Разработка и технология формирования системы разномасштабных геофильтрационных ПДМ на примере Белгородской и Курской областей

Принятие обоснованных решений по управлению процессом недропользования для геоэкологических систем со сложными природными геолого-гидрогеологическими условиями и интенсивным техногенным воздействием возможно только с применением современных информационно-компьютерные технологий, состоящих из средств измерения (ввода), сбора, передачи, обработки, хранения информации и моделирования процессов, происходящих в геологической среде.

Геофильтрационные постоянно-действующие модели (ПДМ) являются неотъемлемым элементом информационно-компьютерной системы государственного мониторинга геологической среды (ИКС ГМГС) в части использования подземных вод, одним из ее технологических и логических звеньев.

Масштаб и площади моделей определяются поставленными задачами исследования.

Региональные (1:100 000) ПДМ служат для решения задач планирования и управления водохозяйственной деятельностью региона, ресурсами подземных и поверхностных вод, обоснования масштабов недропользования; для изучения условий питания и разгрузки подземных вод и их изменения под влиянием водохозяйственной деятельности (водоотбора, водоотливов, ирригационных сооружений), формирования качества подземных вод; учета регионального взаимодействия крупных водозаборов и водопонижений; оценки региональных запасов и ресурсов подземных вод.

Детальные модели (1:25 000) решают на уровне водохозяйственных участков задачи определения зон влияния водозаборов, гидротехнических сооружений на подпор и снижение уровней, выдачи рекомендаций по созданию, развитию и оптимизации сети мониторинга, планирования водохозяйственной деятельности (землеотвода, сброса дренажных вод), оценки экологического влияния недропользования на речной сток, условия произрастания растительности, влажностный режим почв и пр.

Локальные модели (1:5 000) используются для решения задач оптимизации водозаборов, при проектировании дренажных сооружений, водопонизительных скважин, для выдачи рекомендаций по наблюдению за химическим составом на основе прогноза изменения качества подземных вод. Результаты решения, полученных на локальных моделях, могут служить основой для решения задач оценки устойчивости откосов, прогноза развития инженерно-геологических (экзогенных) процессов.

Региональные модели имеют площади 40 000 - 60 000, детальные - 4000 - 5000, локальные 100 - 200 км².

Иерархичность моделей определяет и последовательность их создания - от региональных моделей к созданию моделей-врезок более крупного масштаба.

В настоящее время система ПДМ включает 2 региональные геофильтрационные ПДМ Курской и Белгородской областей масштаба 1:100 000 (шаг сетки 1 км), 2 детальные ПДМ Старооскольского и Михайловского железорудных районов масштаба 1:25 000 (шаг сетки 250 м), локальную модель зоны влияния Лебединского карьера масштаба 1:5 000 (шаг сетки 50 м). Рассматриваемые модели находятся на разных стадиях выполнения. Существует также ряд проектных моделей различной детальности (Курского промрайона, Белгородского железорудного района и другие).

Этапы создания геофильтрационных ПДМ

Процесс разработки и создания геофильтрационной модели складывается из последовательности равнозначных этапов:

1. пространственно-временная схематизация объектов исследования
2. формирование на основе схематизации структуры модели
3. наполнение структуры модели информацией (данными, необходимыми для решения задач)
4. калибровка модели путем решения комплекса обратных (эпигнозных) задач
5. постановка и решение прямых (прогнозных) задач с целью выработки рекомендаций и принятия решений по управлению процессом недропользования

Геофильтрационная схематизация

При схематизации гидрогеологических условий территории в разрезе, в соответствии с целевым назначением работ, учитывается возможность объединения ряда водоносных горизонтов в расчетные комплексы. Природная гидрогеологическая система схематизируется в виде гидравлически связанной системы напорных, безнапорных и напорно-безнапорных горизонтов, разделенных слабопроницаемыми слоями с учетом имеющихся представлений о питании, стоке и разгрузке водоносных горизонтов. При этом руководствуются принятой гидрогеологической стратификацией соответствующего масштаба для данной территории; наличием учтенного водоотбора, водоотлива и разведанных участков с утвержденными запасами для конкретного водоносного горизонта; степенью изученности горизонта, наличием достаточного числа данных по определению параметров и уровенному режиму.

При геофильтрационной схематизации в плане (обосновании плановых границ модели) принимаются во внимание: топология водосборных бассейнов, границы распространения водоносных горизонтов, местоположение крупных водозаборов, водопонизительных систем карьеров, разведанных участков и очагов загрязнения, т. е. площадь и интенсивность техногенного воздействия на исследуемой и сопредельных территориях. Пример использованных гидрогеологических карт приведен на рис. 1 и 2.

