автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Теория и методы оперативного управления техногенными процессами в гидролитосфере

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Теория и методы оперативного управления техногенными процессами в гидролитосфере

специальность 05.13.01. Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

003493Э42

На правах рукописи

Малков Анатолий Валентинович

2010 г.

1 8 МДР 2010

003493942

Диссертация выполнена в Пятигорском государственном технологическом университете

- доктор технических наук, профессор Першин Иван Митрофанович

- заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Колесников Анатолий Аркадьевич.

- доктор технических наук, профессор Ефимов Николай Николаевич

- заслуженный деятель науки, доктор технических наук, профессор Заковоротный Вилор Лаврентьевич.

- ФГУГП «Гидроспецгеология»

¿о

Защита диссертации состоится « 2- £ » С? У 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского технологического института Южного федерального университета

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просьба направлять по адресу: 347928, г. Таганрог, ГСП - 17А, пер. Некрасовский, 44, аттестационный отдел.

Автореферат разослан « ^^ » 2010г.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208.22, д.т.н., профессор

Целых А.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность.

Гидролитосфера - это одна из основных оболочек биосферы, от сохранения целостности которой во многом зависят все живые существа. Крайне неблагоприят-ая ситуация с поверхностными водами, желание иметь надежные и качественные одоисточники, утилизация отходов, интенсивная добыча минеральных ресурсов -сновные причины серьезного антропогенного воздействия на гидролитосферу, принимающего в настоящее время угрожающие масштабы. Дефицит водных ресурсов итьевого качества приобретает сегодня масштабы глобальной экологической ката-трофы. Системы водоснабжения выдают колоссальные и все возрастающие объемы точных вод, размещение которых в гидролитосфере традиционными методами со-ряжено с экономическими и энергетическими затратами, опасностью загрязнения кружающей природной среды, вспышками эпидемий. Основным итогом природо-ользования является истощение и загрязнение водных ресурсов, нарушение природных круговоротов и рассеяние вещества, рост энтропии биосферы. Сегодня всерьез говорят о возможности изменения глобального круговорота воды, последствия которого трудно предсказать и оценить. В связи с этим одной из первоочередных задач, внимание к которой постоянно возрастает, является рациональное и экологически безопасное использование природных ресурсов, диагностика состояния гидролитосферы, прогноз развития техногенных процессов и управление ими.

Современное состояние исследований в этой области характеризуется увеличением масштабности, и во многих случаях исследования рассматриваются в региональных аспектах. Именно этим вызвана постоянная необходимость в усложнении постановки и методов решения практических задач, которые еще больше усложняются в связи с возросшими требованиями к вопросам охраны окружающей среды и рационального использования недр. Гидролитосфера как многокомпонентная система по своему строению весьма сложна, и ее изучение в условиях интенсивной техногенной нагрузки сложная комплексная задача.

Интенсивное использование минеральных ресурсов и воздействие на гидролитосферу довольно часто приводят к развитию негативных неуправляемых процессов, ликвидация которых в ряде случаев требует пересмотра принятых первоначально технологических решений, привлечения дополнительных финансовых вложений и длительных сроков реабилитации.

Естественно, предупреждение нежелательных ситуаций более предпочтительно, чем ликвидация причин, вызвавших их, но в этом случае необходимо располагать методологической базой, позволяющей осуществлять систематическую оценку сложившейся ситуации и своевременно прогнозировать ее развитие на некоторую перспективу в зависимости от технологических режимов эксплуатации. Иными словами, гидролитосферные процессы должны рассматриваться как объекты управления со всеми присущими элементами и связями управляемых объектов.

Учитывая сложившуюся экологическую ситуацию в верхней гидродинамической зоне гидролитосферы, актуальность этого направления сложно переоценить и дальнейшее развитие его является важной народнохозяйственной задачей.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие и совершенствование теоретических основ управления природными геологическими объектами в условиях интенсивного техногенного воздействия, повышение точности и оперативности процессами эксплуатации, обоснование условий разработки, обеспечивающих минимальную экологическую нагрузку на гидролитосферу.

Цель достигается системным анализом процессов, влияющих на гидролитосферу, разработкой методов повышения точности построения пространственных (плоско-пространственных) математических и гидравлических моделей водоносных систем, внедрением методов оперативного управления, основанных на принципах отрицательной обратной связи и современных методов изучения геологической среды.

Достижение цели требовало решение следующих задач.

1. Разработка и совершенствование теоретических основ и методов полевых опытно-фильтрационных исследований с целью определения гидродинамических параметров геологической среды, в том числе и методов изучения фильтрационных свойств геологического разреза с использованием скважинной расходометрии.

2. Разработка и теоретическое обоснование методов верификации пространственных и плоско-пространственных математических и гидравлических моделей водоносных систем по данным эпигноза.

3. Эколого-гидродинамическое районирование объекта с целью обоснования целевой функции и предельных режимов эксплуатации.

4. Разработка системы оперативного управления техногенными процессами на природных геологических объектах, обеспечивающих минимальное экологическое воздействие.

Методы исследования и достоверность полученных результатов

В работе использовались численные методы математического моделирования, гидравлические, методы теории автоматического управления, многофакторного регрессионного анализа, геофизические (сейсмические) методы изучения геологической среды, опытно-фильтрационные исследования, скважинная расходометрия.

Достоверность полученных научных положений и выводов доказана теоретическим обоснованием, подтверждена согласованием с результатами полевых опытно-фильтрационных работ и экспериментальных исследований на объектах (Куюлус-ское месторождение артезианских вод, Кисловодское месторождение лечебных углекислых минеральных вод, Березовское месторождение углекислых минеральных вод).

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту

1. Особенности динамики водопритока в скважину при квазистационарном режиме фильтрации в условиях гидравлически связанных водоносных горизонтов. Усовершенствованные методы обработки полевых опытно-фильтрационных исследований кустовых и одиночных скважин. Оценка точности существующих методов обработки данных опытно-фильтрационных исследований.

2. Усовершенствованные методы послойного изучения фильтрационных и емкостных параметров коллекторов на основе скважинной расходометрии.

3. Методы определения модуля вертикального водообмена (перетока) и верификации математических моделей геофильтрации по данным эпигноза.

4. Гидравлический метод прогнозирования гидродинамических процессов в сложных гидрогеологических условиях.

5. Методы оперативного управления техногенными процессами в гидролитосфере на основе теории автоматического управления.

Научная новизна

1. Разработана методика обработки полевых опытно-фильтрационных исследований с целью определения емкостных и фильтрационных свойств водовмещаю-щих отложений и разделяющих слоев при наличии гидравлической связи и активного вертикального водообмена между смежными водоносными горизонтами для условий квазистационарного режима фильтрации, усовершенствованы существующие методы изучения фильтрационных свойств коллекторов.

2. Дано теоретическое обоснование методики интерпретации полевых опытных работ по схеме временного прослеживания для изучения фильтрационных свойств геологического разреза с использованием скважинной глубинной расходо-метрии.

3. Предложено универсальное решение для подсчета запасов подземных вод методами гидравлики.

4. Разработана методика верификации математических моделей, основанная на итерационной процедуре данных эпигноза, методика определения модуля вертикального водообмена. ,

5. Впервые для Куюлусского месторождения разработана оперативная система управления режимами эксплуатации водозаборных скважин.

6. Впервые для Кисловодского месторождения выполнено, эколого-гидродинамическое районирование, количественно установлены гидродинамические параметры водоносных горизонтов, параметры гидравлического взаимодействия горизонтов, модули вертикальных перетоков.

7. Впервые построена плоско-пространственная математическая модель Кисловодского месторождения минеральных вод, установлены особенности формирования химического состава подземных вод, закономерности гидродинамического режима и режимообразующих факторов.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Основные результаты работы использовались при оценке эксплуатационных запасов подземных минеральных вод базы отдыха «Ивушка» (Р. Казахстан, протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых СССР № 278 от 28.11.1994 г.). Березовского и Кисловодского месторождений лечебных минеральных углекислых вод (протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых РФ № 827 от 20.04.2002 г., протокол ГКЗ РФ № 1442 от 31.08.2007 г.). Разработанные положения могут использоваться при оценке запасов подземных вод, построении математических моделей и систем управления на других геологических объектах.

Апробация, публикации

Результаты работ докладывались на научно- технических конференциях:

1. Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (г. Киев 1988г.);

2. Научно-практической конференции "Экология и энергосбережения" (г. Пятигорск, 2001г.);

3. Всероссийской научной конференции "Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики" (г. Санкт-Петербург 2002г.);

4. Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (Санкт-Петербург 2005г.);

5. Международной научной конференции «Системный анализ и прикладная синергетика» (г. Пятигорск, 2006 г.);

6. Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (г. Пятигорск, 2009 г.).

По теме работы опубликовано 39 научных публикаций, в том числе две монографии.

Содержание работы

Введение. Обосновывается актуальность проблемы управления техногенными процессами в гидролитосфере. Интенсификация нагрузки, вызванная постоянным увеличением объемов добычи минеральных и питьевых вод, а также сбросов жидких отходов создают серьезные проблемы экологического и технического плана. Этим объясняется необходимость постановки и реализации системы мониторинга, охватывающего весь комплекс работ: наблюдение, сбор и обработка информации, построение математической модели объекта и обоснование мероприятий, направленных на максимально возможное снижение техногенной нагрузки.

В первой главе «Сущность проблемы и состояние изученности» рассматривается собственно проблема управления, ее сущность и состояние изученности. Анализ материала свидетельствует, что управление геологическими объектами имеет свои особенности, которые определяются:

- высокой инерционностью;

- большими размерами изучаемых объектов;

- ограниченным объемом информации;

- сложностью и неоднородностью строения;

- сроки прогнозирования охватывают периоды в несколько десятков лет.

- индивидуальностью. Достаточно сказать, что двух одинаковых месторождений не существует.

Управление техногенными процессами можно разделить по срокам прогнозирования на долгосрочное и оперативное. Долгосрочное управление традиционно связано с оценкой и переоценкой эксплуатационных запасов гидроминерального сырья и охватывает периоды упреждения 25 - 50 лет. Долгосрочное управление основывается на принципах программного управления. Задачи, решаемые на его основе хорошо известны и, связаны, в основном с оценкой запасов подземных вод, обоснованием целесообразности капитальных вложений и перспектив снабжения регионов питьевыми или минеральными водами.

Необходимость внедрения оперативного управления связана с тем, что по целому ряду причин (технических, технологических, геологических, экологических), долгосрочные прогнозы не выполняются. Под воздействием факторов, которые не проявлялись на первых этапах изучения объекта, могут меняться технологические схемы, критерии по которым выбирался долгосрочный прогноз, экологические тре-

бования и т.д. Все это требует разработки и внедрения оперативных методов управления режимами эксплуатации.

Анализ известных схем показывает, что наиболее приемлемой для построения оперативного управления, является схема с отрицательной обратной связью.

Предложена следующая схема управления (рис.1). Информация от режимной сети (РС) поступает в базу данных (БД), где осуществляется её хранение, обработка и использование в различных целях. Далее она поступает в блок оптимизации (БО), где решается задача выбора рационального режима текущей эксплуатации на основе целевой функции. Заданные (Х3) и исходные (X"1) значения регулируемых параметров сопоставляются в блоке сопоставления (БС) и разница (Х3-Х"1) поступает на регулятор (И.), представляющий собой некоторый математический алгоритм воздействия (и„) на модель (ММ). Эффект управления оценивается на модели в виде решения (Увых), и если вариант удовлетворяет поставленным

Рис. 1. Структурная схема управления.

требованиям, реализуется непосредственно на самом объекте. Новая поступающая информация является источником верификации самой модели, (блок БВ), а также исходной для прогнозирования ситуации на последующий временной шаг.

Таким образом, создавая систему управления гидрогеологическими объектами, необходимо решить следующие задачи.

1. Построение и верификация математической модели объекта.

2. Обоснование целевой функции, системы ограничений.

3. Построение регулятора (регуляторов) объекта и методов управления.

4. Создание базы данных и принципов управления базой данных.

Вторая глава «Методы обработки информации полевых оиытно-фильт-рационных исследований с целью определения коллекторских свойств водоносных горизонтов» ориентирована на совершенствование методов изучения фильтрационных свойств пород, в том числе с использованием глубинной раходометрии.

В работе рассмотрены известные методы интерпретации полевых опытно -фильтрационных работ, которые применяются для обработки данных в условиях развития нестационарного, квазистационарного и стационарного режимов фильтрации. Этому направлению уделено большое внимание в работах Бидемана H.H., Бочевера Ф.М., Боревского Б.В., Гавич И.К., Де Уиста Р., Мироненко В.А., Плотникова Н.И., Силина-Бекчурина А.И., Шестакова В.М., Штенгелова P.C.

Наиболее точными методами определения гидрогеологических параметров водоносных горизонтов являются полевые опытно-фильтрационные исследования. Они выполняются на специально оборудованных точках и представляют собой откачки из скважин, различной продолжительности и интенсивности. Задавая возмущение в скважине анализируют динамику изменения уровня в этой же скважине (оди-

ночная откачка) или в соседних наблюдательных (кустовая откачка). Как правило, откачки выполняют в постоянном режиме возмущения, продолжительность которого должна обеспечить достаточно надежную оценку искомых параметров. Интерпретация данных опытных работ определяется геологическим строением, режимом фильтрации, схемой возмущения. Анализируются в большинстве случаев наиболее информативные первые этапы возмущения, соответствующие нестационарному или квазистационарному режимам фильтрации, когда динамика понижения уровня наиболее выражена. Влияние границ за такой период не сказывается (если это не оговорено особо), и расчетные схемы предполагают рассмотрение однородного, неограниченного в плане пласта.

Точечное возмущение пласта формирует развитие планово-радиальной формы потока с максимальной депрессией в точке возмущения. Если система состоит из двух или более гидравлически связанных слоев, разделенных относительно проницаемыми пропластками, то для учета взаимодействия горизонтов необходимо решать систему уравнений, описывающих баланс воды в каждом горизонте отдельно. Для описания процесса фильтрации достаточно рассмотреть водоносную систему, состоящую из трех водоносных горизонтов (второй изучаемый и из него осуществляется откачка), разделенных двумя относительно водоупорными пропластками. Структура потока в них определяется в соответствии с предпосылкой Гиринского-Мятиева, предполагающей, что в слабопроницаемых пластах движение подземных вод происходит только вертикально и подчиняется закону Дарси, в коллекторах - только горизонтально. В общей постановке система уравнений, описывающих процесс фильтрации, имеет вид:

ras, * = CL\ 52 S] + a,* as. k08S0

8 t

a r2 r dr n,az

д S2 * = a 2 d2S2 a28S2 k08S0 k0o8Soo

di 8 r2 r dr H2dz (í 2 dz

8 S3 * = «3 a2s3 + a*38S3 к oo dS oo

dt dr2 r 8r \i\dz

8 So * 82Sn д 5 oo „* д Soo

V. a t - 4o 8z2 8t 00 a,2 oz

где: Si, S¿ Sj - понижения уровня в водоносных горизонтах на любой момент времени (i) в произвольной точке, удаленной на расстояние (г) от возмущающей скважины; So, Soo - понижения уровня в разделяющих относительно проницаемых прослоях; а*, ц, - пьезопроводность и водоотдача /-го слоя; (а* = кт/ц,); ко, то, коо, «оо - коэффициент фильтрации и мощность разделяющих водоупорных слоев в кровле и подошве второго горизонта соответственно; hn¡ - водопроводимость /-го водоносного слоя. Начальные и краевые условия формулируются следующим образом: С /=0, $=0, 0=0;

п 8S ,. 8S? - as, Q

í>0, hmr—-=hmr—-=0 limr—=---—

r-ю дг дг г—дг 2nkm2

< r-X)

/>0, r->oo, 5,=52= S3; lim^ 0

дг dr dr ^ 0<í<oo, S0=SHz = ^), So =S2(z=0);S00=52(z=r%>),S0Q=S3(z=0)

В изложенной постановке учитываются упругие свойства разделяющих про-пластков и изменение напоров во всех пластах. Точное решение системы (1) слишком сложно и малопригодно для практического использования. Получить более удобные зависимости можно, если принять некоторые допущения, не влияющие серьезным образом на точность результатов. Без особого ущерба можно принять, что в разделяющем слое сохраняется жесткий режим фильтрации. Допущение полагает, что в четвертом и пятом уравнениях (1) водоотдача разделяющего слоя равна нулю, тогда (1) можно переписать в следующем виде:

_ .э2^ а* эя, *о ^ оч

——-¿2! —2"+------

д( дг1 г дг

дг г О г „,оИ2 т00ц2

. 01 дг' г дг т00ц3

Это основная система дифференциальных уравнений, описывающих планово-радиальную фильтрацию в трехслойной водоносной системе при условии выполнения предпосылок Гиринского-Мятиева и Дарси. Строгое решение (2) имеется лишь для случая, когда в одном из пластов поддерживается постоянный напор, или для случая двупластовой схемы, однако результаты этих решений представлены в таком сложном виде, что использовать их трудно даже для анализа процесса, не' говоря уже о практическом использовании. В связи с этим в практике интерпретации данных опытно-фильтрационных исследований, в зависимости от конкретной расчетной схемы и принятых допущениях, рассматриваются частные случаи решения (2).

