониторинга, а также для выработки обоснованных рекомендаций для проектных организаций. Предложенный комплекс позволяет существенно расширить фактологическую базу и дать количественные величины для построения более адекватных геологических, гидрогеологических, гидрологических и геофизических моделей. Современная аппаратная аналогово-цифровая база реализации комплекса обеспечивает высокую точность выходных данных, а также позволяет использовать реализацию комплекса как самостоятельно, так и в связке с другими методами, как в лабораторных условиях, так и для натурных исследований пресноводных водоемов любого типа, конфигурации и масштаба в широком диапазоне условий наблюдения.

Защищаемые положения. Защищается совокупность теоретических, методических разработок, лабораторных и натурных исследований, включающая в себя следующее:

1) Выбран комплекс геофизических методов, состоящий из ЕП, резистивиметрии и термометрии в водном объеме, позволяющий проводить дистанционные геофизические исследования искусственных и естественных водоемов на предмет нахождения параметров фильтрационных процессов через поверхность водного объема.

2) Получено решение прямой задачи метода ЕП для упрощенной модели водоема при наличии источников тока фильтрационной природы. На базе теоретического решения была разработана программа моделирования на персональной ЭВМ, которая позволила разработать эффективные методики натурных наблюдений по методу ЕП в водном варианте.

3) Предложен и реализован способ раздельного измерения компонентов комплексного сопротивления электрохимической ячейки, а также сделана оценка статической и динамической погрешностей измерения. Апробация метода осуществлялась при измерении активного и реактивного сопротивления водного раствора соли NaCl с помощью двухэлектродной электрохимической ячейки. Метод позволяет существенно повысить точность определяемых абсолютных значений проводимости.

4) Вычислительно реализован метод коррекции динамической характеристики преобразователя температуры с целью увеличения его быстродействия. По результатам лабораторного эксперимента в режимах естественной и вызванной конвекции было достигнуто увеличение быстродействия термометра в 4 —5 раз. Программная реализация метода позволяет повысить точность определения температуры и положения источников аномалий. 5) Проведены представительные по объемам опытно-методические исследования доступных поверхностных объектов (Новодевичьи пруды, юго-восточный участок р. Москвы и её притоки) предложенным аппаратурно-методическим комплексом. На нескольких объектах, которые, согласно априорным данным, в сильной степени подвержены явлениям фильтрации, были зарегистрированы аномалии физических полей, которые, по результатам комплексирования методов, наиболее вероятно, соответствуют наличию значимых фильтрационных явлений. В результате обработки данных предложенного комплекса были сделаны оценки направления фильтрации и, в некоторых случаях, площади развития фильтрационных процессов.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований докладывались автором на следующих мероприятиях: день научного творчества студентов МГУ (г. Москва, 2006 г.) — международная выставка-конференция общества EAGE «69th EAGE Conference & Exhibition incorporating SPE EUROPEC 2007» (г. Лондон, 11−14 июня 2007 г.) — международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2008» (г. Москва, 7−11 апреля 2008 г.). Результаты исследования вошли в состав научно-производственных отчетов и помогли в деятельности двух профильных организаций: МГУП «Мосводоканал» и ЗАО «Центр практической геоэкологии О плюс К» (ЦПГ).

Публикации. Основные положения работы и результаты исследований по различным направлениям опубликованы в 5 научных статьях и 3 сборниках материалов к профильным научно-практическим конференциям.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и 4 приложений. Содержит 222 страницы машинописного текста, в том числе 1 таблицу, 38 рисунков и библиографический список использованных литературных источников из 168 наименований, из которых 30 иностранных.

Основные результаты выполненных теоретических и опытных исследований сводятся к следующему:

1) На основании теоретического анализа выбран комплекс из относительно независимых, но взаимно обусловленных геофизических методов, состоящий из ЕП, резистивиметрии и термометрии в водном объеме, предназначенный для геофизических исследований искусственных и естественных водоемов на предмет нахождения параметров фильтрационных процессов через поверхность водного объема.

2) Решена прямая задача метода ЕП о нахождении распределения потенциала ЕЭП для принятой плоскопараллельной геоэлектрической модели водоема, состоящей из двух полупространств (дно, воздух) и одного слоя конечной мощности (вода), при наличии зон фильтрации произвольной формы, расположенных на дне. Исследованы количественные закономерности распределения потенциала ЕЭП в водном объеме, позволяющие обоснованно проектировать параметры измерительной аппаратуры и методики наблюдений в водном слое в непосредственной близости к дневной поверхности в широком диапазоне глубин воды, отношений УЭС водного слоя и отложений дна, и размеров зон фильтрации.

3) На основе полученного решения прямой задачи метода ЕП предложены два варианта методики натурных наблюдений методом ЕП. Развита и исследована процедура «восстановления» потенциала ЕЭП по данным градиентных (дипольных) установок. Предложен граф обработки данных водного варианта метода ЕП с целью получения качественных и количественных выводов о развитии процессов фильтрации жидкости.

4) Предложен метод «двух сопротивлений» для раздельного измерения действительной (активное сопротивление) и мнимой (реактивное сопротивление) частей комплексного сопротивления водных электролитов. Оценены точность, возможности и ограничения метода.

5) Метод «двух сопротивлений» апробирован на водном растворе соли NaCl в широком диапазоне концентраций. Оценено влияние переходного процесса, связанного с вариацией измеряемого сопротивления во времени (непрерывная буксировка ячейки), на точность измерения.

6) Вычислительно реализован метод коррекции динамической характеристики преобразователя температуры с целью увеличения его быстродействия. Исследованы возможности и ограничения метода. Сделан анализ устойчивости процедуры коррекции к погрешности входных параметров и наличию шума во входных данных.

