Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи оптимального управления эксплуатационными запасами МПВ на стадии эксплуатационной разведки 11
1.1. Задачи оптимизации и управления при разработке месторождений подземных вод 11
1.2. Состояние вопроса 15
1.3. Основные принципы "АСУ-водозабор" на стадии эксплуатационной разведки 22
Глава 2. Гидрогеологические условия Кувлусского месторождения подземных вод 30
2.1. Особенности геологического и гидрогеологического строения территории 30
2.1.1. Физико-географические условия 30
2.1.2. Особенности геологического строения района 31
2.1.3. Гидрогеологические условия территории 37
2.2. Гидрогеологические условия альб-сеноманского еодоносного комплекса в связи с его эксплуатацией действующими водозаборами 49
2.2.1. Общие сведения о режиме эксплуатации альб-сеноманского водоносного комплекса 49
2.2.2. Особенности технических условий эксплуатации месторождения 51
2.2.3. Особенности нарушенного гидродинамического режима первого альбского водоносного
горизонта 59
2.2.4. Особенности гидрогеохимического режима первого альбского водоносного горизонта в процессе его эксплуатации 66
Глава 3. Принципы и методы построения геолого-математических моделей при "АСУ-водозабор" 74
3.1. Виды моделей 74
3.2. Построение гидрогеологических моделей на основе индуктивного метода самоорганизации моделей на ЭВМ. 77
3.2.1. Сущность метода 77
3.2.2. Построение гидродинамических моделей для краткосрочного прогнозирования 87
3.2.3. Построение гидродинамических моделей для долгосрочного прогнозирования 95
3.2.4. Построение гидрогеохимических моделей 105
3.3. Построение гидродинамических моделей с обобщенной структурой 112
3.3.1. Схематизация условий работы водозаборов, эксплуатирующихся с переменным во времени дебитом 114
3.3.2. Определение обобщенных гидродинамических параметров по данным эксплуатации водозабора 121
3.4. Построение модели гидравлической системы "пласт-скважины-насосы-водоводы". 137
Глава 4. Оптимальное управление режимом эксплуатации действующего водозабора 147
4.1. Критерии выбора оптимального режима эксплуатации водозабора 147
4.2. Математическая постановка задачи управления 160
4.3. Характеристика оптимальных условий эксплуатации исследуемого водозабора 170
4.4. Рекомендации по проведению гидрогеологических исследований и обработке данных для решения задачи оптимального управления эксплуатацией водозабора. 179
Заключение 185
Список литературы 188
- Основные принципы "АСУ-водозабор" на стадии эксплуатационной разведки
- Гидрогеологические условия альб-сеноманского еодоносного комплекса в связи с его эксплуатацией действующими водозаборами
- Построение гидрогеологических моделей на основе индуктивного метода самоорганизации моделей на ЭВМ.
- Характеристика оптимальных условий эксплуатации исследуемого водозабора
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 гг. и на период до 1990 г.", принятых ХХУІ съездом КПСС, указывается на необходимость улучшения охраны водных ресурсов от истощения и загрязнения, их рационального использования, создания автоматизированных систем управления водохозяйственными комплексами. В этой связи актуальной является проблема рационального использования и управления эксплуатационными запасами, решение которой на стадии эксплуатационной разведки может осуществляться путем создания ".АСУ - водозабор". Наиболее целесообразным является функционирование такой системы для месторождения подземных вод в районах с аридным климатом, запасы которых ограничены, а их эксплуатация осуществляется без восполнения.
Одним из препятствий интенсивного развития Казахской ССР и использования ее богатейших природных ресурсов является отсутствие крупных источников пресной воды. В районе полуострова Мангышлак открыты богатейшие месторождения нефти, сырья для химической промышленности, однако этот район практически полностью лишен пресной воды. Водоснабжение полуострова осуществляется из двух источников: месторождения слабоминерализованннх подземных вод и за счет опресненной на испарительных установках морской воды из Каспийского моря. При смещении в определенных пропорциях достигается получение воды, используемой для хозяйственно-питьевых целей, по качеству удовлетворяющей ГОСТ.
Куюлусское месторождение располагается в краевой северо-западной части Юшо-Мангышлакского артезианского бассейна. Подземные слабосолоноватые воды с минерализацией до 5 г/л заключены в отложениях альб-сеноманского комплекса. Запасы подземных вод месторождения ограничены. Эксплуатация осуществляется практически без их восполнения за счет сработки статических упругих и гравитационных запасов водоносных пластов. Отсутствие других источников водоснабжения полуострова определяет необходимость выбора и поддержания рациональных условий эксплуатации Куюлусского месторождения подземных вод действующими водозаборами.
Для решения этой проблемы МГРИ им. С.Орджоникидзе проводит изучение гидрогеологических условий Ккно-Мангышлакского артезианского бассейна с целью выбора оптимальных условий эксплуатации подземных вод альб-сеноманского водоносного комплекса.
