авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ И ОЦЕНКИ ЕСТЕСТВЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕКОНДИЦИОННЫМИ ВОДАМИ (НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Лисьева Наталья Михайловна

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ И ОЦЕНКИ

ЕСТЕСТВЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕКОНДИЦИОННЫМИ ВОДАМИ

(НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ

КАМСКО-ВЯТСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА)

Специальность 25.00.07 Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, c. н. с.

Сергей Михайлович Судариков

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Воронов Аркадий Николаевич

кандидат геолого-минералогических наук

Петров Владимир Викторович

Ведущая организация Российский государственный гидрометеорологический университет

Защита диссертации состоится « 25 » марта 2009 г. в 16.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан « » _______________ 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета И.Г. КИРЬЯКОВА

к. г.-м. н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется назревшей необходимостью усовершенствования некоторых существующих методов изучения и оценки естественных ресурсов подземных вод, их адаптации к современным условиям и задачам, в том числе экологическим.

Сложные гидрогеологические условия, сравнительно маломощная зона пресных подземных вод в восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна определили наличие в регионе небольших месторождений подземных вод хозяйственно-питьевого назначения и связанную с этим проблему подтягивания некондиционных вод из нижних горизонтов и в результате – недостаточное водообеспечение населения и хозяйства ряда районов и городов. Характерны случаи преждевременного истощения запасов подземных вод питьевого качества до истечения срока эксплуатации вплоть до их уничтожения (например, на Туймазинском месторождении).

Проблема усугубляется тем, что водоснабжение в регионе базируется, главным образом, на подземных водах (свыше 90%). Слабое использование речных вод связано с их значительным загрязнением – сельскохозяйственными загрязняющими веществами, фенолами (до 54 ПДК), нефтепродуктами (до 48 ПДК) и др.

В настоящее время требует усовершенствования метод расчета среднемноголетнего водного баланса, который до сих пор мог служить лишь для ориентировочной оценки ресурсов артезианских вод. Существующий метод нельзя использовать для изучения динамики артезианских вод сравнительно небольших регионов и построения для них гидродинамической карты.

Цель работы. Разработка более точной и детальной методики изучения и оценки естественных ресурсов напорных подземных вод, определения их динамических параметров на базе метода среднемноголетнего водного баланса и создание методики оценки опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод некондиционными водами зоны затрудненного водообмена на примере восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна.

Основные задачи исследований: 1) усовершенствование метода среднемноголетнего водного баланса с позиций системного подхода и теории моделирования; 2) оценка естественных ресурсов подземных вод, расположенных ниже зоны пресных вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна с помощью двух методик – существующей и новой, проверка и сравнительный анализ полученных результатов; 3) построение серии карт в едином масштабе 1 : 500 000; 4) выявление гидрогеодинамических и гидрогеохимических закономерностей формирования подземных вод верхнего гидрогеологического этажа; 5) разработка методики региональной оценки и построения карт опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод минерализованными водами; 6) оценка опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод минерализованными водами; 7) районирование региона по степени опасности и факторам загрязнения пресных вод с помощью разработанной методики.

Фактический материал и личный вклад автора. Диссертационная работа построена на результатах теоретического анализа и научно-практических работ, выполненных автором за 6-летний период с 2002 по 2008 гг. на основе фактического материала, собранного в Росгеолфонде, Башкирском республиканском центре мониторинга состояния недр (ГУП «Башгеолцентр) и фондах организации «Башгидромет». Автором на базе метода среднемноголетнего водного баланса разработаны: 1) методика определения величины питания (разгрузки) артезианских вод, гидродинамических характеристик, позволившая значительно усовершенствовать и расширить водно-балансовый метод; 2) методика количественной оценки степени опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод залегающими под ними некондиционными водами.

Автором получены новые данные по динамике артезианских вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна, установлен ряд гидрогеодинамических и гидрогеохимических закономерностей, построен комплекс тематических карт: 10 карт в масштабе 1 : 500 000 и ряд карт в масштабе 1 : 2 500 00; среди них: гидродинамическая карта минерализованных вод (по усовершенствованному методу), карта опасности загрязнения подземных и поверхностных вод зоны интенсивного водообмена глубже залегающими минерализованными водами, карты гидроизопьез основных водоносных горизонтов, карта областей питания и разгрузки минерализованных подземных вод, элементов водного баланса и др. Произведена оценка опасности загрязнения пресных вод региона некондиционными водами и проведено районирование региона по степени и факторам загрязнения пресных вод с помощью разработанной методики. Автором оценены естественные ресурсы подземных вод зоны затрудненного водообмена с помощью водно-балансового метода.

Основные методы исследования: а) среднемноголетнего водного баланса Б.И. Куделина, б) гидродинамический (на базе уравнения Дарси); в) определения испарения А.Р. Константинова; г) моделирования (водно-балансового, графического); д) статистические обработки данных (определения норм гидрометеорологических характеристик по рядам наблюдений разной продолжительности, различных погрешностей и коэффициентов, корреляционно-регрессионный анализ – приведение статистических параметров к многолетнему периоду, установление зависимостей от факторов и т.д.) и др.