Рис.1. Пример цифровой гидрогеологической основы для детальной ПДМ Михайловского железорудного района.

Рис.2. Пример цифровой геологической основы для региональной ПДМ Курской области.

При геофильтрационной схематизации во времени проводится анализ рядов режимных наблюдений за уровнями подземных вод, ретроспективных данных по водоотбору и водоотливу.

Информация, содержащаяся в фактографическом и картографическом банках данных, является в большинстве случаев достаточной для принятия специалистом решения по схематизации природных условий. Картографический банк данных представляет собой набор цифровых (векторных) тематических карт, отражающий с необходимой степенью детальности природные условия (литолого-фациальные, геолого-тектонические) и техногенную нагрузку (водозаборы, карьеры и т.д.) района исследования. Фактографический банк данных содержит данные ГМГС: многолетние данные по режиму подземных вод, по водоотбору и водоотливу, материалы по гидрогеологическим условиям, оценке естественных ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод и их использованию (отчеты и протоколы ГКЗ, ТКЗ и НТС).

Так, в процессе создания региональной ПДМ Белгородской области, при анализе режимных наблюдений выяснилось, что на водораздельных пространствах уровни турон-маастрихтского водоносного горизонта залегают ниже подошвы перекрывающих глин, и питание водоносного горизонта из верхних горизонтов происходит путем дождевания (Q=const). Этот водоносный горизонт моделировался как напорно-безнапорный с постоянной проводимостью.

Формирование структуры модели

На следующем этапе программными средствами, разработанными компанией "Геолинк" производится генерация (создание структуры) сеточной модели, и привязка ее к местности путем задания географических координат левого нижнего угла и азимута.

Сеточная модель (База Данных Обобщенной Информации - GDB) представляет собой разновидность базы графических данных, в которой хранимые параметры (характеристики) являются осредненными (или обобщенными) в пределах блоков регулярной прямоугольной сетки. Для этого любая карта представляется в прямоугольной системе координат, а вводимая в базу характеристика приписывается всему блоку (или к центру блока). Каждый блок имеет декартовы координаты Х и У. Сформированная таким образом цифровая карта какого-либо параметра (характеристики) представляет собой двумерный массив.

Цифровые карты группируются в GDB по слоям. Количество слоев в базе и их выделение задается для конкретной задачи с учетом принятой гидрогеологической схематизации. Кроме этого, для реализации условий инфильтрационного питания и условий взаимодействия поверхностных и подземных вод в структуре модели предусмотрены дополнительные слои "Зона аэрации" и "Поверхностные воды". Для каждого расчетного слоя задается необходимый для моделирования набор параметров (характеристик).

Наполнение модели информацией

Для формирования геофильтрационных моделей необходим следующий состав картографической информации:

• абсолютные отметки поверхности земли, абсолютные отметки уровней рек, естественных и искусственных водоемов и гидротехнических сооружений (водохранилищ, хвостохранилищ, гидроотвалов)
• местоположение мониторинговых скважин, водозаборов (эксплуатационных скважин), шахт, дренажных систем карьеров, гидротехнических сооружений на различные моменты времени
• площади распространения водоносных и слабопроницаемых горизонтов и комплексов
• карты проводимости водоносных горизонтов и комплексов
• карты коэффициентов перетекания разделяющих слабопроницаемых толщ
• карты кровель горизонтов
• различные карты, необходимые для обоснования фильтрационных параметров водоносных горизонтов и комплексов - литолого-фациальные, структурно-тектонические, почвенные и пр.
• карта инфильтрационного питания

Могут использоваться как готовые, так и синтезированные для конкретных целей карты. Карта с элементами топосновы, использованная при создании детальной модели территории Старооскольского район, приведена на рис.3. Структурно-тектоническая карта кристаллического фундамента этой же территории, послужившая основой для обоснования и учета в модели существенной фильтрационной анизотропии архей-протерозойских отложений, показана на рис.4.

Рис.3. Пример цифровой топографической основы для детальной ПДМ Старооскольского железорудного района.

Рис.4. Пример цифровой карты кристаллического фундамента для детальной ПДМ Старооскольского железорудного района.