Если принять допущение о постоянстве напоров в смежных горизонтах-донорах (горизонты 1 и 3), что равнозначно предположению оо, со, то дифференциальное уравнение, характеризующее процесс формирования понижения, можно представить следующим образом:

дБ2 * д2Б2 а2 дБ2 * (3)

——-а2——- +-----о2 о2 ^л

3/ дг г дг

где Ь2* = Ь/\х2*; (Ь = к^т^к^т^).

Решение (3) впервые было получено Тейсом, оно имеет вид (индексы опущены):

2

ао ехр[-(а + —)]

Аккт * а 4 пкт

<*0

а; — I (4Х

В

где IV (а, г/В) - функция колодца; В = Vа*/Ь* - комплексный параметр.

Для изолированного в разрезе пласта (Ь* = 0) функция колодца может быть заменена на экспоненциальную показательную функцию -£,(-а):

8 = -0- = -£-(- £,(-а)) (5).

Апкт ; а 4лкт

а0

Формулы (4) и (5) являются основными при интерпретации данных полевых исследований в условиях развития нестационарного режима фильтрации. С этой целью строятся палетки эталонных кривых в координатах 1и[-£,(-а)] - Ьп(а1) для различных соотношений г/В на которые накладываются фактические данные в том же масштабе в координатах Ьп{£>) - По сдвигу абсциссы и ординаты графиков

определяют искомые параметры водоносного горизонта. гг

При а = - нестационарный режим переходит в квазистационарный.

Это наиболее представительный участок для обработки опытных данных. При Ь = О экспоненциальная показательная функция может быть заменена на логарифмическую, в результате чего, приходим к известному решению Джейкоба:

8=_0_1п2Л5^1 (6).

4 пкт г

При Ь > 0; г/В <0,2, как показано в работе, функция колодца может быть заменена:

IV(а;г/В) = 1«(4/е0'577)-Х«(4• а + е0'57 V/В2) , и (4) трансформируется к

виду:

2,25-а*-1 I

,2л. ,,, ч,.... (7)-

Апкт

Для определения параметров по (6) и (7) используется методика временного прослеживания, которая заключается в графическом изображении данных опытных работ в координатах 5 - - для схемы (6), или 5 - Ь^щ, - для схемы (7). Здесь в приведенное время (1„р= //(1+1,78x6x^1.1*) входят две неизвестные, что вызывает необходимость дополнительно применять методику подбора. То есть, предложенные в работе методы обработки представляют собой сочетание методик временного прослеживания и подбора.

Допущения, принятые при выводе расчетных формул, не совсем корректны, поскольку предпосылка о постоянстве напоров в смежных водоносных горизонтах-донорах справедлива только для случая, когда схема представлена двумя горизонтами, один из которых (верхний питающий) является грунтовым, а подстилающий, из которого ведется откачка (изучаемый), напорный. Это один из наиболее распространенных случаев, но далеко не единственный. При изучении более глубоких интервалов разреза, когда все горизонты являются напорными, это допущение приводит к существенным погрешностям (до 40% и более).

Точное решение, учитывающее снижение уровня в горизонте-доноре, для частного случая Ь{ = Ь2* = Ь*; Ц1* = ц2*= сг\* = а2* = а*, имеет вид (Бочевер Ф.М.):

6 (-Е1{-а) + Ща;г/В)} 4ккт\ 2 )

Численным моделированием для широкого диапазона изменения параметров, установлено, что зависимость (8) может использоваться не только для указанного частного случая. На рис. 2 (А) представлены графики относительной погрешности между модельными и рассчитанными по (8) понижениями уровня. Как следует из рисунка, существенные погрешности отмечаются при удалении точки наблюдения от

возмущающей скважины на расстояние, определяемое условием г/В > 0,2, а также с увеличением соотношения водоотдачи горизонта-донора к изучаемому горизонту. То есть, при ц1*/ц2* > Ю следует пользоваться зависимостью (4).

5%

6,0 4,0 2,0

ц,7ц2'=0,1

3

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0

Lg{a)

8% 7,5

5,0

2,5

"Л : Hi'W=1

\[\4 : , з \ J

I ^N-L

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0

Lg(a)

5%

30 20 10 О

_ i ; ц,*А.2-=ю

4 ;

2 Тз ;

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0

Рис. 2 (А). Сопоставление модельных и расчетных понижений (нестационарный режим).

1- г/В = 0,1; 2 -г/В = 0,2; 3- г/В = 0,3; 4 -г/В = 0,5.

Lg(a.

(â =

^мид ^paci

XlO 0%)

Для квазистационарного режима зависимости могут быть упрощены. Заменяя в (8) экспоненциальную функцию и функцию колодца в соответствии с (6) и (7) получим расчетную формулу:

4 пкт т-у 1 + 1/78 • 6-//ц* Анализ ошибок свидетельствует о том, что и здесь наблюдаются те же закономерности. На рис.2 (Б) дано сопоставление модельных и расчетных понижений уровня при тех же соотношениях параметров.

5%

20,0 10,0 0,0

^,'/^•=0,1 : 4/ | / 3

■,/ Л 2 JJff 1

"" {

6% 20,0 10,0 0,0

Ц,*/Ц2'=1 : 4а

: /з

1

-3,0

-2,5 -2,0

-1,5

Lg (а)

-3,0

-2,5

-2,0 -1,5

Lg(a)

5% 20,0 10,0 0,0

\4 : H,VHJ*=10

2

_

-3,0 -2,5 -2,0 -1,5

Lg(a)

Рис. 2 (Б). Сопоставление модельных и расчетных понижений (квазистационарный режим).

1 - г/В = 0,1; 2-г/В=0,2; 3- г/В = 0,3; 4 -г/В = 0,5.

С _ С .Mod °/jocv

х 100%)

Таким образом, можно заключить, что существующие методики, с дополнениями автора, позволяют (при соблюдении требований к расположению наблюдательных скважин) с погрешностью не более 10 - 15% установить коллекторские свойства водоносных горизонтов, что вполне удовлетворяет условию задачи.

В результате обобщения материала, схему обработки данных полевых опытно-фильтрационных исследований можно представить в следующем виде.

1. Задается возмущение пласта с постоянной нагрузкой в центральной скважине и на различные моменты времени фиксируются понижения уровня (5) в центральной и наблюдательных скважинах.

2. Производится визуальная диагностика результатов наблюдений, представленных в виде графиков временного прослеживания в координатах 5 - Lg{t) по всем скважинам.

3. В зависимости от динамики развития понижения уровня и геологического разреза, выбирается схема обработки данных в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1.

Схема обработки данных опытно-фильтрационных исследований._

Режим фильтрации Ь = 0 Ь> 0 Методы обработки

Нестационарный ¿/4а*1 >0,1 5 = -£-(_£,(-а)) 4 жкт 5= 6 Ща,г/В) * 4 жкт Эталонных кривых (палеточный)

6 Г-ЯН-аКХ^а/г/Я)4!** 4пкт ^ 2 )

Квазистационарный <0,1 г/В <0,2 б 2,25-я*-; 5в б , 2,25а*-, , 4 пкт г2(1 + 1,78-Ы/ц*) Временного, комбинированного прослеживания.

4 пкт г <2 2,25а*-г ** Апкт г2 .у/1+1,78-6-г/ц*

Стационарный 5= 2 Ьп* 2 жкт г 5= 2 т1^ 2якт г Площадного прослеживания, Хантуша

* - для схем с грунтовым горизонтом-донором;

** - для схем с напорным горизонтом-донором.

Расходометрия, как метод изучения гидрогеологических скважин, стал использоваться в сороковых годах. Внедрение ее в практику связано с работами Огиль-ви Н.А, Гершановича И.М., Гринбаума И.И., Грикевича Э.А., Ровинского М.С, Папа-допулоса И.С, Плетнева А.А. и др. Традиционно применение метода скважинной рас-ходометрии связано с тремя направлениями: оценкой технического состояния подземной части скважин (герметичности обсадных колонн); подбор оптимальной конструкции фильтра, обеспечивающей равномерный водоприток по всей длине фильтра; геологическое изучение разреза: выделение коллекторов, водоупоров, определение фильтрационных параметров.

Последнее направление стало активно развиваться с семидесятых годов. Опыт практического использования расходометрии в сочетании с гидродинамиче-

скими методами изучения разреза оказался высокоэффективным. Внедрение его позволило отказаться от дорогостоящих телескопических конструкций разведочных скважин, повысить точность и детальность исследований, которая особенно важна при построении пространственных математических моделей водоносных систем.

Технология расходометрических исследований довольно проста. Весь вскрытый интервал водовмещающей толщи обсаживается одной фильтровой колонной, задается возмущение скважины, и с помощью глубинного расходомера фиксируется осевой расход на различных интервалах глубин в различные моменты времени. Это к тому же самый точный метод поинтервального определения водопритоков. Погрешность измерения расхода глубинным расходомером в обсаженной фильтром скважине не превышает значений:

/ г. . . л \

г

•100%'

^тах

1-

RcJ

/

где г„ - радиус прибора; Rc - внутренний радиус фильтра.

Расходометрия скважин производится в установившемся и неустановившемся режимах водопритоков. В результате измерений получают интегральную расходо-грамму, отображающую общие закономерности распределения осевого потока по стволу фильтра. На рис.3 даны типовые расходограммы, полученные при изучении второго и третьего альбских горизонтов Куюлусского месторождения артезианских вод. Участки, где осевой расход оставался неизменным, отвечают распространению относительно водоупорных отложений. Интервалы, где осевой расход имел приращение, свидетельствуют о наличии здесь водосодержащих отложений.

На рис.4, представлены индикаторные графики, построенные для этих же скважин по данным двух установившихся режимов (Q = const; Q = 0).

Для стационарного режима справедливы соотношения:

НстО = ^Н"' : 90 = 0O = Zfi>' Qin=4i<Hcii-Hcr0)

%

где H„i, Qh qt - соответственно статический уровень, дебит и удельный дебит скважины (с индексом 0), или /-го водоносного горизонта; Q,n - переток между горизонтами в неработающей скважине. Эти соотношения вытекают из геометрических построений индикаторных графиков, и не требует особых пояснений.

При нестационарном режиме техника расходометрии несколько иная. Основная цель измерений - изучение фильтрационных свойств водоносных отложений. В этом случае расходометрия совмещается с опытно-фильтрационными работами, и имеет своей конечной задачей получение необходимой информации для интерпретации опытных работ и оценки емкостных и фильтрационных параметров разреза. Расчетная схема совместного вскрытия двух водоносных горизонтов дана на рис. 5. При совместном опробовании обобщенная водопроводимость (кт0) и пьезопроводность (а*) разреза отвечают соотношениям: " кт0 " krrij

i=i a Q /=1 aj

При возмущении скважины с постоянным дебитом понижение уровня в скважине и вскрытых ею водоносных горизонтах будет иметь одно и то же значение равное Sa. Если выдерживается равенство а0*/г02 = а'/г}, то притоки практически

мгновенно стабилизируются и будут неизменными во времени. В противном случае, они будут носить переменный характер, подчиняясь условию равенства понижений. Используя принцип суперпозиции, откачку из каждого гори зонта можно представить как наложение двух полей: откачку при постоянном дебите и дополнительное возмущение при постоянном понижении для каждого пласта равном 50.

Скважина № 24Д2+з Скважина № 19Д2+з

480 960 1140 1920 м'/сут 240 480 т д „1/су1

Рис.3. Интегральные расходограммы по стволу фильтра. Стационарный режим.

Для случая равных напоров во всех вскрытых горизонтах, применительно к рассматриваемой задаче можно использовать известное решение (Бочевер Ф.М.):

Qi{t) = 2K-kmrS!)-G(fi) (Ю),

где Q,(t) - дебит; Атя, - водопроводимость /-го горизонта;^ = а* t/r,2;

G(/)=±Ъ-;'2/<_-__(их

я2 о Wim+iffo)] где I0(k); N0(k) - функции Бесселя первого и второго рода от мнимого аргумента нулевого порядка.

ÖO

Рис.5. Схема водопригока при совместном вскрытии горизонтов

При выполнении условия^ > 100: ад =-?- (12)

Щ2,25-Л) С учетом (12), (10) может быть переписано:

т = ктг1пЩ ^ о ктЧ-Ыу») (13))

О) кщ-ЬпШ Lg(2,25■fi)

кт, = кт(/кт0; Lg(yt) = Lg

{ * 2 flö-'i

f0=a0-t/r£.

* 2

•'о .

Как следует из (13), приток из каждого горизонта представляет собой сумму постоянного слагаемого и дополнительного члена, который в зависимости от соотношения емкостных параметров может иметь различный знак. Для схемы изменения дебита по обратному логарифмическому закону решение выражается зависимостью (10), и для любого горизонта можно записать:

Q,C)

/

,2

4a, ■t

(14),

47ihn ¡ при di*t/r?> 100:

4 nkmi r,

что позволяет использовать традиционную методику временного прослеживания для интерпретации опытных работ.

Решение можно распространить и для схемы с различными статическими напорами в водоносных горизонтах. В этом случае в расчетах должны использоваться не фактически установленные по данным расходометрии дебиты горизонтов, отсчитанные от установившегося по стволу фильтра водопротоков в неработающей скважине, а приращения их. То есть, (15) будет иметь вид:

5 ^ Q,{t)-Q,nLn2,25a'¡ •/ _ AQ(Q¿^,25a* •/ (16),

0 4тikm¡ г} Апкт г}

где Q,n - установившийся переток /-го горизонта через ствол фильтра в неработающей скважине. Чтобы избежать необходимости учета влияния наследства, в методике исследований предусматривается консервация скважины, продолжительность которой определяется сроками, достаточными для того, чтобы на всем протяжении последующей откачки (íon) изменение перетока можно было не учитывать, принимая его за постоянным. Период консервации (tk) определяется соотношением Aí/ík > 0,1^-0,5.

В третьей главе «Модели водоносных систем» рассмотрены научно-методические вопросы построения и верификации математических моделей. Это направление активно развивали Гавич И.К., Калиткин H.H., Крашин И.И., Крайнов С.Р., Лукнер Л., Пересунько Д.И., Шестаков В.М., Штенгелов P.C., Лапшин H.H. и др.

Сложность, масштабность и неповторимость геологических объектов создают довольно серьезные проблемы, связанные не только с построением системы управления геологическими объектами, но и с их изучением вообще.

Построение моделей очень важно как с позиций изучения физики объекта и оценки эксплуатационных запасов, так и обоснования системы оперативного управления, которая охватывает все стадии изучения и эксплуатации геолого-технических объектов.

При построении моделей необходимо учитывать общие принципы:

1. Адекватность. Предусматривает соответствие модели целям исследования по уровню сложности и организации, а также соответствие реальному объекту относительно выбранного множества свойств и поставленной задаче. Модели, дающие максимально подробное описание системы, называют имитационными. Они используются в, основном, для целей чисто теоретического характера. Модели, описывающие основные внутренние механизмы, управляющие развитием системы в целом, называют качественными. С такими моделями приходится сталкиваться в большинстве случаев при решении конкретных задач.

2. Принцип минимизации размерности описания. Модели по своей природе всегда носят приближенный характер. Если в имитационной модели необходимо учитывать как можно больше деталей, то качественная, напротив, должна содержать их

как можно меньше. Компромисс между этими требованиями определяется соотношением «точность/сложность». Минимизация описания достигается:

- уменьшением числа переменных за счет исключения несущественных, или их объединением;

- изменением природы переменных параметров. Переменные параметры рассматриваются в качестве постоянных, дискретные - в качестве непрерывных;

- изменением функциональных зависимостей между переменными: дискретные функции заменяются непрерывными, нелинейные представляются как линейные;

- ограничением точности модели. Точность модели не может быть выше точности исходных данных.

3. Принцип верификации. По мере насыщения модели информацией адекватность ее меняется. Ряд факторов, никак не проявившихся на начальных этапах формирования модели и неучтенных в ее структуре, может привести к серьезным погрешностям. По этой причине приходится прибегать к периодическому чередованию процедур прогноза и проверки точности с последующей ее корректировкой, которая может осуществляться следующим образом:

- по мере поступления информации структура модели не меняется, уточняются лишь коэффициенты модели;

- по мере поступления информации производится изменение самой структуры модели, более точно отражающей внутренние механизмы функционирования объекта.

4. Блочное строение. Модели строятся по блочному принципу, которые выделяются по этапам и режимам функционирования системы. Такой подход существенно упрощает построение модели и все дальнейшие ее модификации.

Перечисленные принципы, являются общими, и не учитывают-специфики объекта. В то же время специфичность объектов проявляется в любой отрасли и естественно закладывается в виде дополнительных принципов и требований, по которым формируется модель.

В практике исследований широкое распространение получили в основном два вида моделей: гидравлические и математические.