Основной целью исследований автора являлось гидрогеологическое обоснование оптимального управления эксплуатацией месторождения подземных вод в краевой части крупного артезианского бассейна на основе "АСУ - водозабор".
Задачи исследований включали:
разработку основных принципов построения "АСУ-водозабор";
изучение гидрогеологических особенностей длительной высоко-дебитной эксплуатации МПВ действующими водозаборами с целью выявления основных режимообразующих факторов и выделения этапов для построения, обучения и проверки геолого-математических моделей;
разработку методов построения моделей для кратко- и долгосрочного гидродинамического и гидрогеохимического прогнозирования на основе многолетних режимных наблюдений;
разработку гидрогеологической и математической постановки, алгоритмов и вычислительных программ для решения задачи оптимального распределения дебитов между водозаборными скважинами и выбо-
pa рационального насосного оборудования для его реализации на стадии эксплуатационной разведки;
5) апробацию разработанной методики на конкретном МПВ и выда
чу рекомендаций по проведению гидрогеологических исследований и
обработке их данных для решения задачи "АСУ-водозабор".
Методика исследований основана на:
а) комплексном гидрогеологическом анализе, статистической и детерминированной обработке гидродинамических, гидрогеохимических и технических наблюдений за нарушенным режимом ПВ на действующем водозаборе;
6) построении на ЭВМ геолого-математических и технико-эконо
мических моделей эксплуатации MDB на основе Метода Группового
Учета Аргументов (МТУА);
в) выполнении аналитических расчетов и имитационных исследова
ний на ЗДЛ, оборудованных графическим дисплеем;
г) применении методов нелинейного программирования для решения
оптимизационных задач.
Научная новизна заключается в следующем:
разработаны принципы построения системы управления режимом -работы действующего водозабора, расположенного в краевой части крупного артезианского бассейна и имеющей целью максимальное продление срока его эксплуатации при заданных ограничениях на суммарный водоотбор и качество добываемой воды;
впервые для данного МПВ получены индуктивные геолого-математические модели на основе МГУА;
разработана методика составления кратко- и долгосрочных гидрогеологических прогнозов на основе индуктивного метода самоорганизации моделей на ЭВМ, позволяющего по небольшому числу опытных данных в условиях помех при проведении измерений получить количественные характеристики прогнозируемых процессов;
предложены способ схематизации режима работы водозабора с переменным во времени водозабором и приближенные формулы для определения понижения уровня подземных вод;
разработаны методы определения на основе многолетних режимных наблюдений обобщенных гидродинамических параметров пласта с использованием ЭВМ, оборудованных графическим дисплеем;
разработана комплексная математическая модель "пласт-скважины-насосы-водоводы" , позволяющая с учетом гидродинамики пласта оперативно подбирать рациональное насосное оборудование для поддержания оптимального варианта эксплуатации водозабора;
предложена и апробирована на действующем водозаборе методика нелинейного программирования для нахождения оптимального распределения дебитов между водозаборными скважинами.
В основу диссертации положены результаты собственных научных исследований автора, а также коллектива сотрудников кафедры гидрогеологии Московского ордена Трудового Красного Знамени геологического института им. С.Орджоникидзе по хоздоговорной тематике на полуострове Мангышлак. Автор принимает в них непосредственное участие с 1977 г. по настоящее время в качестве исполнителя темы по разработке гидрогеологических принципов оптимального управления эксплуатации месторождения подземных вод на основе "АСУ -водозабор" с использованием ЗВМ.
В процессе исследований автором применительно к поставленной задаче обобщен опубликованный опыт решения оптимизационных задач на стадии эксплуатационной разведки месторождения подземных вод, изучены методы построения геолого-математических моделей, обработаны данные 22-летнего периода наблюдений на действующем водозаборе более чем по 60 скважинам, выполнен большой объем модели-
рования и экспериментальных исследований на ЗВМ, в том числе в диалоговом режиме.
Работы выполнялись в тесном содружестве с производственной организацией, обеспечивающей централизованное водоснабжение полуострова Мангышлак. Это позволило автору совместно со службой эксплуатации и сотрудниками ИВЦ внедрить автоматизированную систему управления действующим водозабором. Ее функционирование в течение трех лет позволило управлять водоотбором из эксплуатационных скважин, контролировать рациональное использование насосного оборудования, работающего в режиме максимальных значений КЦД. Все это привело к возможности увеличения водоотбора го сравнению с проектным на 5,7$, что обеспечило экономический эффект в сумме 57,6 тыс.рублей в год.
Основные положения диссертации опубликованы в 5 статьях и докладывались на двух научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МЕТИ (1983, 1984 гг.); на научном семинаре "Методические и организационные основы АСУ в подотрасли "Гидрогеология" в г. Ташкенте, 1978 г.; на Всеуральском научно-координационном совещании по рациональному использованию и охране подземных вод Урала и сопредельных регионов в г. Свердловске, 1983 г.; на Всесоюзном семинаре "Методы анализа и обработки гидрогеологических данных для прогноза ресурсов подземных вод" в г. Кингисеппе Эст. ССР, 1983 г.; на научно-техническом семинаре "Математическое моделирование гидрогеологических процессов" в г. Новосибирске, 1984 г.