Примером синтетических карт может служить карта условий питания, созданная для детальной модели Старооскольского железорудного района с применением ГИС-технологий (рис.5). Для учета неравномерности питания по площади было проведено районирование территории с учетом геолого-литологической характеристики зоны аэрации (обнажения сильно трещиноватых верхнемеловых пород, пески палеогенового возраста), геоморфологических элементов рельефа (склон, водораздел, пойма) и ландшафтных форм (леса), включая и элементы техногенного ландшафта (карьеры, гидротехнические сооружения, селитебные территории).

Рис.5. Пример цифровой карты районирования условий питания подземных вод, синтезированной с применением ГИС-технологий.

Для формирования геофильтрационных моделей необходима также следующая фактографическая информация:

• паспортные данные скважин, включая данные фильтрационных опробований и результаты определения фильтрационных параметров
• расходы поверхностных водотоков по различным створам
• величины водоотлива из карьеров и шахт
• дебиты эксплуатационных скважин или расходы действующих водозаборов
• абсолютные отметки среднегодовых уровней подземных вод водоносных горизонтов и комплексов по скважинам

Разработанный компанией "Геолинк" развитый инструментарий для взаимообмена информацией между банками картографической и фактографической информации и ПДМ позволяет вместо традиционного поблокового ввода цифровой информации в соответствующие блоки геофильтрационной модели, осуществлять передачу массива данных из банков информации в ПДМ с возможностью их произвольно заданного предварительного преобразования. Кроме того, возможен обмен данными между разными ПДМ с учетом их географического (пространственного) взаиморасположения и масштаба.

Калибровка модели (решение комплекса обратных задач)

Калибровка модели проводится в процессе решения обратных (эпигнозных) задач с целью уточнения фильтрационных параметров водоносных горизонтов и слабопроницаемых отложений (параметров перетекания), параметров взаимосвязи подземных и поверхностных вод, параметров инфильтрационного питания. Для этого проводились численные эксперименты при различных граничных условиях, условиях взаимосвязи подземных и поверхностных вод, фильтрационных параметрах водоносных горизонтов и параметрах взаимодействия водоносных горизонтов на различные моменты времени.

Постановка обратных задач зависит от поставленных задач исследований и конкретных гидродинамических условий территории. Для разработанных моделей существует несколько общих моментов:

1. На всех моделях воспроизводились условия наиболее интенсивного техногенного воздействия (максимального водоотбора, водоотлива) - как правило, самый конец 1980-х годов, 1990 год. Для исследуемых территорий это, кроме того, и наиболее информационно обеспеченный период.
2. На всех моделях воспроизводились условия ненарушенного режима для сопоставления баланса модели и геологической среды по подземному стоку в реки в пределах водосборного бассейна. Кроме того, это дает возможность оценить степень изменения гидродинамической обстановки на любой момент времени по отношению к естественным условиям.
3. При необходимости, исходя из конкретной гидродинамической ситуации, создавались модели-врезки более крупного масштаба, например, для воспроизведения длительного 2-летнего опытного водопонижения на Яковлевском железорудном месторождении с техногенным изменением параметров перетекания бат-келловейского и каменноугольного водоносных комплексов, которые были учтены в региональной модели Белгородской области.
4. Получаемые в результате калибровки моделей уровенные поверхности использовались для решения обратных задач на моделях более крупного масштаба.
5. На завершающем этапе проводилась актуализация моделей - решение задачи на текущий момент времени, с использованием данных мониторинга за последний год или при получении новых, ранее не учитываемых, данных.

Правильность оценки параметров модели определялась:

1. сравнением невязок между модельными и натурными отметками уровней подземных вод
2. соответствием натурного и модельного водопритоков в карьеры
3. соответствием модельного и натурного подземного стока в реки (для обратной задачи для ненарушенных условий)

При калибровке моделей использовались среднегодовые уровни подземных вод по скважинам режимной сети также из банка данных ИКС ГМГС.

При сравнении натурного водоотлива и модельного водопритока в дренаж использовались данные по водоотливу из банка данных ИКС ГМГС.

При сравнении модельного и натурного подземного стока в реки использовались данные по створам Госкомгидромета.

Кроме этого, можно ориентироваться на косвенные (полуколичественные и качественные) данные:

• глубины залегания уровней подземных вод
• приблизительную величину дебитов родников
• соответствие результатов, полученных на моделях сопредельных территорий
• на экспертную оценку специалиста-гидрогеолога на основе физической достоверности полученных результатов

Результатами решения эпигнозных задач явились карты фильтрационных параметров водоносных горизонтов, карты гидроизогипс, гидроизопьез, глубин залегания уровней подземных вод на различные моменты времени (рис.6), балансовые характеристики (питание и разгрузка различных видов, изменение стока, инфильтрация из поверхностных водоемов, оценка ущерба речного стока).