Гидравлические модели - мера вынужденная. Они используются в условиях малой изученности, когда получение необходимого объема информации для построения математической модели по каким-либо причинам невозможно или экономически нецелесообразно. Это, как правило, одиночные водозаборы минеральных вод или компактные группы скважин на пресные или промышленные воды. Гидравлические модели требуют минимального объема информации, основаны на фактически наблюдаемой реакции объекта на возмущение и экстраполяции этих данных на перспективу по определенным законам. Следует иметь в виду, что, говоря о гидравлических моделях, чаще всего подразумевают все-таки комбинацию методов гидравлики и гидродинамики, и правильнее называть такие модели комбинированными. Расчетная зависимость, описывающая динамику уровня в скважине, имеет вид:

Si=S0+tVSj+St (17),

7=1

где - общее понижение уровня в рассматриваемой скважине, которое складывается

из срезок: 50 - от работы рассматриваемой; 5, - срезки уровня в рассматриваемой от влияния взаимодействующих; Б, - срезка уровня, происходящая с течением времени; / - текущее время; п - количество взаимодействующих скважин. Знак «V» под суммой указывает, что из нее исключается срезка от рассматриваемой. Если скважины располагаются в виде геометрических схем (линейные, кольцевые, площадные), то рассматривается схема обобщенных систем, согласно которой группа взаимодействующих скважин представляется как «большой колодец» с некоторыми усредненными параметрами и дебитом равным сумме дебитов всех взаимодействующих скважин.

Конечно, гидравлические модели не раскрывают физической сути объекта, не дают возможности установить водный баланс, однако преимущество их заключается в том, что фактически установленные срезки комплексно учитывают все сложности объекта, а также влияние климатических факторов (неоднородность, граничные условия, инфильтрационное, глубинное питание и т.д.).

По характеру развития временной срезки, все многообразие природных условий можно свести к четырем расчетным схемам, в которых она будет линейно выражена в координатах: <!>, - неограниченный, полуограниченный пласт, пласт-квадрант; я, - Lg•fJ ~ пласт-полоса; 5, - (г) - пласт круг (мульда); или 5, = 0 - при

наличии питающих границ. Отсутствие достаточного объема информации затрудняет диагностику опытных работ, поскольку граничные условия, по крайней мере, на первых этапах изучения, как правило, неизвестны.

В работе предложена универсальная методика расчета, учитывающая любую конфигурацию граничных условий и наличие перетекания между водоносными горизонтами. Общее решение имеет вид:

где 5(/о) - понижение уровня на прогнозируемый период (/*) и фактически зафиксированное на конец опытно-фильтрационных работ (¿0) соответственно; Р — эмпирический угловой коэффициент линейной экстраполяции графика, построенного по опытным данным последних этапов наблюдений в координатах Х^З) -Ьф).

Автором разработана методика краткосрочного прогнозирования, которая используется в системах оперативного управления водозаборными сооружениями, состоящими из большого числа взаимодействующих скважин. С помощью таких прогнозов производится расчет рационального варианта текущей эксплуатации каждой скважины, подбор необходимого насосного оборудования, планирование ремонтных работ. То есть, основная задача краткосрочного гидравлического прогнозирования -контроль и текущее управление работой конкретного водозабора.

В работе дается гидравлическая модель, которая использовалась в системе оперативного управления работой водозаборных скважин Куюлусского месторождения в период с 1982 по 1991 гг. Прогнозное понижение динамического уровня определялось по расчетной зависимости:

где А^,; &()ы - изменение дебита скважины и блока скважин (рассматриваемой и ближайших по обе стороны от нее); V - районные темпы снижения уровня; С, — удельное понижение скважины; Сы - удельное понижение блока скважин; Ы - временной шаг прогнозирования. Все коэффициенты уравнение (19) определяются непо-

(18),

Д5, = К • А/+С,- • Ай + Сы ■ Ады

(19),

средственно из данных гидрогеологического мониторинга. Погрешность прогнозных оценок не превышает 10% - 15%.

Математические модели строятся на принципах сохранения энергии или баланса, чаще всего это так называемые динамические модели, в основе которых лежит описание объекта дифференциальными уравнениями с определяемыми по эмпирическим данным параметрами. В общем случае система исходных дифференциальных уравнений, описывающих пространственный процесс фильтрации, может быть представлена следующим образом:

где: т] * - упругоемкость пласта; кх, ку, кг- коэффициенты фильтрации по соответствующим координатам, Я - функция напора; п -активная пористость; £>х, £>;, Д. - коэффициент гидродинамической дисперсии; С - концентрация исследуемого компонента; У» Уу, У г, - компоненты скорости фильтрации по соответствующим координатам; \УК - комплексный параметр, характеризующий интенсивность внутрипластовых обменных процессов (сорбция, ионный обмен, приток солей из смежных горизонтов).

Уравнения дополняются условиями однозначности, представляющими собой совокупность начальных и граничных условий.

Решение (20) представляется малореальным, во-первых, из-за сложности такой задачи, во-вторых - из-за недостаточной параметрической обеспеченности модели при существующей методической базе экспериментальных исследований. По этой причине чаще рассматриваются частные решения, обоснованность которых в каждом конкретном случае определяется условиями задачи. Для плоско-пространственной задачи конвективного переноса вещества с учетом сорбции, система уравнений имеет вид:

где: ц* - водоотдача пласта; Ъь Ъ„ - параметр перетекания относительно водоупорного пласта, залегающего в кровле и подошве; Hh Н„ - напоры в смежных водоносных горизонтах соответственно; кт - водопроводимость пласта; vx ^у^т-Кк - действительные скорости фильтрации по плановым координатам, кровлю и подошву пласта соответственно; ß - коэффициент распределения при сорбции.

Решение (20), (21) выполняется численными методами по различным схемам. В настоящее время известны явные, неявные, явно-неявные методы, которые реализованы в многочисленных программах (PLAST, ТОПАЗ, Mod Tech, МИФ-ЗБ и др.), и с этих позиций, решение особых трудностей не вызывает. Более сложной задачей является корректировка параметров модели. Если система дифференциальных уравнений, даже с учетом общепринятых допущений, и методов численного решения довольно точно описывает физический процесс фильтрации, то вопросы параметриче-

-- р Э/ х дх у ду т т

т

(21),

ского обеспечения модели разработаны в недостаточной степени. Конечно, методические приемы опытно-фильтрационных исследований, изложенные во второй главе, дают возможность определить их с некоторой погрешностью, однако это точечные оценки, которые ко всему прочему определены по редкой сети скважин. Эти параметры используются при формировании первоначальной модели, и по мере насыщения ее информацией, должны эпизодически корректироваться.

Построение фильтрационной схемы предполагает выполнение схематизации, то есть, обоснование ряда позиций постановки задачи, определяющих выбор метода и техники вычислительных операций, обуславливающих однозначность получаемого результата. Условия однозначности, в частности начальные условия, формулируются в двух постановках:

1) / = 0; 0 = 0; 5 = 0;

2) * = 0;б = 0;Н=Нт

где ^ - дебит возмущения пласта; 5 - понижение уровня в водоносных горизонтах; #ст - статическое положение уровня в горизонтах до начало возмущения.

В большинстве задач гидродинамики начальные условия формулируются в первой постановке. Рассчитывается понижение, а прогнозный уровень определяется путем вычитания расчетного понижения от статического уровня. Это очень удобно, однако для целого класса задач, например, массопереноса, такая постановка неприемлема, поскольку формирование химического состава определяется не приращением, а общим балансом вертикальных и латеральных составляющих потока.

Предлагается следующий алгоритм решения стационарной задачи.

1. Область фильтрации каждого к-го горизонта разбивается равномерной или неравномерной сеткой с определенным шагом по плановым координатам (¡, /), и для центра каждого блока путем интерполяции устанавливается значение статического уровня (Яу,*).

2. Производится вычисление модуля перетока (глубинного питания) для каждого блока модели и для каждого горизонта при допущении, что глубинная подпитка самого нижнего в разрезе горизонта равна нулю. Это допущение вполне справедливо, поскольку с увеличением глубин, фильтрационные свойства горизонтов резко снижаются. Дискретный аналог уравнения (21) имеет вид:

кщЦ.ш-2 (22),

Дг А/

где 1Гк+1 = ¿>у,*+1(Яуд+1 -Нцк); 1¥кл = Ьим(Ним -Щ,к) -глубинное питание в кровле и подошве водоносного горизонта соответственно.

Если принимается условие ¡Ук.\ = 0, то при равномерной сетке дискретизации плановых координат (Дх = Ду = Д£), модуль перетока для каждого блока кусочно-однородной области может определяться из выражения:

Щ =wk+x -я,ч/*-»м -Ни-и<23)-

А X/

3. Производится контроль вычислений. На нестационарной модели изолируется нижний горизонт путем задания параметров перетекания в кровле и подошве равными нулю, и вводится, рассчитанное по (22), глубинное питание. Если расчеты выполнены корректно, то положение пьезометрической поверхности будет неизменным на любой момент времени.

4. Далее рассчитывается параметр перетекания между самым нижним и вышележащим смежным горизонтом:

Ьк+1= (24),

К 1 и и

где - положение статического уровня в центре блока смежного вышезалегаю-щего по разрезу водоносного горизонта.

5. Аналогичная процедура выполняется по остальным горизонтам.

После того как будут установлены параметры перетекания между горизонтами, их задают в модель. Если расчеты были проведены корректно, то модельная статическая поверхность будет соответствовать природной и не зависеть от времени.

Если же допущение IVкл = О не принимается, то для решения задачи необходима дополнительная информация, которая может быть получена, например, из кустовых опытно-фильтрационных работ. В этом случае по данным откачки из ¿-того горизонта определяются водопроводимость (ктк) и комплексный параметр (В). В результате получается система из двух уравнений с двумя неизвестными:

Гв I кпц

Ьк-\+ьк+\ (25),

шк = V! -нк)+ък+г(нм - нк),

откуда достаточно просто найти неизвестные Ьк_ь

В этом случае последовательность вычислений значения не имеет, и можно производить изучение разреза с любого водоносного горизонта. Как следует из (25), во-первых, потребуется информация о распределении напоров в подстилающем водоносном слое (Нкл), во-вторых - параметры перетекания (Ьк.ь Ьк+1) можно определить только в некоторых ограниченных по количеству точках, соответствующих местам расположения гидрогеологических кустов. На остальной площади он может быть получен только методом интерполяции, и для построения стационарной поверхности, потребуется увязка пьезометрических напоров и фильтрационных параметров через соотношение Ыкт. Исходя из этих соображений, целесообразно начинать изучение разреза с горизонтов, по которым имеется максимальный объем информации.

Верификация модели заключается в уточнении по данным опыта эксплуатации параметров водопроводимости (кт), водоотдачи (ц*) и перетекания (Ь).

Постановка задачи следующая. Имеется ряд наблюдений за динамикой уровня в эксплуатационных и наблюдательных скважинах, режим эксплуатации объекта, особенности геолого-гидрогеологического строения. Необходимо уточнить параметры водоносного горизонта. Рассматривается плоско-пространственная задача, описываемая дифференциальным уравнением (21). Фильтрационная среда принимается кусочно-однородной.

Задача решается на модели путем прогонки ряда вариантов с различными значениями цифровых параметров водоносных горизонтов вводимых по определенному алгоритму. Начальные условия принимаются в первой постановке. В качестве критерия адекватности используется среднеквадратичное отклонение модельных данных от фактических:

7=1

где: 5,ю - соответственно модельное и фактическое понижение уровня в рассматриваемой наблюдательной скважине (блоке): п - количество точек наблюдения в выбранном диапазоне временного интервала.

Условия на границах, геометрические размеры и количество водоносных горизонтов устанавливаются на основании данных геолого-гидрогеологических работ. Фильтрационная среда принимается кусочно-однородной. Границы смены фильтра ционных свойств выделяют по геолого-тектоническим признакам и контролируются наблюдательной сетью. То есть, каждый элемент среды должен быть охарактеризован режимом хотя бы одной наблюдательной скважины. Полезными здесь могут оказаться данные сейсморазведки, тогда выделение блоков будет более обоснованным.

Решения задачи начинается по схеме снизу-вверх. При этом принимается допущение, что подпитка из недр в самый нижний изучаемый горизонт не происходит или же ей можно пренебречь. Процедура решения задачи представляет собой однотипный алгоритм, который реализуется по следующей схеме.

1. На первом этапе в модель вводятся гидродинамические параметры, полученные по результатам опытно-фильтрационных работ. Для самого нижнего водоносного горизонта задается некоторый диапазон значений параметров по схеме, представленной на рис.6. Параметры остальных горизонтов (при изучении рассматриваемого) не меняются.

Рис.6. Схема задания параметров при направленном поиске.

2. На модели воспроизводится фактический режим эксплуатации, охватывающий некоторый временной интервал, и для каждого из выбранного набора параметров в выбранном диапазоне времени, определяют понижение уровня в блоках, моделирующих наблюдательные скважины (для нижнего водоносного горизонта). Далее, сопоставляя модельные и фактические понижения на одноименные моменты времени, рассчитывается среднее значение стандартного отклонения (8 ).

3. Если полученные решения изобразить графически, то для каждого параметра (¿,) можно построить унимодальную поверхность, изображенную на рис.7.

Проекция точек поверхности, имеющих минимальные погрешности, на плоскость кт - ц*, дает некоторую кривую АВ, у которой в точке «С» будет наблюдаться наименьшее из всех значение стандартной ошибки (логарифма ошибки).

Проще всего получить решение, если спроецировать унимодальную поверхность на плоскости Lg(6) - кт и Lg(8) - ц* для каждого фиксированного параметра перетекания (Ь,). Минимум погрешности соответствует искомому решению (рис.8).

4. Изменение параметров в отдельных блоках или в разрезе модели естественно приведет к изменению фильтрационных потоков и пьезометрических напоров.

То есть, будет оказываться параметрическое возмущение пласта. По этой причине приходится прибегать к итерационному процессу. Суть его заключается в следующем. Вся область фильтрации разбивается на кусочно-однородные зоны, каждая из которых контролируется своей наблюдательной скважиной (скважинами). Отыскание параметров выполняется последовательно для каждой зоны при фиксированных параметрах в остальных.

После того как процесс отыскания в рассматриваемой зоне будет завершен, полученные параметры вводятся в модель и переходят к аналогичной процедуре в следующей зоне.

5. Определив параметры самого нижнего горизонта, их вводят в модель и приступают к аналогичной процедуре определения параметров водоносных горизонтов, располагающихся выше по разрезу.

Рис.7. Зависимость стандартной ошибки от параметров пласта.

Счет заканчивается после выполнения условия:

—-<£,

5*

где: 8 к'\ 5к - погрешность после к+1 и к-го шага итерации; е - заданная точность.

Методика может использоваться и для обработки информации кустовых опытно-фильтрационных исследований (см. главу 2).

Четвертая глава «Управление режимами эксплуатации водоносных систем» посвящена вопросам управления режимами эксплуатации водоносных систем. Вопросам управления придается огромное значения в области технических систем и теория автоматического управления (ТАУ) разработана наиболее полно. Здесь можно отметить известные работы авторов Бегимова И., Бутковского А.Г, Воронова А.А, Герасимова С.М, Першина И.М, Коваля В.А., Олейникова В.А, Портера А, Рапопорт Э.Я, Солодовникова В.В, Чулина H.A.

Геологические объекты в отличие от технических, обладают рядом особенностей. Основные из них заключаются в том, что технические объекты создаются конкретными исполнителями, и все параметры эксплуатации их известны. Известно их строение, система планово-предупредительных ремонтов, технического обслуживания, сроки эксплуатации.

Геологические объекты этими свойствами не обладают. Строение их, как правило, до конца неизвестно. Изучение требует значительных затрат, которое сопровождает весь процесс эксплуатации месторождения даже после завершения его разработки. Основной задачей изучения подобных объектов является создание технологической схемы разработки, являющейся своего рода инструкцией, согласно которой осуществляется эксплуатация. Этим документом предусматривается также обоснование оптимальных режимов эксплуатации.

В этой связи, в общей задаче управления геологическими объектами можно выделить два аспекта. Первый связан с решением задачи оптимизации, которая вытекает из конкретики объекта, и направлена на обоснование режимов эксплуатации, обеспечивающих минимальное воздействие не геологическую среду. Второй - непосредственно с обоснованием и реализацией системы управления, обеспечивающей достижение поставленной задачи.

Обоснование оптимальных режимов эксплуатации. Общая оптимизационная задача может быть сформулирована следующим образом. Предположим, что состояние системы зависит от N параметров xh хъ ..., xN, на которые накладываются некоторые ограничения а, <х, <ß/

Рассматривается некоторая функция F (целевая функция), зависящая от этих параметров F =J{x], хъ ..., xN). Требуется найти точку (х00,) = {х,°, х2°... х„0} в N-мерном пространстве, принадлежащую области Vd, в которой значение критерия оптимальности экстремально:

СF = Fix?, х2°... х„°) extr

J at <х, <ß, (27).

Оптимальный режим эксплуатации объекта не означает, что функционирование всех его элементов должно быть оптимальным. Для получения решения вполне достаточно чтобы один из критериев, наиболее важный для данной задачи, и принятый за целевую функцию был оптимален. Остальные могут представляться в виде системы ограничений или не учитываться вообще.

Как показывает практика, все многообразие критериев можно объединить в две группы. Первая из них связана с оптимизацией технологических процессов, технических или экономических условий эксплуатации оборудования. Их можно назвать технико-экономическими. Это не строгие критерии. Несоблюдение их ведет в основном к экономическим потерям, не отражаясь существенным образом на состоянии геологического объекта в целом.