Научная новизна:

1. Разработана методика локально-региональной оценки динамических параметров напорных вод и построения гидродинамической карты на базе метода среднемноголетнего водного баланса.

2. Разработана методика оценки опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод глубже залегающими некондиционными водами.

3. Установлен ряд гидрогеодинамических и гидрогеохимических закономерностей для территории восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна, которые могут быть характерны и для других регионов с аналогичными природными условиями.

Практическая значимость. Предлагаемые методики позволяют просто, но более детально и информативно определить: а) динамику подземных вод, залегающих под пресными водами; установить не только горизонтальное направление потока указанных вод, но и вертикальный водообмен (направление и величину), границы областей питания и разгрузки; б) выявить и объяснить гидрогеохимические закономерности; в) оценить опасность загрязнения пресных подземных и поверхностных вод некондиционными водами из нижележащих горизонтов, что дает возможность выявить потенциально опасные участки с точки зрения организации на них хозяйственно-питьевого водоснабжения и истощения ресурсов пресных вод.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается: результатами сопоставления выполненных водно-балансовых расчетов и карт (гидродинамической карты, величины W и др.) с другими гидрогеологическими величинами (гидрогеодинамическими – Н, I и др., гидрогеохимическими, урезами воды в реках и др.) и материалами (разрезами, картами – гидроизопьез, гидрогеологической, геологической, тектонической, геоморфологической, карста, климатической и др., общим гидрогеологическим строением и т.д.), значениями W, определенными с помощью формулы Дарси на 4 репрезентативных участках, расположенных в различных условиях. Оценивалась репрезентативность рядов гидрометеорологических наблюдений, были вычислены и учтены относительные среднеквадратические погрешности среднемноголетних величин, коэффициенты вариации речного стока и его относительные среднеквадратические ошибки. В расчеты внесены поправки, учитывающие влияние основных антропогенных факторов и точность измерительных приборов (осадкомеров) либо использовались данные с уже внесенными в них поправками (например, на влияние карста и гидроплотин на речной сток, потери речной воды в поймах рек и др.).

Апробация работы и публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, были доложены на VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2007), на IV Всероссийской научно-практической конференции «Организация территории: статика, динамика, управление» (Уфа, 2007), на научном семинаре в ИВП РАН (Москва, 2007), на Х ежегодной конференции «Сергеевские чтения». Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии» (Москва, 2008), на заседании кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ) (Санкт-Петербург, 2008 г.).

Основные положения диссертации отражены в 11 опубликованных научных работах, в том числе 1 работе в издании, входящем в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, содержащего 146 наименований; изложена на 208 страницах, содержит 47 рисунков и 14 таблиц.

В первой главе диссертации приводится анализ современного состояния региональных исследований естественных ресурсов подземных вод. Во второй главе охарактеризованы природные и антропогенные факторы и условия формирования подземных вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна. Третья глава посвящена вопросам вертикальной гидрогеологической зональности и гидродинамического районирования указанной территории. В четвертой главе приводится методика региональной оценки естественных ресурсов подземных вод зоны затрудненного водообмена и гидродинамического картирования. В пятой главе рассматриваются гидрогеодинамические и гидрогеохимические закономерности формирования естественных ресурсов подземных вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна. Шестая глава посвящена оценке опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод нижезалегающими некондиционными водами.

Первое защищаемое положение обосновывается в четвертой главе, второе – в пятой, третье – в шестой главе.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д. г.-м. н., проф. С.М. Сударикову за помощь при подготовке диссертационной работы, сотрудникам кафедры Г и ИГ и СПГГИ (ТУ). Автор благодарит д. г.-м. н., проф. И.С. Пашковского за предоставленные материалы и консультацию; зав. кафедрой гидрогеологии МГУ д. г.-м. н., проф. В.А. Всеволожского и преподавателей кафедры, д. г. н. А.П. Белоусову (ИВП РАН); сотрудников Башкирского республиканского центра мониторинга состояния недр и Башгидромета за предоставленные фактические материалы. Особую благодарность автор выражает ректору БГПУ д. п. н., проф. Р.М. Асадуллину, сотрудникам БГПУ и зав. кафедрой эконом. географии к. г. н., доц. И.В. Голубченко за помощь и поддержку.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Разработанная на базе метода среднемноголетнего водного баланса методика позволяет более точно и детально оценивать естественные ресурсы напорных вод и строить комплексную гидрогеодинамическую карту, отображающую структуру подземного потока, направление движения подземных вод по вертикали и горизонтали, значения питания и разгрузки, границы между областями питания и разгрузки.

Метод среднемноголетнего водного баланса разработан в середине 20 в. Б.И. Куделиным с целью региональной оценки естественных ресурсов артезианских вод (зоны замедленного стока), что являлось в то время весьма актуальным и представляло общую практическую необходимость. В основе метода лежит уравнение, состоящее из среднемноголетних величин

±W = Х – Y – Z, (1)

где ±W – питание (разгрузка) артезианских вод, X – атмосферные осадки, Y – речной сток, Z – испарение.