Рис.6. Фрагмент карты модельных уровней подземных вод архей-протерозойского водоносного комплекса территории Старооскольского железорудного района на 1990 г.

Подводя итоги результатам работ по построению и калибровке моделей можно сделать следующие выводы:

• созданные модели не противоречат всей совокупности имеющейся геолого-гидрогеологической информации
• они адекватно отражают основные закономерности питания, стока и разгрузки подземных вод
• реакция моделей функционально (количественно и качественно) соответствует реакции природной гидрогеологической системы на различного рода возмущения

Следовательно, созданные модели могут служить основой для проведения различных прогнозных решений и оценок состояния геологической среды.

Решение прогнозных задач

Решение прямых (прогнозных) задач проводится с целью анализа возможного изменения гидродинамической обстановки, выработки рекомендаций и принятия решений по управлению процессом недропользования. Приведем примеры постановок прогнозных задач, реализованных на разработанных моделях:

• оценка изменения гидродинамической ситуации при увеличении водоотбора по действующим водозаборам и разведанным участкам до утвержденных запасов при сохранении водоотбора по остальным водозаборам на современном уровне
• оценка возможности удовлетворения заявленной потребности в хозяйственно-питьевой воде на действующих водозаборах
• оценка изменения гидродинамической ситуации при заполнении гидротехнических сооружений до проектной отметки
• оценка изменения гидродинамической ситуации с учетом перспективных планов развития дренажных систем и водного хозяйства (Лебединского карьера)

Общие выводы об использовании системы разномасштабных ПДМ в ИКС ГМГС

Разноуровневая иерархическая система ПДМ отвечает постановкам задач исследования и масштабу изученности территории. Масштаб разработанных моделей можно считать оптимальными для решения поставленных задач.

ПДМ наряду с банками данных ГМГС является дополнительным инструментом контроля достоверности используемой информации, и, таким образом, неотъемлемой частью ИКС ГМГС.

Процесс создания ПДМ позволяет обобщить знания и представления об исследуемой территории, об условиях питания, стока и разгрузки подземных вод, о существующем характере техногенного воздействия на подземные воды.

С прогнозным изменением гидродинамической обстановки, которая может быть проанализирована с использованием ПДМ исследуемой территории, напрямую увязан и вопрос выдачи и условий лицензий, которые являются инструментом государственного регулирования процесса недропользования.

С помощью ПДМ возможна выдача рекомендаций по созданию, развитию и оптимизации сети мониторинга.

На основе геофильтрационных ПДМ разрабатываются геомиграционные модели для решения задач оценки качества подземных вод.

Преимущества интегрированной информационно-компьютерной системы

• Возможность организации единого банка данных для моделей всех уровней
• Пополнение фактографического банка данными ГМГС
• Возможность автоматического пополнения банка данных за счет автоматизированной системы мониторинга, опытный элемент которой функционирует, в частности, в Старооскольском железорудном районе
• Использование банка фактографической и картографической информации для формирования, пополнения и актуализации геофильтрационных моделей
• Оперативное взаимодействие ПДМ с картографическим банком (визуализация полученных результатов, получение твердых копий, построение тематических карт)
• Возможность обмена данными с популярными ГИС (MapInfo, ARCInfo, GeoGraph), СУБД и программными средствами для моделирования геофильтрации (ModFlow)
• Обмен данными между ПДМ разного масштаба и географического (пространственного) взаиморасположения

В заключение отметим, что преимущества описанной интегрированной информационно-компьютерной системы, включающую систему разномасштабных ПДМ, несомненны. Она значительно облегчает хранение, обработку и передачу информации, расширяет возможности ее анализа и выдачи прогнозных рекомендаций. Использование такого инструмента (банков данных, ПДМ, развитой технологии создания моделей под другие возникающие задачи) позволяет специалисту-гидрогеологу заниматься не рутинным и трудоемким процессом сбора информации, а непосредственно ее анализом и выработкой прогнозных рекомендаций по управлению процессом недропользования.

Но роль специалиста-гидрогеолога, использующего этот инструмент, остается ведущей, и требует соответствующих знаний, подготовки и опыта. За ним остается решение по оценке достоверности используемой информации, ее всестороннего учета и правильной интерпретации обширного фактического материала.