Вторая группа объединяет критерии, которые прямо или косвенно определяют уровень активности техногенных процессов, характеризующихся устойчивыми негативными тенденциями или необратимостью. Они используются при формировании целевой функции, системы ограничений, оценки экологического потенциала объекта. Под последним термином следует понимать способность сохранять качественный состав и ресурсы подземных вод в условиях техногенного воздействия. С этой целью выполняется так называемое эколого-гидродинамическое районирование, в задачи которого входит пространственное отображение основных факторов и обоснование доминирующего. На схеме в обязательном порядке (Гавич И.К.) отражаются:

1. Особенности техногенной нагрузки.

2. Характер гидравлической связи подземных и поверхностных вод.

3. Пространственные закономерности и структура подземного потока.

4. Гидрогеохимические условия объекта.

Районирование представляется в виде карт (схем) и позволяет установить предельный уровень безопасной нагрузки на различные зоны объекта, сформулировать систему ограничений.

При эксплуатации подземных водозаборов задача фактически сводится к определению понижения динамического уровня в эксплуатационных скважинах. Запасы считаются обеспеченными при условии, что положение динамического уровня в любой водозаборной скважине на конец расчетного периода не будет больше допустимого, а качество воды будет соответствовать заданному диапазону.

Решение задач подобного класса известно. Обычно они решаются подбором дебита отдельных водозаборов. При таком подходе, принимаемый в качестве окончательного вариант распределения дебитов является одним из возможных, однако он не гарантирует максимально возможную величину водоотбора. Задачу о получении максимального дебита из группы взаимодействующих водозаборов можно решить с ис-

пользованием методов линейного программирования, например, симплекс-метода, или других. Целесообразность использования линейного программирования определяется тем, что оно позволяет найти максимальное или минимальное значение некоторой линейной функции при заданной системе ограничений, представляющих собой систему алгебраических неравенств.

Математическая постановка задачи может быть представлена в следующем виде:

ЯДг,) = Я,0+а -С, +¿6, ■С]<НШ (28),

7=1

где: Я,) - положение динамического уровня в ¡-том (рассматриваемом) водозаборном сооружении на конечный срок эксплуатации; Я/0 - начальное (статическое) положение уровня в рассматриваемом ¡-том водозаборе; Q¡; С, - дебит скважины (водозабора) и удельное понижение соответственно; С, - соответственно дебит }-го взаимодействующего водозабора (скважины) с /-тым и коэффициент гидравлического взаимодействия водозаборов (скважин); Яи - предельно возможное понижение уровня в рассматриваемом каптаже; /к - расчетный срок эксплуатации водозабора.

Для оперативного управления такая постановка малопригодна. Во-первых, неизвестно какое должно быть положение динамического уровня на текущий момент времени, во-вторых, предельное положение уровня привязывается к расчетным срокам эксплуатации 4, которое согласно нормативам принимается равным 25 - 50 лет, однако соответствует ли это фактическому положению дел, вопрос открытый.

Положим, что известно предельное положение уровня в любом водозаборном сооружении никак не привязанное к нормативным срокам эксплуатации объекта. Известна заявленная потребность в воде, а, следовательно, и общий водоотбор. Независимо от конечных сроков эксплуатации, обеспечим такое распределение общего водоотбора между каптажными сооружениями, чтобы на любой текущий момент (/) выполнялось условие:

С 2]й=2сум

7=1

kQ

ш

я,

id У

Р=Ъ

0<Q<Qmax

где: H,{t) - текущее положение динамического уровня; ко - некоторый коэффициент пропорциональности (ко =Л0суш 0); ттт т,пах - соответственно минимальное и максимально допустимое значение минерализации; тс - среднее значение минерализации смеси общего потока. При F = 0:

"Eö=ßcyM

/=1

(29).

/=1 Hid 0<Qi<Qmox

\ ттт — "V — ™тах

Фактически (29) означает, что оптимальным режимом эксплуатации является такой, который обеспечивает одинаковое соотношение динамического уровня к пре-

дельно допустимому во всех каптажах (при стационарном режиме), или же равномерную и пропорциональную сработку динамического уровня (нестационарный режим). То есть, предельное положение уровня во всех точках будет достигнуто одновременно.

Из совместного решения (28), (29), коэффициент пропорциональности ко может быть рассчитан по соотношению:

ДО

^сум+2. ^ (30)

С,

где Я,(0 - положение уровня в /-той скважине на начало прогнозируемого периода; С, = Укр (кр - коэффициент усиления регулятора); Л£?сум- планируемое суммарное изменение дебита водозабора за период А(; Н^ - предельно допустимый уровень.

Рассогласование между желаемым Я,(0з и фактическим #,(/) уровнем поступает на регулятор, где вырабатывается управляющее воздействие на модель в виде изменения дебита водозаборных скважин Д£?/,(0 (здесь #,(/)3= к0Н1е1). Изменение нагрузки на эксплуатационные скважины приводит к перераспределению напоров в водоносном пласте и формированию новой депрессионной воронки, что контролируется через режимную сеть скважин, формирующих обратную связь.

В выражении (30) не учтено взаимодействие скважин (произведение под знаком суммы в (28) в правой части уравнения). В зависимости от того насколько это взаимодействие велико, системы управления будут строиться по разным схемам с использованием различных типов регуляторов.

Конечно, это самый распространенный случай, но далеко не единственный. Рациональный режим и целевая функция, исходя из природных условий объекта, могут быть и иными. Например, при подтягивании в процессе эксплуатации, минеральных вод из более глубоких, гидравлически связанных водоносных горизонтов, в качестве целевой функции может рассматриваться предельно возможная разница в напорах смежных горизонтов, обеспечивающая минимальное количество поступающих минеральных солей, или же вообще ставиться задача о сохранении кондиционного состава подземных вод.

Общие принципы управления. Изменение водного баланса обуславливает развитие целого ряда процессов, происходящих в водоносных горизонтах. Изменяются динамические уровни, минеральный состав подземных вод, активизируются вертикальные перетоки, температурный режим и т.д. Если в процессе эксплуатации какой-либо параметр должен соответствовать определенному значению, то его называют регулируемым и необходима постановка задачи управления.

Эксплуатация водоносных горизонтов осуществляется, как правило, системой взаимодействующих скважин, расположенных в виде определенных геометрических схем. Могут быть линейные, кольцевые или площадные системы, объединенные общими транспортными коммуникациями. Скважины располагаются на некотором удалении друг от друга, с определенным шагом, который обосновывается геологоразведочными работами и соответствующими гидравлическими расчетами. Чем меньше шаг между скважинами, тем больше их взаимодействие и естественно общая величина депрессионной воронки. С увеличением расстояния между скважинами, взаимо-

действие их существенно снижается, но увеличивается протяженность транспортных коммуникаций и эксплуатационные затраты. По этой причине приходится выполнять целый комплекс технико-экономических и гидравлических расчетов, обосновывающих оптимальность схемы.

Положим, что имеется несколько эксплуатационных и несколько наблюдательных скважин. Требуется разработать систему управления режимами эксплуатации, обеспечивающую заданные гидродинамические параметры в некоторых точках (например, управляя дебитом, обеспечим заданные уровни понижения уровня в точках расположения наблюдательных или эксплуатационных).

Формально рассматриваемая задача описывается следующим образом. Имеется объект управления, у которого определены вектор входных воздействий и вектор функций выхода. Требуется синтезировать регулятор, обеспечивающий перевод вектора функции выхода в наперед заданное состояние, путем управления вектором входных воздействий.

Наиболее простой путь решения поставленной задачи заключается в следующем. Положим, что имеется математическая модель, описывающая взаимосвязь гидродинамических параметров эксплуатационных и наблюдательных скважин. Тогда задав в скважинах требуемые гидродинамические параметры, используя математическую модель, определим требуемые параметры вектора входного воздействия. Такой подход называется программным управлением (или решением задачи управления по разомкнутому циклу). Как известно, математические модели рассматриваемых процессов описываются сложными дифференциальными уравнениями, при этом параметры, входящие в модели, зависят от пространственных координат (например, коэффициент фильтрации или водоотдача рассматриваемого пласта). По этому аналитическое решение поставленной задачи затруднено. Портером показано, что рассматриваемые системы (по разомкнутому циклу) достаточно чувствительны к параметрическим возмущениям (например, к изменениям коэффициента фильтрации). Менее чувствительны к параметрическим возмущениям замкнутые системы.

Рассмотрим методы синтеза регуляторов для построения замкнутых систем управления. Выделим два сложившихся на сегодняшний день подхода: решение методами сосредоточенных систем и решение методами систем с распределенными параметрами.

Решение методами сосредоточенных систем предполагает, что в результате экспериментальных исследований получена матрица передаточных функций, связывающая у-тый вход с у'-тым выходом.

Если модули диагональных элементов матрицы W много больше суммы модулей остальных элементов соответствующей строки, то матрица W обладает свойством диагональной доминантности. Для диагонально доминантных матриц удается частотными методами синтезировать регулятор. Известно (Солодовников В.В., Чу-лин H.A. и др.), что если передаточная матрица разомкнутой системы не имеет полюсов, лежащих в правой полуплоскости действительных и мнимых чисел, то для устойчивости замкнутой системы достаточно, чтобы спектры Гершгорина разомкнутой системы (объект + регулятор) не охватывали точку с координатами Re = -1; Im = 0 -

Синтезированный регулятор связывает у'-тый вход с у'-тым выходом, а при вычислении управляющего воздействия учитывает состояние только у-го выхода.

В рассматриваемой задаче диагональная доминантность отражает взаимовлияние эксплуатационных скважин на наблюдательные. Если каждая у'-тая эксплуа-

тационная скважина влияет только на /-тую наблюдательную, то матрица IV будет диагональной, а, следовательно, для управления параметрами каждой водозаборной скважины, возможно синтезировать свой регулятор, не учитывающий состояние других наблюдательных скважин.

Если взаимосвязь между /-той эксплуатационной скважиной и /'-той наблюдательной (/, / = 1 ...п ) существует, но матрица IV обладает свойством диагональной доминантности, тогда синтез регуляторов осуществляется с использованием спектров Гершгорина. Следует отметить, что в этом случае, при синтезе рассматриваемой системы управления мы вынуждены искусственно занижать коэффициенты усиления регулятора (плата за не учет взаимовлияния между /-той добывающей и /-той контрольной скважинами), что приводит к ухудшению точностных и динамических характеристик системы.

Если матрица IV не обладает свойством диагональной доминантности, т.е. взаимосвязи между /-той добывающей и /-той наблюдательной скважинами достаточно существенны, и их нельзя не учитывать, то обычно применяют методы синтеза систем с распределенными параметрами (математические модели таких систем содержат пространственные координаты).

Иными словами, если скважины располагаются на достаточном удалении друг от друга, и взаимовлияние их можно представить как некоторое внешнее воздействие, не очень значительное по активности, то можно рассматривать задачу управления сосредоточенной системой. В противном случае управление должно базироваться на схемах используемых в системах с распределенными параметрами. В первом случае речь идет об управлении гидродинамическими параметрами в заданной точке, во втором - управлении полем (например, полем пьезометрического уровня или давления, гидрогеохимическим полем).

Полагая достаточным условием, что удельное гидравлическое влияние скважины будет на порядок больше, чем удельное гидравлическое влияние ближайшей -заимодействующей скважины , получим простое соотношение:

= 0,1 + 0,2 (31),

где: Я - радиус влияния скважины; Ах - шаг расположения скважин; гс - радиус скважины с учетом скин-эффекта.

Из расчетов следует, что при расположении скважин с шагом равным половине радиуса влияния или большим, систему можно рассматривать как сосредоточенную, распадающуюся на ряд параллельных независимых управляемых элементов.

При проектировании и сооружении водозаборных объектов это условие, как правило, соблюдается, и в большинстве случаев систему управления можно строить по схеме сосредоточенных. Однако есть класс задач, например массопереноса, где акой подход не всегда возможен. Такие задачи следует решать методами систем с . аспределенными параметрами.

В пятой главе «Реализация разработок на природных объектах» рассмотрены примеры реализации разработок на двух объектах: Куюлусском месторождении артезианских вод (Р. Казахстан) и Кисловодском месторождении лечебных минеральных углекислых вод. Дана краткая геолого-гидрогеологическая и техниче-

екая характеристика объектов, определены целевые функции, определяющие содержание задачи оптимизации.

Куюлусское месторождение предназначено для технического и питьевого снабжения водой промышленного центра г. Актау. Суммарный водоотбор из 50 артезианских скважин составляет 50000 м3/сут. Схема его приведена на рис. 9.

Область отсутствия водоносных отложений мелового возраста.

Область выхода отложений мелового возраста на поверхность.

Линейный ряд водозаборных скважин. Наблюдательная скважина и ее номер.

Понижение уровня подземных вод первого альбекого горизонта. Контур линзы подземных вод с минерализацией до 3,0 г/дм3.

Насосная станция. Магистральный ипловол

Рис. 9. Схема водозабора артезианских вод «Куюлус». 28

Водовмещающие отложения представлены зеленовато-серыми тонко и мелкозернистыми песками и песчаниками кварцево-глауконитового состава общей мощностью до 200 м. Водоносная толща отложений разделена относительно водоупорными глинистыми отложениями на водоносные горизонты. Это сеноманский, первый, второй и третий альбские горизонты. Геологический разрез месторождения изображен на рис. 10.

м. 200

0,00

-200

-400

-600

ш

Известняки, писчий мел, трещиноватые, закарстованные.

Пески средне- и мелкозернистые, кварцево-глауконитовые.

Пески мелко- и среднезернистые, кварцево-глауконитовые.

Пески мелко- и тонкозернистые, глинистые, с прослоями глин.

Относительно водоупорные отложения. Глины плотные, кварцево-глауконитовые.

Динамический уровень подземных вод первого альбского водоносного горизонта.

Рис. 10. Геолого-гидрогеологический разрез по линии А-В.

Абсолютные отметки статического уровня подземных вод горизонта изменяются от 149 м. - (в северной части), до 120 м. - (на юге и юго-западе). В пределах ме-' сторождения подземные воды имеют сульфатно-хлоридно-натриевый составе минерализацией от 2,0 до 4,0 г/дм'>. Неблагоприятные метеорологические и климатические условия района в сочетании высоким водоотбором из водоносных горизонтов

обусловили развитие нестационарного режима фильтрации с постоянной сработкой упругих запасов подземных вод. В результате эксплуатации динамические уровни в водоносных горизонтах снизились на величину более 160 м. (при предельном 250 м.), и продолжают снижаться. Учитывая систематическое истощение эксплуатационных запасов, в качестве целевой функции рассматривались гидродинамические показатели. То есть, подбирался такой режим эксплуатации, который обеспечивал на любой момент времени одинаковое соотношение текущего положения динамического уровня, к предельному.

Система управления месторождением строилась с использованием математической модели. Рассматривалась плоско-пространственная модель, описываемая дифференциальным уравнением (21). Адаптация проводилась по данным ретроспективы (за 1964 - 1978 гг.) в соответствии с методикой, изложенной в главе 3. Оценка точности модели проводилась путем сопоставления модельных и фактических понижений уровня по сети наблюдательных скважин. Результаты сопоставления даны на рис. 11, откуда следует, что среднеквадратическая погрешность расчетов равна 14%.

4 - модельные

Ф - фактические

Рис. 11. Сопоставление модельных и фактических понижений уровня в наблюдательных скважинах.

Схема водозаборных скважин представляет собой линейную систему с шагом расположения 1,5 км. при радиусе влияния 2,5-3,0 км. Условие (31) выполнялось, и управление строилось по схеме сосредоточенных систем с применением ПИД- регулятора. На модели в одном из блоков было задано постоянное возмущение и снята динамика и уровня, что позволило получить амплитудно-частотные характеристики и построить регулятор. Он имеет вид:

Qi = 164 • AS.it) + 0,48 • I AS.it) + Ц?- Д[Д5.(/)], ' ' 1 А; '

где Д5/0 - рассогласование между желаемым и фактическим положение динамического уровня [Д5}(/) = - #,(?)]; А/ - шаг прогнозирования (А/ = 30 сут).

Водозабор эксплуатировался 8000 суток. С 8060 сут. планируется увеличение уммарного дебита с 44000 м3/сут. до 49000 м3/сут. Процесс управления начат с мо-ента / = 8000 сут. с шагом А/ = 30 сут. Результаты пошагового расчета нагрузок на локи скважин представлены на рис. 12, откуда следует, что наращивание водоотбора основном следует проводить по блокам 1 и 6.

Рассмотрен пример управления гидродинамическим режимом Куюлусского есторождения с применением распределенного регулятора. Постановкой задачи ^усматривалось поддержание постоянного контура с понижением равном 1,0 м. о границе параллельной линейному ряду водозаборных скважин на удалении 5,0 км.

Рис.12. Результаты управления эксплуатацией водозабора (цифрами указанны номера блоков скважин).

На рис. 13 приведен фрагмент фильтрационной схемы Куюлусского место-ождения артезианских вод. Выделим сектор, в котором располагаются наблюда-ельные и эксплуатационные скважины, и укажем координатные оси.

ш

Блоки, моделирующие эксплуатационные скважины.

