Теория и методы оперативного управления техногенными процессами в гидролитосфере (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи

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

2008 г.

Диссертация выполнена в Пятигорском государственном
технологическом университете

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:	Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор
	доктор технических наук, профессор
Оппонент по геологии:	Доктор геолого-минералогических наук, , руководитель отдела курортных ресурсов ФГУ «Российский научный центр восстановительной медицины и курортологии Росздрава» («РНЦВМиК»)

Ведущая организация:

«Гидроспецгеология»

Защита диссертации состоится «18» декабря 2008г. на заседании диссертационного совета Д212.208.22 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.

Адрес: Ростовская обл., г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮФУ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просьба направлять по адресу:

Автореферат разослан «_____»___________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы

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 пересмотра принятых первоначально технологических решений, привлечения дополнительных финансовых вложений 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.

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 при минимальной экологической нагрузке.

Цель достигается разработкой методов повышения точности построения пространственных или плоско-пространственных математических 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, методов изучения фильтрационных свойств геологического разреза с использованием скважинной глубинной расходометрии.

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

3. Совершенствование принципов эколого-гидродинамического районирования водоносных систем, обоснование целевой функции и методов оперативного управления техногенными процессами в природных геологических объектах.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

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

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

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Совершенствование методики полевых опытно-фильтрационных исследований кустовых и одиночных скважин в условиях гидравлически связанных 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 построения и верификации по ретроспективным данным математических моделей геофильтрации в условиях активного вертикального водообмена.

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

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

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

6. Впервые построена плоско-пространственная математическая модель Кисловодского месторождения минеральных вод, установлены особенности формирования химического состав 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 № 000 от 01.01.2001 г.). Березовского и Северного участков Кисловодского месторождения минеральных углекислых вод (протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых РФ № 000 от 01.01.2001 г. и № 000 от 01.01.2001 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. (г. Киев 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 анализ и прикладная синергетика» (г. Пятигорск, 2006 г.).

По теме работы опубликовано 30 научных статей, 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 инерциальностью;

- 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 в 25 – 50 лет. Долгосрочное управление основывается на принципах программного управления, задачи, решаемые на его основе хорошо известны, и связаны в основном с 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 оптимальности по которым выбирался долгосрочный прогноз, экологические требования и т. д. Все это требует разработки и внедрения оперативных методов управления режимами эксплуатации.

Анализ известных схем управления показывает, что наиболее приемлемой схемой 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.

Отсюда она поступает в блок оптимизации (БО), где решается задача выбора оптимального режима текущей эксплуатации на основе критериев оптимизации. Заданные (Х3) и исходные (Х-1) значения регулируемых параметров сопоставляются в блоке сопоставления (БС) и разница (Х3-Х-1) поступает на регулятор (R), представляющий собой некоторый математический алгоритм воздействия (Un ) на модель (ММ). Эффект

управления оценивается на модели в виде решения (Увых), и если вариант удовлетворяет поставленным 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 «Определение гидродинамических параметров водоносных горизонтов» ориентирована на совершенствованием методов исследований в гидрогеологических скважинах, 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 , , Де , Силина-, ,

В зависимости от природных схем выделяются методы интерпретации данных опытных работ для изолированных водоносных горизонтов в кровле и подошве, соответствующие случаю b = 0 (b – параметр перетекания), и для условий гидравлической связи горизонтов b > 0.

Для случая изолированных в разрезе горизонтов используются методики Тейса, Тейса-Джейкоба, позволяющие проводить графоаналитическую обработку для условий нестационарной и квазистационарной фильтрации. Уравнение, описывающее динамику формирования уровня в скважине при возмущении ее с постоянным дебитом, имеет вид:

, () (1),

где S – понижение уровня в точке наблюдения; km – водопроводимость пласта.

r – расстояние до точки наблюдения; а*– пьезопроводность пласта (а* = km/m*); m*– водоотдача горизонта; t – время от начала возмущения скважины. Уравнение (1) описывает нестационарный режим. При выполнении условия , режим фильтрации переходит в квазистационарный, и зависимость можно представить в виде:

(2).