7) Проведен лабораторный эксперимент по практической реализации метода коррекции в условиях конвективного теплообмена, в рамках которого математическими методами достигнуто увеличение" быстродействия термометра в 4 — 5 раз. Исследованы факторы, влияющие на качество коррекции данных, полученных в динамическом режиме наблюдений (непрерывная буксировка термометра в водном объеме).

8) Разработан и практически реализован многофункциональный масштабируемый цифровой аппаратно-программный комплекс для проведения геофизических исследований предложенным комплексом в водном объеме, как в статическом (точечном), так и в динамическом (непрерывное движение) режиме.

9) Проведен ряд опытно-методических работ по исследованию структуры ЕЭП и выявлению зон фильтрации на доступных поверхностных водных объектах (Новодевичьи пруды, юго-восточный участок р. Москвы и её притоки) предложенным аппаратурно-методическим комплексом. На нескольких объектах, которые, согласно априорным данным, в сильной степени подвержены явлениям фильтрации, были зарегистрированы аномалии физических полей, которые, по результатам комплексирования методов, наиболее вероятно, соответствуют наличию значимых фильтрационных явлений. В результате обработки данных предложенного комплекса были1 сделаны оценки направления фильтрации и сделаны полуколичественные оценки площади развития фильтрационных процессов.

10) На основании достигнутых измерительных возможностей разработанного аппаратно-методического комплекса возможно проведение мониторинга состояния водоемов на предмет развития и эволюции явлений фильтрации.

В свете изложенных результатов представляются обоснованными следующие рекомендации:

1) Результаты натурных наблюдений предложенным аппаратурно-методическим комплексом существенно расширили имеющуюся, преимущественно в аналоговом виде, фактологическую базу данных об элементах ЕЭП, температуре и сопротивлении в водном объеме современных водоемов, расположенных в пределах крупной городской агломерации — г. Москвы. Наблюденные фоновые значения, пространственные закономерности и временная динамика исследуемых полей служат основой для совершенствования методики натурных наблюдений и расширения фундаментального знания о природе наблюдаемых аномалий.

2) На текущем этапе исследований, предложенный комплекс может эффективно использоваться как экспресс-метод для выявления аномалий физических полей, наиболее вероятно связанных с наличием процессов фильтрации на пресноводных водоемах. Обработка и анализ данных комплекса позволяют определить местоположение эпицентра, направление и оценить площадь фильтрации.

3) Для получения количественных результатов интерпретации данных комплекса, в особенности метода ЕП, представляется необходимым повысить размерность и детализацию имеющейся геоэлектрической модели конкретного изучаемого водоема с целью получения адекватного представления об исследуемых явлениях. Также представляется необходимым обогатить имеющуюся микроскопическую модель источника фильтрации некоторыми петрофизическими параметрами (извилистость капиллярной сети, тип пористости, гидравлическая проницаемость).

4) При необходимости, для увеличения производительности работ необходимо повысить быстродействие термометрической аппаратуры аппаратными или вычислительными методами, включая коррекцию динамической характеристики термоприемника в режиме реального времени.

5) Для повышения информативности используемого комплекса геофизических методов целесообразно его дополнить методами сейсмоакустики, кинематическая сторона которых позволяет получить дополнительные сведения о геометрическом строении дна водоема и отложений под дном, а динамическая часть потенциально дает дополнительные сведения о степени водонасыщенности и фильтрационных свойствах грунтов. Также представляется уместным добавить в имеющийся измерительный комплекс набор технологически и динамически совместимых химических сенсоров для измерения фактора рН, содержания кислорода и других параметров, обладающих значительной реакцией на изменение состава и свойств жидкости.

Сложность процесса фильтрации жидкости через пористую среду при наличии глинистой составляющей, извилистости поровых каналов, кольматации проводящих областей, а также прямые лабораторные эксперименты показывают, что движение жидкости в сложных проницаемых средах, как правило, происходит по сценарию перколяции. В реальных условиях пытаться оценить объем фильтрующейся жидкости с помощью принятой модели прямых параллельных капилляров не представляется возможным. Следовательно, имеющаяся модель не всегда адекватна и требует либо уточнения, либо полной замены. Поэтому возникает необходимость определения абсолютных значений скорости фильтрации для калибровки данных предложенного комплекса и целесообразность дополнения предложенного комплекса аппаратурно-техническими и методическими решениями для прямого измерения абсолютных значений скорости фильтрации жидкости.

Заключение

.

На основании исследований, проведенных в области разработки аппаратурно-методического комплекса геофизических методов для исследования явлений фильтрации жидкости через ложе естественных и искусственных пресноводных водоемов в связи с решением геоэкологических, инженернои гидрогеологических задач, можно сделать следующие выводы:

1) Предложенный аппаратурно-методический комплекс, основанный на водном варианте метода ЕП, термометрии и резистивиметрии в водном объеме, представляется обоснованным и необходимым для дистанционного исследования процессов фильтрации жидкости через границы пресноводных водоемов при помощи измерений с дневной поверхности, как в статическом режиме, так и в процессе непрерывного движения.

2) Практическая реализация комплекса в аппаратурной и методической частях применительно к натурным наблюдениям реальных поверхностных водных объектов, особенно на участках с заведомо известным наличием фильтрации, показала возможность использования комплекса для качественного решения задач локализации зон фильтрации в пространстве и выяснения направления фильтрации, и его эффективность с позиции временных и материальных затрат.

3) Методы количественной интерпретации данных комплекса, с целью нахождения скоростей и объемов фильтрации связаны с увеличением количества информации об исследуемом водоеме, построением специфических физико-геологических моделей изучаемых физических полей и требуют дальнейшей математической разработки.