ИЗ Блоки, моделирующие наблюдательные скважины.

Рис.13. Исследуемый сектор.

Область распределения входного воздействия по первой пространственной моде, принятая при экспериментальных исследованиях, показана на рис. 14. При этом в качестве пространственных мод выбраны функции:

• т*^ -х),

де Ьк= 45000м. Значение 5т обычно выбирается в пределах 10% от рабочего со-тояния. Скачкообразно к рабочему входному воздействию (рабочему состоянию по-ижения уровня в местах расположения добывающих скважин) добавляется значе-

ние 5соз^^х^ где х, - координата /-го блока эксплуатационных скважин. Измеряя функцию выхода (рассогласование между понижениями при рабочем входном воздействии и входном воздействии с добавлением значения З/яхам^.х,)) 5(х.у=5000,/), в точках расположения наблюдательных скважин, определяем принадлежность объекта к классу пространственно-инвариантных. В результате экспериментальных исследований получено, что рассматриваемый объект принадлежит к классу пространственно-инвариантных.

Определим структуру и параметры передаточных функций объекта по выбранному числу пространственных мод входного воздействия с использованием известной методики.

Синтезированный распределенный регулятор имеет вид:

Ж(х, р)=186,45-

0,5

1,5 1,5

+ 0,90-

M_.Lv2

1,5 1,5

—+0,66 -р Р

Записывая функцию выхода регулятора в пространстве состояний, получим:

1

О, (0 = 186,5 • Д>, + 0,9 • \Didt + 0,66' ^ ®,

■> ш

1,5-Дд:

(/ = 1,2, ..8),

где р - оператор Лапласа; V2 - Лапласиан; А5„ Д5м, А5,+1 - рассогласование желаемого и текущего положения уровня в контрольных точках по координате х.

По результатам моделирования установлены необходимые нагрузки на блоки скважин. Для центрального блока (№ 5) график нагрузки изображен на рис.15 (А), функция выхода системы - на рис. 15 (Б). Аналогичные графики могут быть построены и для других блоков.

Кисловодское месторождение лечебных минеральных углекислых вод предназначено для снабжения Федерального курорта и завода розлива гидроминеральными ресурсами. Основные требования к минеральным водам - соответствие кондициям ГОСТ 13273-88 «Воды минеральные лечебные и лечебно-столовые».

Переходный процесс

0 блока. № 5, [м /сут.] 5(х=25000 м, у=5000 м, I)

Месторождение представляет собой полого падающую с юга на север моно-иналь. В разрезе выделяются несколько водоносных горизонтов (рис. 16).

Самый верхний горизонт грунтовых вод, приуроченный к готери-барремским четвертичным отложениям, не содержит минеральных вод. Более того, в санитарно-игиеническом отношении он представляет собой реальный источник загрязнения инеральных вод, залегающих ниже по разрезу. Непосредственно под грунтовым го-изонтом располагается валанжинский, содержащий слабонапорные порово-ещинные воды. По ярко выраженной гидрогеохимической зональности горизонт одразделяется на два подгоризонта. Верхний содержит практически пресные или лабоминерализованные подземные воды, нижний - минеральные воды, отвечающие о химическому составу доломитным нарзанам. Ниже, отделяясь толщей глин, зале-ает слабонапорный титонский водоносный горизонт, содержащий также минераль-ге воды, но с более высокой концентрацией солей (сульфатный нарзан). Составлен-ая математическая модель месторождения, показывает, что в общем балансе боль-то роль играют вертикальные перетоки между водоносными горизонтами и ин-ильтрационное питание, что обусловило развитие нестационарного гидрогеохими-еского режима. В результате эксплуатации каптажных сооружений, вертикального, атерального водообмена и атмосферных осадков, в гидрогеохимическом режиме тмечаются сезонные циклические изменения, а также многолетняя трендовая со-тавляющая. Эти факторы обусловили разнонаправленные колебания минерализации, еющие довольно четкую корреляционную связь с режимами эксплуатации сква-ин. Выполненное эколого-гидродинамическое районирование позволило оценить нтенсивность техногенной нагрузки, степень экологической защищенности различие участков месторождения, обосновать целевую функцию. Несмотря на то, что не, еменным условием эксплуатации месторождения является получение кондицион-ого состава минеральных вод, отвечающих требованиям ГОСТ 13273-88, в качестве елевой функции принят гидродинамический показатель. Предельное положение инамического уровня в рабочих горизонтах не может быть ниже уровня грунтовых од. Учитывая слабонапорный характер минеральных вод, это довольно жест кое ог-аничение, однако только при соблюдении данного условия гарантируется нормаль-ая санитарно-гигиеническая обстановка.

N

(ГУ III)

Ш

рг

(б)

М

>Коллекторы

Водоупорные отложения

Водоносные отложения готерив-барремского ярусов (пески, песчаники). Порово-пластовые грунтовые воды.

Водоносные отложения валанжинского яруса, (трещиноватые известняки). Трещинные слабонапорные воды.

Водоносные отложения титонского яруса, (пески, песчаники, гранитная дресва). Порово-пластовые слабонапорные воды.

Отложения палеозойского фундамента. Кристаллические сланцы, граниты.

Направление потоков подземных вод (а) - латерального (б ь), (б) -веотикального (ИО.

Гидроизопьезы зеркала подземных вод валанжинского горизонта. Уровень грунтовых вод готерив-барремского горизонта. Изолинии минеоализапии г/дм3

Рис. 16. Геологический разрез по Кисловодскому месторождению.

Прогнозирование динамики уровня и управление строилось с использованием гидравлической модели. Уравнение связи имеет вид:

н1(о=н,о+сга+хсгву+к-'

(32),

де: И,о - статическое положение уровня; Я,(О - динамическое положение уровня на роизвольный момент времени (г); С„ 0 - удельное гидравлическое сопротивление дебит /-той скважины; - дебит7-той скважины; С, - удельный коэффициент гид-авлического взаимодействия/-той скважины с /-той; К, — районные темпы изменения овня подземных вод; Д/ - продолжительность прогнозного периода. Все коэффици-нты определялись непосредственно по данным эксперимента в процессе мониторин-овых наблюдений.

Желаемое положение уровня на конец прогнозируемого периода определя-ось через коэффициент пропорциональности:

Абсум + 1 г (33)

и ___

«0--77-

В (33) не учтено взаимодействие скважин (произведение под знаком суммы в 32)), в связи с чем, применялась итерационная процедура поиска оптимального рвения. То есть, после каждого итерационного шага, вводилась поправка в расчетную еличину динамического уровня, связанная с взаимодействием скважин. Полученные а данном шаге итерации дебиты и динамические уровни принимались за начальные, осуществлялся переход к следующему итерационному шагу, который также начи-ался с расчета коэффициента пропорциональности.

Счет прекращается после выполнения условия:

гт т.т+1 "•О

г.т+1 к0

. ш+1

<8

де ко™, кот - коэффициент пропорциональности соответственно на т и т+\ шаге ерационного процесса; 5 - заданная точность.

С переходом к новому шагу прогнозирования (Д/), задача решается вновь по казанному алгоритму.

Для прогнозирования минерального состава в зависимости от нагрузок на кважины и климатических факторов, была построена многофакторная регрессионная одель первого порядка аналогичная по структуре гидравлической:

N

/я,(0 = и,-о + ага+£Рубу +УтГ[ (34)

7=1

де т,о - начальное значение минерализации в рассматриваемой скважине; а„ (3; -оэффициенты уравнения регрессии; - районные темпы изменения минерализа-

и, связанные с многолетним воздействием климатических факторов и режимов ксплуатации.

Задача решалась следующим образом. Для различных суммарных нагрузок а каптажные сооружения определялись оптимальные дебиты исходя из пропорцио-альности соотношения динамического и предельно возможного уровня (рис. 17). алее для каждого варианта вычислялась минерализация в каждой скважине по (34) и меси минеральных вод. Решение изображено графически (рис. 18). На графике вы-елен диапазон по минерализации, отвечающий требованиям ГОСТ 13273-88 и соот-етствующие ему значения суммарной нагрузки на скважины.

Рис. 17. Зависимость нагрузок на сква- Рис. 18. Зависимость общей минерали-

жины от суммарного водоотбора. зации от суммарного водоотбора.

При оптимальном значении минерализации от 2,3 г/дм3 до 2,45 г/дм3, суммарные нагрузки должны находиться в диапазоне от 720 м3/сут. до 860 м3/сут. То есть, в зависимости от общего водоотбора (сезонные изменения), подаваемая на лечение минеральная вода должна быть различна по кондиционному составу, но в любом случае отвечать требованиям ГОСТ 13273-88 на минеральные воды.

Заключение

Результаты диссертации теоретически обобщают и развивают методы изучения геологических объектов и управления техногенными процессами в гидролитосфере, решают ряд серьезных проблем научно-методического плана.

Основные научные результаты.

1. Получено решение динамики водопритока для квазистационарного режима фильтрации в условиях гидравлической связи водоносных горизонтов. В частности показано, что общие тенденции формирования депрессионной воронки для указанных условий определяются теми же закономерностями, что и для случая изолированного пласта, но при условии, что водоотдача меняется по линейному закону. Это позволило предложить общую методику определения фильтрационных параметров водоносных горизонтов, в которой методика Тейса-Джейкоба (основная), является частным случаем. Показано, что при принятых допущениях, погрешность существующих методов точечной оценки параметров не превышает 10 - 15%, что вполне удовлетворяет предъявляемым требованиям.

2. Существенным образом усовершенствованы методы скважинной глубинной расходометрии с целью послойного определения фильтрационных свойств геологического разреза. Рассматривая динамику формирования водопротоков в скважине из нескольких совместно вскрытых горизонтов с позиций гидравлики, получено простое решение, позволяющее использовать традиционные методы временного прослеживания для интерпретации результатов опытно-фильтрационных работ.

3. Разработаны и внедрены на действующих объектах гидравлические методы прогнозирования гидродинамических процессов, которые можно использовать как

ри подсчете эксплуатационных запасов, так и при создании систем оперативного правления,

4. Разработана методика верификации фильтрационных параметров разреза с спользованием данных эпигноза и методика расчета модуля вертикального перетока

0 картам пьезометрического уровня, что повышает точность математического моде-ирования, оценивая погрешность расчетов, даже для самых сложных по строению бъектов, на уровне не более 10-15%.

5. Обоснована необходимость и целесообразность внедрения методов опера-ивного управления процессами эксплуатации геологических объектов. Рассмотрены хемы управления, адаптированные под объекты геологического профиля, основан-

ie на принципах отрицательной обратной связи с использованием сосредоточенных распределенных регуляторов, дан критерий применимости различных типов регу-яторов, показана эффективность внедрения методов ТАУ на конкретных объектах.

Основные практические результаты.

1. Внедрение в практику описанных методов изучения геологического разре-позволило без особых финансовых затрат произвести изучение геологического

1 юения и оценить фильтрационные свойства самого глубокого третьего альбского одоносного горизонта (Куюлусское месторождение), который в последствие был веден в эксплуатацию, увеличив общий объем добычи подземных вод почти на 10%.

2. Уточнена математическая модель Куюлусского месторождения, точность оторой (по данным эпигноза) составляет 14%.

3. Впервые для Кисловодского месторождения получены количественные ха-актеристики гидравлической связи водоносных горизонтов, уточнены фильтрацион-ые свойства, построены карты модуля вертикального перетока, стационарная мате-атическая модель. Выполнено эколого-гидродинамическое районирование, которое озволило дать оценку экологического потенциала различных участков месторожде-ия, обосновать целевую функцию и предельные нагрузки на скважины.

4. Впервые построены системы оперативного управления режимами экс-/атации месторождений с использованием гидравлических и математических мо-

елей. Составлены рекомендации, обеспечивающие исключение микробиологическо-загрязнения водозаборных сооружений и поддержание кондиционного состава ми-еральных вод.

5. Разработанные научные положения позволили произвести переоценку экс-'атационных запасов подземных вод по ряду месторождений, характеризующихся

1Соким уровнем сложности, о чем указано в протоколах Государственной комиссии о запасам полезных ископаемых Российской Федерации.

Публикации по теме диссертации

Публикации в журналах ВАК:

1. Методика составления краткосрочных гидродинамических прогнозов ра-ты водозабора //Известия вузов. Геология и разведка. Деп. ВИНИТИ 19.08.82,

° 4604-82 Деп. (в соавторе Ленченко H.H.), 14 с.

2. О погрешности метода скважинной расходометрии // Известия вузов. Гео-гия и разведка. Деп. ВИНИТИ 30.08.83, № 4859-83. Деп, 7 с.

3. Оптимизация режима эксплуатации подземных вод системой водозаборных сооружений // Известия вузов. Геология и разведка. Деп. ВИНИТИ 03.01.84, № 117-84ДёпГ9с. -

4. Гидрогеологические особенности строения третьего альбского водоносного горизонта Южного Мангышлака. Известия вузов. // Геология и разведка. Деп. ВИНИТИ 16.03.84 Деп. (в соавторстве Каменский Г.Ю.), 6 с.

5. Определение гидродинамических параметров при совместном опробовании водоносных горизонтов с различными статическими напорами. // Известия вузов. Геология и разведка. Деп. ВИНИТИ 16.03.84 №1512 Деп. (в соавторстве Каменский Г.Ю.), 11с.

6. Определение гидродинамических параметров водоносных горизонтов в условиях перетекания // Известия вузов. Геология и разведка № 1,2007, с. 31-34.

7. Проектирование распределенной системы управления режимами эксплуатации месторождения «Куюлус» «Мехатроника» № 4,2008, с. 27-31 (в соавторе Пер-шин И.М.).

8. Обоснование рациональных режимов эксплуатации Кисловодского месторождения лечебных минеральных вод. « Разведка и охрана недр», № 8,2008, с. 48-52 (в соавторстве Дубогрей В.Ф. Иванов A.A., Хмель В.В.).

9. Оперативное управление режимами эксплуатации водозаборов подземных вод // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки - 2008.- № 6. с. 108-112.

10. Оценка модуля перетока между водоносными горизонтами в гидрогеологических расчетах. //Разведка и охрана недр. - 2009. - № 6. с. 31-34.

11. Определение радиуса влияния гидрогеологических скважин. // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки 2009. -№ 5. с. 117-120. (в соавторстве Цаплева В.В., Хмель В.В.).

12. Гидравлический метод оценки эксплуатационных запасов подземных вод //Разведка и охрана недр. -2009. - № 11. с. 45-50.

13. Опыт применения метода глубинной расходометрии при изучении кол-лекторских свойств геологического разреза//Автоматизация и современные технологии.-2010.-№ I.e. 21-28.

Монографии:

14. Техногенные процессы в подземных водах (биосферный подход, диагностика и управление) / Под ред. проф. Гавич И.К. - М.: Научный мир, 2003.-248 с.

15. Малков A.B., Першин И.М. Синтез распределенных регуляторов для систем управления гидролитосферными процессами - М.: Научный мир, 2007.- 252с.

Статьи, тезисы, препринты:

16. О несовершенстве гидрогеологических скважин //Российский федеральный ядерный центр, ВНИИТФ, г. Снежинск, Препринт № 150, 1998г., 7с. (в соавторстве Казеев В.Г., Малкова И.М.).

17. К вопросу о защите водозаборных скважин от вторжения радоновых вод. //Российский федеральный ядерный центр, ВНИИТФ, г. Снежинск, Препринт № 158, 1999г., 9с. (в соавторстве Казеев В.Г., Малкова И.М.).

18. Методика определения параметров математических моделей геофильтрационных процессов. //Российский федеральный ядерный центр, ВНИИТФ, г. Сне-

инск, Препринт № 185, 2001г., 5с. (Зайцев Н.М., Казеев В.Г., Королев И.Б., Малкова .М., Шустваль С.А.).

19. Обоснование рациональных режимов эксплуатации месторождений под-емных вод. У/Российский федеральный ядерный центр, ВНИИТФ, г. Снежинск, Пре-1. инт № 186, 2001г., 10с. (в соавторстве Зайцев Н.М., Казеев В.Г., Королев И.Б.,

алкова И.М.).

20. Методика определения величины инфильтрационного питания в водонос-ых горизонтах. //Российский федеральный ядерный центр, ВНИИТФ, г. Снежинск, репринт № 194, 2002г., 5с. (в соавторстве Казеев В.Г., Иванов A.A., Королев И.Б.).

21. Оптимизация режимов эксплуатации подземных вод. //Тезисы докладов ервого Всесоюзного съезда инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов, иев, 1988г. ч.З. (в соавторстве Казеев В.Г.).

22. Гидрогеологические исследования на стадии эксплуатационной разведки. Тезисы докладов республиканского научно-технического совещания Ташкент, 989г. с.33-36. (в соавторстве Фисун Н.В.).

23. Фильтры водозаборных скважин уширенного контура. //Материалы меж-ународной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития ауки и техники в области механики, геофизики, нефти, газа, энергетики и химии Ка-ахстана", г. Актау, 1996г.

24. Разработка математической модели месторождения подземных вод // Тру-ы межреспубликанской научной конференции "Управление в социальных и техни-еских системах". Кисловодск, 1998г. с. 171-178. (в соавторстве Малкова И.М., Кова-енко H.H.).