Используя свойства логарифмов, выражение (2) можно преобразовать в удобную форму для графо-аналитической обработки по методу временного прослеживания:

(3).

Полагая , (3) преобразуется в линейную зависимость S = A + C Ln(t), позволяющую определить параметры пласта km и а*.

В большинстве случаев разделяющие водонепроницаемые пласты являются относительно водоупорными, и спустя некоторое время графики временного прослеживания деформируются, имея тенденцию к выполаживанию.

При наличии перетекания процесс формирования депрессионной воронки описывается уравнением (Тейс-Джейкоб):

(4),

W (u, r/B) – обозначение функции колодца; В – комплексный параметр

Для определения параметров Тейсом предложен палеточный метод, суть которого заключается в сопоставлении опытных данных с эталонными кривыми, построенными в одинаковых масштабах для различных соотношений r/B.

При выполнении условий: t > 2r2/a*, r/B < 0,2, функция колодца может быть выражена следующим образом:

(5),

где I0,K0 – символы функций Бесселя первого и второго рода от мнимого аргумента.

Решение (4) справедливо при допущении, что понижение уровня в смежных горизонтах не происходит. Это возможно в двух случаях: либо вышележащий водоносный горизонт является грунтовым, либо период наблюдения достаточно мал, и снижением уровня в смежных горизонтах можно пренебречь. При длительных откачках (t® ¥) наступает стационарный режим, и (4) преобразуется к виду:

(6).

В работе показано, что при тех же ограничениях, с погрешностью не более 5% функция колодца может быть представлена в виде: и тогда динамика формирования понижения может быть описана простым уравнением:

(7).

То есть, при наличии перетекания, процесс формирования уровня при откачке аналогичен работе скважины в изолированном пласте, водоотдача которой меняется по линейному закону.

При b = 0 уравнение (7) преобразуется в формулу (2), а при достаточно длительном возмущении (t ® ¥) переходит к виду (6).

Полученное решение позволяет использовать для интерпретации данных опытно-фильтрационных работ графо-аналитический метод подбора.

Общая схема интерпретации опытно-фильтрационных работ с дополнениями автора дана в таблице 1.

При выводе уравнений использовалось не совсем корректное допущение о постоянстве напоров в смежных горизонтах-донорах, подпитывающих изучаемый горизонт в период возмущения его откачкой. Сопоставляя известные точные аналитические решения для некоторых схем, а также результаты тестового моделирования, в работе дается анализ погрешности, вызванной принятым допущением для широкого диапазона соотношений емкостных параметров водоносных горизонтов. На рис 1. Таблица 1.

Схема интерпретации опытно-фильтрационных работ.

Режим фильтрации	b = 0	b > 0
Нестационарный r2/4a*t > 0,1
Квазистационарный r2/4a*t < 0,1
Стационарный

даны графики соотношения расчетных понижений уровня S2/2=S*2/S2 (S*2 – понижения уровня в изучаемом горизонте, рассчитанное по точным аналитическим решениям; S2 – понижение уровня, рассчитанное по формуле (4)) при различных соотношениях водоотдачи рабочего и смежного горизонта-донора (m*1/m*2 = m*1/2).

Как следует из расчетов, при наступлении квазистационарного режима фильтрации (Lg(a) = -1,0), погрешности, возникающие с принятым допущением, не превышают 10%, что вполне приемлемо.

Расходометрия, как метод изучения гидрогеологических скважин, стал использоваться в сороковых годах. Внедрение в практику скважинной расходометрии связано с работами А, , С, С, и др. Традиционно его применение связано с тремя направлениями: оценкой технического состояния подземной части скважин (герметичности обсадных колонн); обоснование оптимальной конструкции фильтра, обеспечивающего равномерный водоприток по всей длине фильтровой колонны; геологическое изучение разреза: выделение коллекторов, водоупоров, определение фильтрационных параметров.