До сих пор с помощью водно-балансового метода лишь ориентировочно оценивались естественные ресурсы артезианских вод отдельных регионов (Б.И. Куделин, Н.А. Лебедева, И.В. Зеленин и др.). Основной причиной одноцелевого использования метода, по всей видимости, являются его ограничения, отмечаемые в работах И.С. Зекцера, В.М. Шестопалова, В.А. Всеволожского и др.

Проведенное исследование для восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна с помощью данного метода показало, что основная трудность заключается не столько в самой модели (1), сколько в методике ее практической реализации, принципах отображения балансовых элементов на физической модели (картах).

До настоящего времени уравнение среднемноголетнего водного баланса не рассматривалось как модель, а методика его применения – как моделирование. В то же время за рубежом еще в 40-е годы 20-го века даже элементарные водно-балансовые формулы физики рассматривались как водно-балансовые модели. К таким моделям можно отнести и водно-балансовую модель (1). Одним из свойств моделей такого типа является отсутствие в них пространственных координат (в отличие, например, от гидродинамических моделей). Поэтому, как правило, их применяют как модели с сосредоточенными параметрами, т.е. с осреднением по площади всех элементов модели. При этом для получения более или менее достоверного результата площадь изучаемого объекта должна быть небольшой и с однородными природными условиями (основной принцип построения моделей с сосредоточенными параметрами).

Однако уравнение (1) создавалось Б.И. Куделиным для изучения крупных территорий – артезианских бассейнов и их частей. Поэтому в данном случае встает проблема определения пространственной структуры территории, выделения в ее пределах более мелких территориальных единиц, для которых такое осреднение допустимо. Эта проблема выходит за рамки решения модели и представляет отдельный, причем предварительный этап исследования. Только после этого можно применять модель к выделенным территориальным единицам. В их качестве по Б.И. Куделину выступают на первом более масштабном уровне области питания и разгрузки артезианских вод, на втором более детальном и замыкающем уровне – речные водосборы или их части, для которых и применяется условие однородности.

В то же время, известно, что речной водосбор может располагаться в различных гидрогеологических и других условиях, что определяет неоднородность элементов модели даже на качественном уровне. Проведенное автором исследование восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна подтвердило этот вывод.

Изменив методику практического применения водно-балансовой модели, другими словами – способ графического моделирования (по И.К. Гавич), можно не только добиться более достоверного результата при существующей степени оснащенности фактическим гидрометеорологическим материалом, но и перейти от представления осредненных количественных соотношений к изучению гидрогеологического процесса (динамики подземных вод), что возможно с помощью моделей с распределенными параметрами. Суть последних, как известно, состоит в нахождении величин параметров в точках (или узлах) без пространственного осреднения.

Значительное снижение в настоящее время погрешностей определения среднемноголетних значений X, Y, Z, а, следовательно, и W в связи с удлинением рядов гидрометеорологических наблюдений позволяет перейти к построению более точной пространственной модели. Исследования показали, что отклонение среднемноголетних величин речного стока от нормы для более половины гидрометрических постов не превышает 5%. Известны также способы снижения таких погрешностей (И.В. Зеленин).

Неудовлетворенность автора водно-балансовыми результатами, полученными в ходе исследования восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна по существующей методике, привели к идее создания другой методики.

По новой методике все элементы правой части уравнения (1) определяются не как средне-площадные величины, а в точках, в качестве которых служат метеостанции, где измеряют осадки и другие метеорологические характеристики, по которым вычисляется испарение. Значения речного стока и недостающие данные по испарению для этих точек устанавливаются по предварительно построенным картам в изолиниях. Затем в этих точках вычисляются значения W по уравнению (1) и строится карта способом изолиний, названная гидродинамической (рис. 1, вклейка). Выбор такого названия карты основан на существующих гидрогеодинамических зависимостях (И.К. Гавич, В.А. Мироненко, В.М. Шестаков, А.А. Лучшева, С.М. Семенова-Ерофеева и др.):

Qг = f (Ht), (2)

где Qг – расход потока на его границе, Н – уровень потока, и

W = Wгл = г = k (H0 – Hг)/m, (3)

где Wгл – величина (интенсивность, или скорость) глубинного перетекания через слабопроницаемый слой, г – скорость фильтрации, направленная по нормали к границе со слабопроницаемым слоем, k, m – коэффициент фильтрации и мощность разделяющего слоя, H0 – уровень воды основного горизонта, Hг – уровень в соседнем «питающем» горизонте (напор по граничному контуру). Следствием данных равенств является: Н = f (W).

По гидродинамической карте (рис. 1, вклейка) можно определить горизонтальное и вертикальное направления движения вод и его интенсивность, установить границу областей питания и разгрузки напорных вод, в качестве которой служит изолиния со значением 0 мм/год, структуру потока подземных вод.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.