25. Разработка системы управления режимом эксплуатации водоносных сис-м с целью оптимизации водоотбора. // Труды межреспубликанской научной конфе-

енции "Управление в социальных и технических системах". Кисловодск, 1998г.

26. Мониторинг подземных вод. //Тезисы докладов научно-практической кон-еренции "Экология и энергосбережения" г. Пятигорск, 2001г. с 98-101. (в соавторст-

с Зайцев Н.М., Королев И.Б., Малкова Е.А., Шустваль С.А., Фисун Н.В.).

27. Природно-экологические и техногенные факторы формирования режима дземных вод. //Тезисы докладов научно-практической конференции "Экология и ергосбережения" г. Пятигорск, 2001г. с 98-101. (в соавторстве Гавич И.К., Зайцев .М., Королев И.Б., Шустваль С.А., Фисун Н.В.).

28. Результаты эколого-гидрогеологических исследований Кабардинской ежгорной впадины //Тезисы докладов участников IV международной конференции

стойчивое развитие горных территорий: проблемы регионального сотрудничества региональной политики горных районов" г. Владикавказ, 2001г. с 308. (в соавторст-Зайцев Н.М., Королев И.Б., Малкова Е.А., Шустваль С.А., Фисун Н.В.).

29. Верификация математических моделей геофильтрации // Сборник докла-в конференции "Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики", ПГУ, С-Пб. 2002г. с. 394-399. (в соавторстве Гавич И.К, Иванов А.А, Малкова Е.А.)

30. Гидролитосферные процессы: системный анализ и проблема управления, орник докладов Всероссийской научной конференции «Управление и информаци-

ые технологии» С-Пб, С-ПбГЭТУ (ЛЭТИ), 2005г., том 1, с.57-62. (в соавторстве анов A.A.).

31. Проблемы эксплуатации месторождения подземных вод. Сборник докладов Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» С-Пб, СП-б ГЭТУ, 2005г., том 2, с. 290-294 (в соавторстве Коваленко H.H.).

32. Идентификация математических моделей водоносных систем на основе тестового моделирования. Межвузовский научный сборник. «Управление и информационные технологии». Пятигорск, 2005, с. 130-135.

33. Оценка модуля перетока в водоносных горизонтах с использованием карт естественной пьезометрической поверхности уровня подземных вод. Межвузовский научный сборник. «Управление и информационные технологии». Пятигорск, 2005, с. 135-140.

34. Математическая модель Кисловодского месторождения минеральных вод. Межвузовский научный сборник. «Управление и информационные технологии». Пятигорск, 2006, с. 57-64.

35. Управление техногенными процессами в гидролитосфере. Межвузовский научный сборник. «Управление и информационные технологии». Пятигорск, 2006, с. 119-128.

36. Гидролитосферные процессы: системный анализ и проблема управления. //Сборник докладов Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика». Пятигорск, 2006, с. 71-86. (в соавторстве Першин И.М.).

37. Методы обработки информации полевых опытно-фильтрационных исследований с целью определения коллекторских свойств водоносных горизонтов // Материалы Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика». Пятигорск, 2009 г, с. 399-410.

38. Проблемы сохранности гидроминеральной базы района КМВ // Материалы Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика». Пятигорск, 2009 г, с. 48-69. (в соавторстве Першин И.М.).

39. Методика подсчета запасов подземных вод гидравлическим методом// Недропользование XXI век - 2009. - № 5. с. 31-35.

Личный вклад в опубликованных в соавторстве работах

[1, 8, 19] - обоснование структуры модели, целевой функции, экспериментальные исследования; [4, 5] - опытно-фильтрационные работы, глубинная расходометрия, обобщение регионального материала, методики исследований; [7, 18, 24] - построение и верификация математической модели объекта; [22] - формулировка задач и стадийности исследований; [11, 20] - постановка задачи, гидравлические расчеты; [16, 17, 21] - идеи технологических методов решения задачи; [15, 18] - идеи методических решений, моделирование; [20, 26, 27] - обоснование состава и задач гидрогеологического мониторинга; [28] - анализ опыта эколого-гидродинамического районирования; [14, 31] - экологические исследования, решение задач мониторинга, математическое моделирование природных объектов; [15, 29] - разработка методических основ интерпретации результатов опытно-фильтрационных работ и глубинной сква-жинной расходометрии; принципов верификации математических моделей, математическое моделирование водоносных систем; [34] - обоснование системы управления и верификации математических моделей геофильтрации.

Формат 60х84./16 Объем 2,5 п.л. Тираж 100 экз. 357700, Кисловодск, ул. Кирова, 43 ОАО «Нарзан»

Введение.

Глава 1. Сущность проблемы и состояние изученности.

1.1. Сущность проблемы.

1.2. Состояние изученности проблемы.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Методы обработки информации полевых опытно-фильтрационных исследований с целью определения коллекторских свойств.

2.1. Общие закономерности динамики формирования понижения уровня при откачках в условиях гидравлической связи водоносных пластов.

2.2. Методы определения параметров водоносных горизонтов по данным полевых опытно-фильтрационных исследований.

2.2.1. Назначение и виды опытно-фильтрационных исследований.

2.2.2. Общая характеристика методов определения расчетных гидрогеологических параметров.

2.3. Определение гидрогеологических параметров водоносных горизонтов с использованием метода глубинной расходометрии.

2.3.1. Техника измерений и точность глубинной расходометрии.

2.3.2. Особенности динамики водопритока в скважину при совместном вскрытии горизонтов.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Модели водоносных систем.

3.1. Общие принципы построения моделей.

3.2. Гидравлические модели.

3.2.1. Гидравлические модели долгосрочного прогнозирования.

3.2.2. Гидравлические модели краткосрочного прогнозирования.

3.3. Математические модели.

3.3.1. Исходные дифференциальные уравнения.

3.3.2. Условия однозначности.

3.3.3. Верификация математических моделей.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Управление режимами эксплуатации водоносных систем.

4.1. Обоснование предельных режимов эксплуатации.

4.2. Общие принципы управления режимами эксплуатации.

4.3. Сосредоточенные системы.

4.4. Распределенные системы.

4.4.1. Пространственно-инвариантные системы.

4.4.2. Экспериментальное определение динамических характеристик водоносного пласта.

4.4.3. Особенности применения критерия Найквиста к пространственно-инвариантным системам.

4.4.4. Распределенные звенья.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Реализация разработок на природных объектах.

5.1. Характеристика задач исследования.

5.2. Куюлусское месторождение.

5.2.1. Краткая геолого-техническая характеристика.

5.2.2. Математическая модель Куюлусского месторождения.

5.2.3. Обоснование системы управления режимами эксплуатации Куюлусского водозабора подземных вод.

5.3. Кисловодское месторождение минеральных вод.

5.3.1. Краткая геолого-техническая характеристика.

5.3.2. Эколого-гидродинамическое районирование месторождения.

5.3.3. Гидравлическая модель Кисловодского месторождения.

5.3.4. Управление качественными показателями минеральных вод.

Выводы по главе 5.

Гидролитосфера - это одна из основных оболочек биосферы от сохранения целостности которой во многом зависят все живые существа. Крайне неблагоприятная ситуация с поверхностными водами, желание иметь надежные и качественные водоисточники, утилизация отходов, интенсивная добыча минеральных ресурсов - основные причины серьезного антропогенного воздействия на гидролитосферу, принимающего в настоящее время угрожающие масштабы. Дефицит водных ресурсов питьевого качества приобретает сегодня масштабы глобальной экологической катастрофы. Системы водоснабжения выдают колоссальные и все возрастающие объемы сточных вод, размещение которых в гидролитосфере традиционными методами сопряжено с экономическими и энергетическими затратами, опасностью загрязнения окружающей природной среды, вспышками эпидемий. Основным итогом природопользования является истощение и загрязнение водных ресурсов, нарушение природных круговоротов и рассеяние вещества, рост энтропии биосферы. Сегодня всерьез говорят о возможности изменения глобального круговорота воды, последствия которого трудно предсказать и оценить. В связи с этим одной из первоочередных задач, внимание к которой постоянно возрастает, является рациональное и экологически безопасное использование природных ресурсов, диагностика состояния гидролитосферы, прогноз развития техногенных процессов и управление ими.

Современное состояние исследований в этой области характеризуется увеличением масштабности, и во многих случаях исследования рассматриваются в региональных аспектах. Именно этим вызвана постоянная необходимость в усложнении постановки и методов решения практических задач, которые еще больше усложняются в связи с возросшими требованиями к вопросам охраны окружающей среды и рационального использования недр.

Гидролитосфера как многокомпонентная система по своему строению весьма сложна, и ее изучение в условиях интенсивной техногенной нагрузки — сложная комплексная задача.

Интенсивное использование минеральных ресурсов и воздействие на гидролитосферу довольно часто приводят к самым негативным неуправляемым процессам, ликвидация которых требует в ряде случаев пересмотра принятых первоначально технологических решений, привлечения дополнительных финансовых средств и длительных сроков реабилитации.

Естественно, предупреждение нежелательных ситуаций всегда более предпочтительно, чем ликвидация причин, вызвавших их, но в этом случае необходимо располагать методологической базой, позволяющей осуществлять систематическую оценку сложившейся ситуации и своевременно прогнозировать ее развитие на некоторую перспективу в зависимости от технологических режимов эксплуатации. Иными словами, гидролитосферные процессы должны рассматриваться как объекты управления со всеми присущими элементами и связями управляемых объектов.

Долгое время для изучения гидролитосферных процессов использовалось физическое и аналоговое моделирование, однако сложность и трудоемкость построения таких моделей ограничивали область их применения. С развитием вычислительной техники, персональных компьютеров, отмечается повсеместный переход к математическим моделям. Наряду с удешевлением стоимости компьютерной техники, отмечается рост ее быстродействия и емкости памяти, что позволяет просчитывать за короткое время большое количество самых различных вариантов. Переход от аналоговых моделей к математическим существенным образом расширяет возможности данного направления, однако требует и нового методологического подхода. Это касается как вопросов совершенствования методов математического моделирования, так и общих принципов верификации и управления.

Учитывая сложившуюся экологическую ситуацию в верхней гидродинамической зоне гидролитосферы, актуальность этого направления сложно переоценить, и дальнейшее развитие его является важной народнохозяйственной задачей.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательской тематики связанной с дальнейшим геологическим изучением Кисловодского месторождения углекислых минеральных вод, являющегося гидроминеральной базой Кисловодского курорта. Интенсивное развитие курортной индустрии региона, увеличение промышленного розлива минеральных вод, негативно отразилось на качественных показателях минеральных вод, в связи с чем, на первое место ставятся вопросы дополнительного изыскания новых источников гидроминерального сырья, а также обоснование оптимальных режимов эксплуатации и управления месторождением как единой гидравлически связанной системой.

В работе использовались также результаты более чем десятилетних исследований автора на Куюлусском месторождении артезианских вод, предназначенных для технического и питьевого водоснабжения Мангышлакского территориально-промышленного комплекса г. Шевченко (Республика Казахстан), где рассматривались вопросы оперативного управления режимами эксплуатации крупного Южно-Мангышлакского артезианского бассейна, методики изучения фильтрационных параметров водоносных горизонтов на основе метода глубинной скважинной расходометрии.

Автор выражает глубокую и искреннюю признательность д.т.н., профессору Першину И.М. за ценные замечания и помощь при выполнении работы.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности динамики водопритока в скважину для квазистационарного режима фильтрации в условиях гидравлически связанных водоносных горизонтов. Совершенствование методов полевых опытно-фильтрационных исследований кустовых и одиночных скважин в условиях гидравлической связи водоносных горизонтов. Оценка точности существующих методов опытно-фильтрационных исследований.

2. Совершенствование методов послойного изучения фильтрационных и емкостных параметров коллекторов на основе глубинной расходометрии.

3. Методы определения модуля вертикального водообмена (перетока) и верификации математических моделей геофильтрации по данным эпигноза.

4. Совершенствование гидравлических методов прогнозирования гидродинамических процессов.

5. Разработка методов оперативного управления техногенными процессами в гидролитосфере на основе теории автоматического управления.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика полевых опытно-фильтрационных исследований с целью определения емкостных и фильтрационных свойств водовмещающих отложений и разделяющих слоев при наличии гидравлической связи и активного вертикального водообмена между смежными водоносными горизонтами для условий квазистационарного режима фильтрации.

2. Дано теоретическое обоснование методики интерпретации полевых опытных работ по схеме временного прослеживания для изучения фильтрационных свойств геологического разреза с использованием глубинной скважинной расходометрии.

3. Предложено универсальное решение для подсчета запасов подземных вод в сложных геолого-гидрогеологических условиях с использованием гидравлических методов.

4. Разработана методика верификации математических моделей, основанная на итерационной процедуре данных эпигноза, методика определения модуля вертикального водообмена.

5. Впервые для Куюлусского месторождения разработана оперативная система управления режимами эксплуатации водозаборных скважин.

6. Впервые для Кисловодского месторождения количественно установлены гидродинамические параметры водоносных горизонтов, параметры гидравлического взаимодействия горизонтов, модули вертикального перетока.

7. Впервые построена плоско-пространственная математическая модель Кисловодского месторождения минеральных вод, установлены особенности формирования химического состава подземных вод, закономерности гидродинамического режима и режимообразующих факторов.

Практическая значимость и реализация результатов:

Основные результаты работы использовались при оценке эксплуатационных запасов подземных минеральных вод базы отдыха «Ивушка» (Р. Казахстан, протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых СССР № 278 от 28.11.1994 г.). Березовского и Северного участков Кисловодского месторождения минеральных углекислых вод (протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых РФ № 827 от 20.04.2002 г. и № 1442 от 31.08.2007 г.). Разработанные положения могут быть использованы при построении математических моделей и систем управления на других геолого-гидрогеологических объектах.

Апробация работы, публикации:

Результаты работ докладывались на научно-технических конференциях:

1. Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов, состоявшемся в Киеве 1988г;

2. Научно-практической конференции "Экология и энергосбережения" (г. Пятигорск, 2001г.);

3. "Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики" (г. Санкт-Петербург 2002г.);

4. Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (Санкт-Петербург 2005г.).

5. Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2006 г.).

По теме работы опубликованы 36 научных статей, в том числе две монографии. «Техногенные процессы в подземных водах» (биосферный подход, диагностика и управление) / Под ред. Проф. Гавич И.К. - М.: Научный мир, 2003. — 248 е., «Синтез распределенных регуляторов для систем управления гидролито-сферными процессами» М.: Научный мир, 2007 г. (в соавторстве с Першиным И.М.).

Выводы по главе 5

Представленный материал наглядно свидетельствует, что методы ТАУ с успехом могут использоваться для управления геологическими объектами. Схемы управления могут, в зависимости от конкретных геолого-технических условий, быть самыми различными. Довольно большой класс гидрогеологических задач может рассматриваться как сосредоточенные системы. В практике гидрогеологических работ обычно водозаборные скважины располагаются на расстоянии равном или большем чем половина радиуса влияния. Это объясняется желанием свести депрессионную воронку в.процессе эксплуатации к минимальным размерам. Однако существуют и задачи, где необходимо рассматривать объекты как распределенные. Это могут быть дренажные системы, оптимизация работы которых довольно актуальна, поглощающие скважины (колодцы), месторождения нефти и др.

Особенностью геологических объектов, в сравнении с техническими, является дороговизна получения информации, и в связи с этим, их слабая изученность. В таких условиях построение математических моделей не всегда возможно, или же они не отличаются высокой точностью. Построение систем управления, основанных на отрицательной обратной связи, позволяет использовать в управлении и не совсем точные модели без особого ущерба для процесса управления. Причем, с одинаковым успехом для управления могут использоваться как математические, так и краткосрочные гидравлические модели.

Постоянное слежение за процессом эксплуатации и оперативное управление обладает рядом преимуществ перед существующими схемами, основанными на долгосрочном прогнозировании, которые представляют собой программный принцип управления. Часть скважин в процессе эксплуатации может быть выведена из эксплуатации в виду аварийности или по другим причинами, измениться технологическая схема (количество скважин, схема их расположения, вовлечение в эксплуатацию дополнительных водоисточников и др.). Оперативное управление, основанное на принципах ТАУ, позволяет без особого труда учесть все эти изменения и оперативно выработать рациональный режим с учетом всех технических и технологических изменений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе выделены три основных аспекта общей проблемы управления гидролитосферными процессами: определение емкостных и фильтрационных параметров водоносных горизонтов, моделирование гидрогеологических процессов и собственно управление геологическими объектами. Нельзя сказать, что эти аспекты используются исключительно в целях построения системы управления. Первое направление, которое рассматривается в работе, связано с методическими приемами оценки параметров водоносных горизонтов, известно и широко используется практически во всех областях гидрогеологических знаний. Новизна исследований здесь заключается в том, что в работе предложена новая расчетная формула и методика, позволяющая производить исследования многопластовых гидравлически связанных водоносных горизонтов в условиях развития квазистационарного режима фильтрации. Это самый представительный и длительный этап опытно-фильтрационных работ, который используется для интерпретации данных с целью определения параметров водоносных горизонтов.