Последнее направление стало активно развиваться с семидесятых годов. Опыт практического использования расходометрии в сочетании с гидродинамическими методами изучения разреза оказался высокоэффективным. Внедрение его позволило отказаться от дорогостоящих телескопических конструкций разведочных скважин, увеличить точность, детальность исследований. Детализация разреза особенно важна при построении пространственных математических моделей водоносных систем.

Технология глубинных расходометрических исследований проста. Весь вскрытый интервал водовмещающей толщи обсаживается одной фильтровой колонной, задается возмущение скважины, и с помощью 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:

,

(А)

(Б)

Рис.1. Соотношение понижений S2/2 для различных

соотношений m*1/2. (А) – m*1/2=1,0; (Б) – m*1/2 = 0,1)

где rn – радиус прибора; Rс – внутренний радиус фильтра.

Расходометрия скважин производится в установившемся и неустановившемся режимах водопритоков. В результате измерений получают кумулятивную расходограмму, отображающую общие закономерности распределения осевого потока по стволу фильтра. На рис.2 даны типовые расходогораммы, полученные при изучении разреза 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.3. представлены индикаторные графики, построенные для этих же скважин по данным двух установившихся режимов (Q = const; Q = 0).

Для стационарного режима справедливы соотношения:

(8),

где Нст, Q, q – соответственно статический уровень, дебит и удельный дебит скважины (с индексом 0), или i-того водоносного горизонта; Qni – переток между горизонтами в неработающей скважине. Эти соотношения вытекают из геометрических построений индикаторных графиков, и не требует особого доказательства.

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 получению емкостных и фильтрационных параметров разреза. Расчетная схема совместного вскрытия двух водоносных горизонтов дана на рис. 4. При совместном опробовании обобщенная водопроводимость (km0) и пьезопроводность (а*) разреза отвечают соотношениям:

(9)

При возмущении скважины с постоянным дебитом, понижение уровня в скважине и вскрытых ею водоносных горизонтах будет иметь одно и то же значение равное S0. Если выдерживается равенство а0*/r02 = аi*/ri2, 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 S0.

 

 

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

(10).

где Qi(t) – дебит; kmi – водопроводимость i-того горизонта; fi = ai*t/ri2;

(11),

где I0(l); N0(l) – функции Бесселя первого и второго рода от мнимого аргумента нулевого порядка.

При выполнении условия fi > 100, (11) можно представить в следующем виде:

(12).

С учетом (10), (12) может быть переписано:

; или (13),

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:

(14), при аi*t/ri2 > 100:

(15),

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, а приращения их, отсчитанные от установившегося по стволу фильтра водопритока в неработающей скважине. То есть, (15) будет иметь вид:

(16), где Qin – установившийся переток i-того горизонта через ствол фильтра в неработающей скважине. Чтобы избежать необходимости учета влияния наследства, в методике опытных работ необходимо предусмотреть консервацию скважины. Продолжительность ее определяется сроками достаточными для того, чтобы на всем протяжении последующей откачки (tоп) изменение перетока можно было не учитывать, принимая его за постоянную величину. Период консервации (tk) определяется соотношением Dt/tk > 0,1¸0,5.

Для интерпретации кустовых откачек предложено решение:

(17),

где Sн – понижение уровня в наблюдательной скважине; s – расстояние между скважинами; r0i – радиус фильтра реагирующей скважины в пределах i–того слоя; kmi, ai* – водопроводимость и пьезопроводность i–того слоя; DQi(t); DQn(t) – изменение водопритока i-того слоя в возмущающей и перетока в реагирующей скважинах соответственно; Q0 – дебит скважины; km0 – суммарная водопроводимость разреза.

В третьей главе «Модели водоносных систем» рассмотрены научно-методические вопросы построения и верификации математических моделей. , , , и др.