Водоносные системы состоят из толщи чередующихся горных пород, которые по фильтрационным свойствам разделяются на коллекторы и водо-упоры. Следует отметить, что абсолютно водоупорных отложений в природе практически не существует. По этой причине все водоносные горизонты в той или иной степени являются гидравлически связанными, и правильнее говорить об относительно водоупорных разделяющих слоях.

В этой связи, все методические приемы получения информации о параметрах водоносных горизонтах, рассматривающие всевозможные схемы геологического строения разреза, с точки зрения схематизации, являются не совсем корректными. Выполненный в работе анализ известных точных решений и данных моделирования, показывает, что принятые допущения все-таки вполне приемлемы, и погрешность в оценке параметров известными методами (при выполнении всех методических требований и ограничений) не превышает погрешности 10-15%.

Исследования фильтрационных свойств разреза на основе данных глубинной расходометрии представляет большой интерес, поскольку это самый дешевый, простой и в то же время информативный метод расчленения разреза на относительно водоупорные слои и коллекторы. Только при наличии такой информации можно серьезно говорить о построении пространственных математических моделей.

Известные методы изучения разреза глубинной расходометрией относятся в большей степени к геофизическим методам и рассматривались методически как геофизические, которые не в полной мере устраивают специалистов-гидрогеологов. В работе автором рассматривалось использование дистанционных расходометрических исследований с позиций гидравлики и гидродинамики, и рекомендованы методы обработки информации аналогичные тем, которые используются в практике гидрогеологических исследований, в частности методы временного прослеживания или гидропрослушивания. Показано, что при возмущении скважины с постоянной нагрузкой, динамика формирования водопритока из каждого водоносного горизонта подчиняется логарифмическому характеру. Это позволило использовать известные решения для интерпретации опытных данных. Предложена методика и расчетные формулы для определения параметров по данным кустовой откачки. Разработанные положения использовались автором при изучении третьего альбского водоносного горизонта на Куюлусском месторождении и валанжинских водоносных отложений на Кисловодском месторождении минеральных вод. С помощью глубинной расходометрии с минимальными финансовыми затратами были установлены фильтрационные и емкостные свойства водоносных горизонтов, оценены потенциальные возможности их как дополнительных источников гидроминерального сырья.

Второе направление — моделирование водоносных систем также широко и довольно длительное время применяется в гидрогеологических исследованиях. Применение моделирования объясняется необходимостью оценки и периодической переоценки эксплуатационных запасов подземных вод, которая является подтверждением возможности организации водоснабжения региона или города на базе рассматриваемых источников, а также обоснованием целесообразности капвложений в реализацию принятой схемы водоснабжения. В существующей практике используются два вида моделей: гидравлические и математические. Гидравлические модели в какой-то степени вынужденная мера. Они используются в тех случаях, когда по причинам экономической целесообразности или недостаточной степенью изученности объекта, построение математической модели невозможно. Обычно это объекты, отнесенные по сложности геолого-гидрогеологического строения к четвертой группе (самые сложные по классификации Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых РФ), получение необходимого объема информации по которым для построения математической модели связано с большими финансовыми затратами. Автором была разработана и апробирована на Кисловодском месторождении минеральных вод универсальная методика, позволяющая учесть любую конфигурацию граничных условий, гидравлическую связь водоносных горизонтов, климатические факторы. Следует отметить, что гидравлические модели просты, характеризуются достаточной для практики точностью, поскольку параметры их определяются непосредственными гидрогеологическими наблюдениями и расчетами. Однако, как показывает практика, прогнозирование на них дает удовлетворительные результаты на относительно небольшие промежутки времени, ограниченные сроками 3 — 5 лет. Основные проблемы здесь связаны с точностью определения временной срезки уровня, которая зависит от схемы объекта, геолого-гидрогеологических и граничных условий.

В работе рассмотрены основные принципы построения гидравлических моделей и методы корректировки временной составляющей. Предложена методика краткосрочного гидродинамического прогнозирования, которая была разработана автором и успешно использовалась в системе оперативного управления Куюлусским месторождением артезианских вод на протяжении периода с 1982 по 1994 гг.

Математические модели в отличие от гидравлических требуют значительно большего объема информации об объекте. Долгое время развитие этого направления сдерживалось отсутствием компьютерной базы. Методы, которые использовались для построения математических моделей (электрогидродинамических аналогий) были очень сложны и трудоемки, в связи с чем, применялись ограничено, в основном для решения важных народохозяйст-венных задач. Бурное развитие персональных компьютеров и программного обеспечения определило главенствующую роль этого направления, и в настоящее время наблюдается практически повсеместный переход к методам математического моделирования. Следует отметить, что широкое внедрение математического моделирования в гидрогеологии началось относительно недавно, не более 25 лет, и проблем здесь более чем достаточно.

Математические модели строятся на принципах сохранения энергии или баланса, чаще всего это так называемые динамические модели, в основе которых лежит описание объекта дифференциальными уравнениями с определяемыми по эмпирическим данным параметрами. И если система.дифференциальных уравнений, даже с учетом общепринятых допущений, довольно точно описывает физический процесс фильтрации, то вопросы параметрического обеспечения модели разработаны в недостаточной степени. Конечно, изложенные методы определения параметров во второй главе дают возможность определить их с погрешностью до 10-15%, однако это точечные оценки, которые ко всему прочему определены по редкой сети наблюдательных и эксплуатационных скважин. Естественно именно эти параметры используются при формировании первоначальной математической модели, однако геологические объекты характеризуются крайне высокой неоднородностью и сложностью, и по этой причине, в процессе эксплуатации параметры модели должны систематически корректироваться по мере насыщения модели новой мониторинговой информацией. 1

Новизна работы в этом плане заключается в следующем: предложен метод построения карт модуля вертикальных перетоков, позволяющих получить начальную стационарную поверхность зеркала подземных вод (начальные условия) и скорректировать параметры перетекания по площади месторождения;

- предложена методика верификации математических моделей, основанная на тестовом моделировании эпигноза эксплуатации объекта. Использование ее в процессе верификации, как показано на Куюлусском месторождении, позволяет получить модель, погрешность которой не превышает 10% - 12%.

Последнее направление, рассмотренное в работе, собственно и связано с управлением. Актуальность его, особенно в последнее время, существенно повысилась. Дело в том, что интенсивность нагрузки на гидролитосферу за последнее десятилетие увеличилась многократно. Так, например, по региону Кавказских Минеральных Вод она возросла более чем вдвое. Это естественно привело к развитию негативных техногенных процессов. Отмечается изменение концентраций минерального состава подземных вод, формирование глубоких депрессионных воронок с максимальными понижениями в точках возмущения, обширные ореолы микробиологического и химического загрязнения. В такой ситуации вопросам управления техногенными процессами естественно начинает уделяться очень серьезное внимание. Также нельзя сказать, что это направление в гидрогеологии является новым. В методических документах определяющих порядок утверждения эксплуатационных запасов подземных вод указывается на необходимость обоснования оптимального режима эксплуатации водозаборных сооружений. Однако долгосрочный прогноз, который рекомендуется для поддержания оптимального режима, основывается на принципе программного управления и не учитывает изменений, происходящих в водоносных горизонтах под воздействием техногенной нагрузки.

В условиях активизации техногенного воздействия подобные схемы уже не отвечают предъявляемым требованиям. Необходимы оперативные методы управления, основанные на отрицательной обратной связи и способные вырабатывать режимы эксплуатации, учитывающие как изменения геолого-технического, так и технологического характера (сезонные изменения водо-отбора, вывод части эксплуатационных скважин в капитальный ремонт, изменение технологической схемы).

Наиболее полно методы управления объектами, отвечающие поставленным требованиям, разработаны в курсе «Теория автоматического управления», которые и использовались для решения задачи. Здесь следует отметить два момента. Во-первых, для различных геологических объектов целевая функция будет различна, и определяться конкретным геолого-гидрогеологическим строением. Обоснование ее требует детального изучения объекта, эколого-гидродинамического районирования и построения серии специальных карт распределения интересующих параметров по площади. Во-вторых, обоснования схемы управления. В одних случаях это могут быть сосредоточенные системы, в других - распределенные.

Впервые схема оперативного управления была разработана автором и внедрена на Куюлусском месторождении в 1982г. В ней использовалась краткосрочная гидравлическая модель и простейший пропорциональный регулятор, а в качестве критериальной функции рассматривалась гидродинамическая, поскольку систематическое снижение динамических уровней подземных вод и истощение эксплуатационных запасов являлось основной проблемой эксплуатации.

В диссертационной работе дано усовершенствование схемы оперативного управления, в которой используется математическая модель и ПИД-регулятор, дана методика выбора оптимального гидродинамического режима текущей эксплуатации водозабора. Определены критерии применимости сосредоточенных и распределенных схем. Рассмотрен конкретный пример управления гидродинамическими режимами на упомянутом выше месторождении и качественными показателями на Кисловодском месторождении минеральных углекислых вод.

Таким образом, представленную работу можно рассматривать как обобщение и совершенствование методов исследований по различным научным направлениям, объединенным общей конечной задачей управления техногенными процессами в гидролитосфере.

В то же время известные из литературных источников методы управления основываются на принципах программного управления, которые не в состоянии обеспечить своевременный учет всех технологических и геологических изменений в процессе эксплуатации. По этой причине применение их возможно только эпизодически, в период очередной переоценки эксплуатационных запасов, которая производится с периодичностью 10 — 25 лет. В этом смысле работу можно рассматривать как самостоятельное направление.

Учитывая возросшую техногенную нагрузку на гидролитосферу, постоянно ухудшающуюся экологическую ситуацию биосферы, гидросферы и гидролитосферы, этому направлению в перспективе будет уделяться все большее и большее значение. В качестве основных дальнейших задач исследований можно отметить следующие.

1. Дальнейшее совершенствование полевых гидродинамических и геофизических методов определения параметров водоносных горизонтов, и в первую очередь параметров, характеризующих емкостные и фильтрационные свойства водоносных горизонтов в вертикальном разрезе, а также параметров, характеризующих процессы массопереноса.

2. Совершенствование методов математического моделирования, позволяющих строить не только плоско-пространственные, но и пространственные модели геофильтрации и массопереноса. В настоящее время это направление сдерживается отсутствием приемлемых методик, позволяющих производить оценку емкостных и фильтрационных параметров горизонтов по вертикальной составляющей оси Z.

3. Совершенствование методов верификации математических моделей с выходом на постоянно действующие самонастраивающиеся модели.

4. Совершенствование методов оперативного управления распределенными системами. Внедрение их дает возможность управлять не только гидродинамическими, но и гидрогеохимическими параметрами объектов.

5. Учитывая довольно высокую сложность и большой объем вычислительных операций, особенно при построении распределенных схем управления, представляется своевременным приступить к разработке пакета компьютерных программ, позволяющих реализовать разработки в повсеместной практике эксплуатации геологических объектов, доведя их до инженерного уровня.

1. Бицадзе A.B. Основы теории аналитических функций комплексного переменного. М.: Наука, 1969 139 с.

2. Бегимов И., Бутковский А.Г., Рожанский В.Л. Моделирование сложных распределенных систем на основе структурной теории. //Автоматика и телемеханика. М:, 1981 г. ЧI, ЧII. № 11, 12.

3. Бан А., Богомолов А.Ф., Максимов В.А. Влияние свойств горных пород на движение в них жидкостей. М.: Гостопиздат, 1962. 275с.

4. Биндеман H.H. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод.М.: Научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр. 1963.202 с.

5. Богомяков Г.П., Нуднер В.А. Расчет рациональной системы водозабора глубоких подземных вод. // Разведка и охрана недр, 1964, №5. : ;

6. Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. М.: Недра, 1973г. 302с.

7. Борисов Ю.Г., Егоров Н.Г и др. О выборе технологических вариантов разработки нефтяных месторождений района. НТС по добыче нефти, вып. 40. М.: Недра, 1970г.

8. Бочевер Ф.М., Веригин Н.И. Методическое пособие по расчетам эксплуатационный запасов подземных вод для водоснабжения. М.: Госстройиздат, 1961г. 199с.

9. Бочевер Ф.М., Гармонов И.В., Лебедев A.B., Шестаков В.М. Основы гидрогеологических расчетов. М.: Недра, 1965г. 305с.

10. Бочевер Ф.М. Теория и практические методы гидрогеологических расчетов эксплуатационных запасов подземных вод. М.: Недра, 1968г. 325с.

11. Бочевер Ф.М. Лапшин H.H. К вопросу о гидрогеологических расчетах скважин в слоистых толщах. М.: ВОД! КО Гидрогеология, вып. 14, 1968 г.

12. Бочевер Ф.М., Орадовская А.Е. Гидрогеологическое обоснование защиты подземных вод и водозаборов от загрязнений. М.: Недра, 1972 г, 128 с.

13. Бутковский А.Г. Характеристика систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1979. 224с.

14. Бутковский А.Г. Управление системами с распределенными параметрами (обзор) // Автоматика и телемеханика. — 1979. — № 11.-е. 16-85.

15. Вартанян Г.С. Разведка месторождений минеральных подземных вод1. М.: Недра, 1990 г, 219 с.

16. Верификация математических моделей геофильтрации // Сборник докладов конференции "Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомехани-ки"С-ПГУ, С-П. 2002г. с. 394-399. (в соавторстве Гавич И.К., Иванов A.A., Мал-кова Е.А.).

17. Валеев К.Г., Жаутыков O.A. Бесконечные системы дифференциальных уравнений. Алма-Ата: Наука Казахской ССР, 1974.- 415с.

18. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Автоматическое регулирование непрерывных линейных систем. М.: Энергия, 1980. С. 309 с.

19. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. — М:: Энергия, 1981, С. 303.

20. Гавич И.К. Моделирование гидрогеологических процессов М.: Московский геологоразведочный институт, 1977,101 с.

21. Гавич И.К., Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. М.: Недра. 1980. 358с.

22. Гавич И.К., Семенова С.М., Швец В.М. Методы обработки гидрогеологической информации с вариантами задач. М.: Высшая школа. 1981. 160с.

23. Гавич И.К. Гидрогеодинамика. М.: Недра. 1988. 350с.

24. Гавич И.К. Многолетняя изменчивость питания и режима подземных вод природно-техногенных систем верхнего этажа гидролитосферы М.: Геоин-форммарк, 1995, 43 с.

25. Гавич И.К. Речной гидролитосферный бассейн объект гидрогеологического картирования/ Конференция научно-преподавательсского состава, на-учн. сотрудников, аспирантов и студентов. «Новые достижения в науках о Земле», М.: 1993 г,с.77.

26. Гавич И.К., Лисенков А.Б. Новый подход к эколого-гидродинамическому картированию // Экологическая гидрогелогия стран Балтийского моря. Тезисы доклада медж. Научный семинар С-Пб, 21-25.06.1993 г. С-Пб, 1993 г., с 8-10.

27. Гаджиев А.Г., Султанов Ю.Г., Ригер П.Н., Абдуллаев А.Н., Мейланов А.Ш. Геотермальное теплоснабжение. М. «Энергоатомиздат» 1984. 465с.

28. Гасс П.М. Гидрогеологические прогнозы как метод управления режимом подземных вод. //Матер. Первой гидрогеол. конф. Вып.1. М.: 1982. С.319-323.

29. Герасимов С.М., Першин И.М. Проектирование распределенных систем управления температурным полем нагревательных камер // Деп. В ВИНИТИ. № 5857-В87, с. 82.

30. Гершанович И.М. О количественной интерпретации данных расходо-метрии гидрогеологических скважин.// Разведка и охрана недр. М.: 1970, № 8. С.47-52.

31. Гершанович И.М. Расходометрия одиночных гидрогеологических скважин для послойного определения гидродинамических характеристик. //Разведка и охрана недр. №9. 1966. С.53-56.

32. Гершанович И.М. Гидрогеологические исследования в скважинах методом расходометрии. М.: Недра, 1981.295 с.

33. Гидрогеологические исследования за рубежом. / Под ред. Маринова H.A. М.: Недра, 1982. 426с.

34. Гидрогеологические расчеты на ЭВМ / Под ред.Штенгелова P.C. М.: Изд.-во МГУ, 1994. 336с.

35. Гринбаум И.М. Расходометрия гидрогеологических и инженерно-геологических скважин. М.: Недра, 1975. 271с.

36. Данилов В.В., Угорец В.И. Способ определения гидродинамических параметров слоистой системы. // Тез. докл. 1 Всесоюзн. съезда инж.-геол., гид-рогеол. и геокриол. Киев. Наукова думка, 1989. С.55-57.

37. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Изд-во Наука, 1978. 224с.

38. Дубогрей В.Ф., Малков A.B. Математическая модель Кисловодского месторождения минеральных вод. Межвузовский научный сборник. «Управление и информационные технологии». Пятигорск, 2006, с. 57-64.

39. Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузными процессами. М.: Наука, 1978. 463с.

40. Евсеенко Т.П. Приближенное решение задачи оптимального управления процессами теплопроводности. // Математические методы оптимизации систем с распределенными параметрами. Науч. сб. / Илим. Фрунзе. 1975. с.34-39.

41. Ефремочкин Н.В. Оценка гидрогеологических параметров при совместном опробовании двух водоносных пластов с различными положениями статических уровней. М.: Изв. Вузов, Геология и разведка, № 8, 1968г, с. 87-92.

42. Жернов И.Е., Павловец И.Н. Моделирование фильтрационных процессов. Киев.: Висша школа, 1976. 191 с.

43. Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование фильтрации подземных вод. М.: Недра, 1971, 223 с.

44. Зуховицкмй С.И., Авдеева Л.И. Линейное и выпуклое программирование. М.: Наука, 1967г.

45. Казеев В.Г., Малков A.B. Оптимизация режимов эксплуатации подземных вод. //Тезисы докладов 1 Всесоюзного съезда инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов. Киев 1988г. ч.З.

46. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1979. 512с.

47. Каменский Т.Н. Уравнения неустоявшегося движения грунтовых вод в конечных разностях и применение их к исследованию явлений подпора. М.: Изв. АН СССР, 1940, №4. С. 53-56.

48. Каменский Г.Ю., Малков A.B. Определение гидродинамических параметров при совместном опробовании двух водоносных горизонтов с различными статическими напорами. Изв. ВУЗов, "Геология и разведка". //Деп. ВИНИТИ 20.02.84, 12 с. Деп. № 1512-84.

49. Карцелевич Ф.И., Садовский JI.E. Элементы линейной алгебры и линейного программирования. М.: Физматгиз, 1963г.

50. Кедров B.C. Водоснабжение и водоотведение. М.: Стройиздат, 2002.,332 с.

51. Климентов ГТ.П. Методика гидрогеологических исследований М.: Высшая школа, 1967 г, 419 с.

52. Климентов П.П., Кононов В.М. Методика гидрогеологических исследований. М.: Высшая школа, 1978. 408с.

53. Климентов П.П., Кононов В.М. Динамика подземных вод. М.: Высшая школа, 1985 г, 383 с.

54. Ковалевский B.C. Исследование режима подземных вод в связи с их эксплуатацией. М.: Недра, 1986.198с.

55. Ковалевский B.C. Комбинированное использование ресурсов поверхностных и подземных вод. Mi: Научный мир, 2001. 331 с.

56. Коваленко H.H. Краткосрочные.гидродинамические прогнозы работы водозабора//Труды межресп. научн конф. "Управление в социальных, экономических и технич. системах. Кисловодск, 1998.

57. Коваль В.А., Першин И.М. Метод пространственно-частотной декомпозиции в системах с распределенными параметрами //Аналитические методы синтеза регуляторов. Межвуз. науч. сб. Саратов, 1981. С.49-56.

58. Крашин И.И. Моделирование фильтрации и теплообмена в водонапорных системах. М.: Недра, 1976. 160с.

59. Комаров И.С., Хайме Н.М., Бабенышев А.П. Многомерный статистический анализ в инженерной геологии. М.: Недра, 1976. 198 с.

60. Крашин И.И., Пересунько Д.И. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод методом моделирования. М.: Недра, 1976. 206с.

61. Крукиер JT.A., Субботина Т.Н. Математические модели и численные методы. Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону, 2003 г, 65 с.

62. Лебедев A.B. Оценка баланса подземных вод. М.: Недра, 1989 г, 171 с.

63. Левальд Х.А. Экономическая эффективность добычи пресной подземной воды. М.: Недра, 1990. 232с.

64. Ленченко H.H. Гидродинамический анализ первых лет эксплуатации месторождения подземных вод (на примере водозабора г.Шевченко). // Геология и разведка, М.: 1971., №3. С. 103-110.

65. Ленченко H.H., Малков A.B. Методика составления краткосрочных гидродинамических прогнозов работы водозабора Изв.ВУЗов "Геология и разведка". //Деп. ВИНИТИ 19.08.82, № 4604-82 Деп, 14 с.

66. Лисенков А.Б. Гидрогеохимические закономерности и условия формирования подземных вод Южно-Мангышлакского артезианского бассейна и прогноз изменения их минерализации в процессе эксплуатации крупными водозаборами. //Автореф. диссертации, 1977.20с.

67. Ломакин Е.А., Мироненко В.А., Шестаков В.М. Численное моделирование геофильтрации. М.: Недра, 1988. 228с.

68. Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации. М.: Недра, 1976. 408с.

69. Лукнер JI., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации. М.: Недра, 1980.357с.

70. Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование миграции подземных вод. М.: Недра, 1986. 208с.

71. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 599с.

72. Ляшенко А.Л. Решение задач моделирования. Пятигорск, ПГТУ, 2005 г., 103 с.

73. Малков A.B. О погрешности метода скважинной расходометрии. Изв. ВУЗов Теология и разведка". // Деп. ВИНИТИ 30.08.83, № 4859-83. Деп, 7 с.

74. Малков A.B. Оптимизация режима эксплуатации подземных вод системой водозаборных сооружений. Изв. ВУЗов "Геология и разведка", 9с.,Деп. ВИНИТИ 03.01.84, № 117-84 Деп.

75. Малков A.B., Каменский Г.Ю. Гидрогеологические особенности строения третьего альбского водоносного горизонта Южного Мангышлака. Изв. ВУЗов, "Геология и разведка". //Деп. ВИНИТИ 16.03.84, 6 с. № 1517-84.

76. Малков A.B., Фисун Н.В. Гидрогеологические исследования на стадии эксплуатационной разведки. // Тезисы докладов республиканского научно-технического совещания Ташкент, 1989г. с.33-36.

77. Малков A.B. Разработка системы управления режимом эксплуатации водоносных систем с целью оптимизации водоотбора. // Труды межреспубликанской научной конференции "Управление в социальных и технических системах". Кисловодск, 1998г.

78. Мал ков A.B. Идентификация математических моделей водоносных систем на основе тестового моделирования. Межвузовский научный сборник. «Управление и информационные технологии». Пятигорск, 2005, с. 130-135.

79. Малкова И.М., Малков A.B., Казеев В.Г. К вопросу о защите водозаборных скважин от вторжения радоновых вод. // Деп. ВНИИТФ Российский федеральный ядерный центр, г.Снежинск, Препринт № 158 от 04.03.1999г. 9с.

80. Малков A.B. Оценка модуля перетока в водоносных горизонтах с использованием карт естественной пьезометрической поверхности уровня подземных вод. Межвузовский научный сборник. «Управление и информационные технологии». Пятигорск, 2005, с. 135-140.

81. Малков А.В, Малкова И.М, Казеев В.Г. О несовершенстве гидрогеологических скважин. // Деп. ВНИИТФ Российский Федеральный ядерный центр. г.Снежинск, 1998г, Препринт № 150, 5с.

82. Малков A.B. Определение гидродинамических параметров водоносных горизонтов в условиях перетекания. М.: Известия ВУЗов «Геология и разведка», № 1 с. 31-34.

83. Малков A.B., Коваленко H.H. Проблемы эксплуатации месторождения подземных вод. Сборник докладов Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» С-Пб, СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 2005г., том 2,с. 290-294.

84. Малков A.B. Управление техногенными процессами в гидролитосфере. Межвузовский научный сборник. «Управление и информационные технологии». Пятигорск, 2006, с. 119-128.

85. Малков A.B., Иванов A.A. Гидролитосферные процессы: системный анализ и проблема управления. Сборник докладов Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» С-Пб, СПбГЭТУ (ЛЭ-ТИ), 2005г., том 1, с.57-62.

86. Методика определения параметров математических моделей геофильтрационных процессов. // Деп. ВНИИТФ Российский федеральный ядерный центр, г. Снежинск, 2001г., Препринт № 185, 5с. (Зайцев Н.М., Королев И.Б., Шустваль С.А., Казеев В.Г.).

87. Методика определения величины инфильтрационного питания в водоносных горизонтах. // Деп. ВНИИТФ Российский федеральный ядерный центр, г. Снежинск, 2002г., Препринт № 194, 5с. (Казеев В.Г., Иванов A.A., Королев И.Б., Малкова Е.А.).

88. Мониторинг подземных вод. //Тезисы докладов научно-практической конференции "Экология и энергосбережения" г. Пятигорск, 2001г. с 98-101.в соавторстве Зайцев Н.М., Королев И.Б., Шустваль С.А. Малкова Е.А., Фисун Н.В.).

89. Обоснование рациональных режимов эксплуатации месторождений подземных вод. // Деп. ВНИИТФ Российский федеральный ядерный центр, г. Снежинск, 2001г., Препринт № 186, 10с. (Зайцев Н.М., Королев И.Б., Малкова И.М., Казеев В.Г.).

90. Техногенные процессы в подземных водах (биосферный подход, диагностика и управление) / Под ред. проф. Гавич И.К. М.: Научный мир, 2003.248 с.

91. Методы охраны подземных вод от загрязнения и истощения / Под ред. И.К.Гавич. М.: Недра, 1985. 320 с.

92. Мамсуров А.Х. Киптелая JI.B. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в общественном питании. М.: Экономика, 1980, 220 с.

93. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии/ Под ред. Крайнова С.Р. М.: Недра, 1988г, 254 с.

94. Микеладзе Ш.Е. Численные методы интегрирования дифференциальных уравнений с частными производными. М.: Изд-во АН СССР, 1963. С.108.102: Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М.: Недра, 1983. 357с.

95. Мироненко В.А., Румынии В.Г. Опытно-миграционные работы в водоносных пластах. М.: Недра, 1986. 187 с.

96. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Теория и методы интерпретации опытно-фильтрационных работ. М.: Недра, 1978. 325 с.

97. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. М.: Недра, 1974г, 292 с.

98. Михайлова A.B., Темко C.B., Тумаркин Г.Ц. О применении метода "Монте-Карло" к выбору оптимального размещения скважин промысла подземных промышленных вод.// М.: //Геология и разведка, 1968, № 12.

99. Моисеенко С.А., Першин И.М. Исследование топологической структуры фазового пространства нелинейных систем. // Тез. докл. конф."Динамика твердого тела и устойчивость движения". Донецк. Ин-т прикладной математики и механики АН УССР, 1990. С. 14.

100. Морозов Э.А., Стецюк A.B. Справочник по эксплуатации и ремонту водозаборных скважин. Киев. Буд1вельник, 1984. 96 с.

101. Надарейшвили A.B. Методы исследований опытных гидродинамических работ и явлений в системе пласт-скважина. М.: Недра, 1978г, 224 с.

102. Олейников В.А. Оптимальное управление техническими процессами в нефтяной и газовой промышленности. JL: Недра, 1982. 216 с.

103. Орфаниди К.Ф. Некоторые результаты гидрогеологических исследований на Мангышлаке. // Гидрогеология Северного Кавказа. Науч. сб. М.: Недра, 1967. № 1.

104. Орфаниди К.Ф. Условия формирования артезианских вод Южного Мангышлака. // Сов. геология, 1962, № 6.

105. Першин И.М. Частотный метод синтеза регуляторов для систем с распределенными параметрами. // Аналитические методы синтеза регуляторов. Межвуз. науч. сб. Саратов, 1984. с.70-84.

106. Першин И.М. К решению задачи наблюдения для объекта с распределенными параметрами. // Создание и расчет электронных устройств и приборов. Науч сб. Саратов. Изд-во Сарат. ун-та, 1982. с. 58-69.

107. Першин И.М. О критерии Найквиста в системах с распределенными параметрами // Аналитические методы синтеза регуляторов: Межвуз. науч. сб. Саратов, 1981. с. 57-67.

108. Першин И.М. Анализ и синтез систем с распределенными параметрами. Пятигорск, 2007 г, 243 с.

109. Плотников Н.И. Техногенные изменения гидрогеологических условий. М.: Недра, 1989. 272 с.

110. Плотников Н.И. Эксплуатационная разведка подземных вод. М.: Недра, 1973. 296 с.

111. Плотников H.H. Эксплуатационная разведка подземных вод. М.: Недра, 1979. 272с.

112. Плотников H.A., Алексеев B.C. Проектирование и эксплуатация водозаборов подземных вод. М.: Стройиздат, 1990. 256 с.

113. Применение ЭВМ в практикуме по динамике подземных вод. М.: Изд-воМГУ, 1987. 121 с.

114. Полканов М.Г. О соотношении дебитов проектируемых и действующих водозаборов. // Сб. Всегингео. Применение математических методов при гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях. М.: Всегингео, 1970, №34. с. 8-13.

115. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. Гостех-теориздат, М:, 1952 г.

116. Рапопорт Э.А. Альтернативный метод в прикладных задачах оптимизации М.: Наука 2000 - 336 с.

117. Романов М.Ф., Федоров М.П. Математические модели в экологии. -СПб.: «Иван Федоров», 2003, 240 с.

118. Р. Де Уист. Гидрогеология с основами гидрологии суши. М.: МИР, 1969,311 с.

119. Садыков Ж.С., Кукабаев В. и др. Подземные воды Мангышлак-Устюртской нефтегазоносной провинции. Алма-Ата. Наука, 1970. 202 с.

120. Семенов С.М. Проблема адекватности и адаптивности прогнозных гидрогеологических моделей.// Материалы I Всесоюзной гидрогеологической конференции. М.: 1982, вып. 1. с. 105-108.

121. Семенов С.М. Гидрогеологические прогнозы в системе мониторинга подземных вод. М.: Наука, 2005г, 131 с.

122. Синдаловский JI.H. Справочник аналитических решений для интерпретации ОФ опробований. Издательство Санкт-Петербургского университета; С-Пб 2006 г. 767 с.

123. Силин-Бекчурин А.И. Динамика подземных вод. М.: Изд-во МГУ, 1965. 380с.

124. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1977. 479 с.

125. Скворцов В.В., Мухаметдянов Ф.М. К задаче определения оптимального распределения дебита в неоднородных пластах. НТС по добыче нефти. М.: Недра, 1964г, вып. 24.

126. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1954. 627 с.

127. Солодовников В.В., Чулин Н.А. Частотный метод анализа и синтеза многомерных систем автоматического управления: Учеб. пособие. М.: Высшая школа, 1981.- 46 с.

128. Справочник по бурению скважин на воду. / Под ред. проф. Башкато-ва. М.: Недра, 1979, 359 с.

129. Справочное руководство гидрогеолога. / Под ред. Максимова В.М. М.: Недра, 1967. 512 с.

130. Сыдыков Ж.С., Бочкарева В.А. Формирование и ресурсы подземных вод меловых отложений Западного и Северо-Западного Казахстана. Алма-Ата, Наука, 1976г, 160 с.

131. Сыроватко М.В., Потапов Г.И. Опыт промысловых гидрогеологических исследований на месторождениях промышленных вод. / Бюллетень технической информации по иодо-бромной промышленности./ Л., ГИПХ, 1962. № 16.

132. Тененбаум Л.Я., Гринбаум И.И. Упрощенный метод расчета водопро-водимости и коэффициента фильтрации пород на основе единичного удельного дебита откачек. Разведка и охрана недр, 1965г, № 2, с. 31-39.

133. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Кн.1. Математическое описание, анализ устойчивости и качества систем автоматического регулирования. / Под. ред. В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение, 1967. 768 с.

134. Фиделлин И.Ф., Штенгелов P.C. Интерпретация многолетних гидрогеологических наблюдений с использованием ЭВМ. М.: Изд-во МГУ, 1989. 96 с.

135. Щелкачев В.Н. Разработка нефтегазоносных пластов при упругом режиме. М.: Изд. Нефтяной и горно-топливной литературы, 1959г, 467 с.

136. Шестаков В.М. Динамика подземных вод. М.: Изд-во МГУ, 1979. 368с.

137. Шестаков В.М. Вопросы моделирования геофильтрации. //Водные ресурсы, 1973, № 4. с. 106-112.

138. Штенгелов P.C. Формирование и оценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод. М.: Недра, 1988. 230 с.

139. Чаповский Е.Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. М.: Недра, 1975. 304с.

140. Чугаев P.P. Гидравлика Л., "Энергия" 1975. 600 с.

141. Язвин Л.С. Достоверность гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод. М.: //Всегингео, 1972. 149с.

142. Papadopulos LS. Nonsteady Flow to multiaquifer wells. Journal of Geoph. Pesearch v.7.1. 1966 № 20, p. 4791 4797.

143. Khan Irfan A. Determination of aquifer parameters using regression analu-sis "Water resour Bull", 1982, 18, № 2, p. 325 330.

144. William By Porter A. Sensitivity problems in distributive systems /Ant. J. Control.-1976.-V.5.-Pl 59-177.1. Фондовая литература

145. Методические указания по проведению режимных наблюдений на водозаборе г.Шевченко при его насосной эксплуатации. Гавич И.К., Воронов А.Б., Ленченко H.H., Лисенков А.Б. и др. /Москва, 1974. 116с.

146. Разработка и внедрение методики проведения эксплуатационной разведки подземных вод альб-сеноманского артезианского водоносного бассейна и рекомендации по эксплуатации водозабора "К-М". /Гавич И.К., Ленченко H.H., Малков A.B. и др/ М.: 1983. 188с.

147. Малков A.B., Фисун Н.В. Переоценка эксплуатационных запасов минеральных вод Березовского участка Кисловодского месторождения по состоянию на 2002 г. Кисловодск, 2002 г. в трех томах.

148. Малков А.В. Оценка эксплуатационных запасов минеральных вод Северного участка Кисловодского месторождения по состоянию на 2005г. Кисловодск, 2005 в трех томах.