Диссертация состоит из четырех глав.
В первой главе излагается состояние изученности проблемы оптимизации и управления при разработке месторождения подземных вод и формулируются основные принципы построения "АСУ-водозабор".
Во второй главе содержатся основные сведения об особенностях
геологического строения и гидрогеологических условий Кушусского месторождения и анализируются особенности гидродинамического и гидрогеохимического режима подземных вод и технические аспекты эксплуатации водозабора применительно к проблеме его оптимального управления.
В третьей главе излагаются виды и эффективные методы построения на ЭВМ геолого-математических и технических моделей для решения оптимизационных задач. Рассматривается применение индуктивного метода самоорганизации моделей на ЭВМ для кратко- и долгосрочных гидродинамических и гидрогеохимических прогнозов и методы построения полуфизических моделей с обобщенными структурой и параметрами. Глава завершается описанием гидравлической модели всего водозабора, учитывающей наряду с гидрогеологическими условиями технические аспекты эксплуатации.
В четвертой главе рассматривается гидрогеологическая и математическая постановки "АСУ-водозабор", предлагаются критерии и методы решения оптимизационных задач, приводится характеристика рациональных условий эксплуатации Куюлусского месторождения. В конце главы изложены основные рекомендации по проведению гидрогеологических исследований и обработке опытных данных для оптимального управления режимом работы действующего водозабора и всего месторождения в целом.
Работа выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора И.К. Гавич, которой автор выражает глубокую и искреннюю благодарность. За ценные советы и замечания автор благодарит чл.-корр. АН УССР, д.т.н., проф. А.Г. Ивах-ненко; к.г.-м.н., доц. Н.Н. Ленченко; к.т.н., доц. А.В. Михайлову; к.ф.-м.н., ст.н.с. М.А. Александрова; к.г.-м.н., ст.н.с. А.И. Кошулько. За поддержку и внимание при выполнении настоящей
работы автор выражает признательность всем сотрудникам кафедр гидрогеологии, математики, технической кибернетики МГРИ и организации, осуществляющей водоснабжение полуострова Мангышлак.
- II -
Основные принципы "АСУ-водозабор" на стадии эксплуатационной разведки
Рассмотрим задачу оптимального управления режимом эксплуатации месторождения подземных вод в постановке, когда известно местоположение водозаборных скважин и задан их проектный суммарный водоотбор, а целью управления является максимальное продление срока работы водозабора имеющимся в наличии насосным оборудованием (схема 1а 2» рис. I)s. Это условие выполняется при одновременном достижении уровнями воды в эксплуатационных скважинах своих предельно-допустимых значений, обусловленных помимо гидрогеологических условий характеристиками используемых погружных электронасосов. При этом водозаборными скважинами извлекается наибольшее количество подземной воды, что при заданной величине суммарного водоотбора приводит к максимальному продлению срока эксплуатации водозабора и всего месторождения в целом. Параметрами управления в этом случае являются дебиты водозаборных скважин, регулируя которые можно достичь цель управления. Основными способами управления режимом работы всего водозабора являются: а) регулирование водоотбора при помощи задвижек; б) регулирование водоотбора путем рационального выбора ново го насосного оборудования при выходе из строя старого; й Экологическая обстановка в настоящей работе не рассматривается. в) регулирование путем создания сети резервных скважин. Первый способ целесообразен для водозаборов, эксплуатирующихся самоизливом. Уменьшать дебит скважин, эксплуатирующихся электронасосом, при помощи задвижки нецелесообразно в связи со снижением КПД насоса и быстрым выходом его из строя. В этом случае регулирование осуществляется выбором нового насоса при выходе из строя старого (второй способ). Здесь необходимы контроль за КПД насоса. При снижении КПД ниже критического (обычно 30-40$) он рекомендуется к отключению и выбирается рациональная марка нового насоса. Это позволяет эксплуатировать электронасосы в оптимальном режиме, экономить эксплуатационные затраты на электроэнергию и повторно использовать электродвигатели извлеченного из скважин насосного оборудования. Регулирование созданием сети резервных скважин (третий способ) представляет собой частный случай первого и второго (в скважине полностью перекрыта задвижка или не подключен электронасос). Резервная скважина может быть в любой момент введена в эксплуатацию, а какая-то другая - выключена и переведена в разряд резервных. Такое регулирование возможно при достаточном количестве эксплуатационных скважин, когда максимально возможный суммарный водоотбор из них превышает требуемый. Если в задачу управления этапом входит переоценка эксплуатационных запасов подземных вод с расширением водозабора, то в понятие резервные скважины могут быть введены бурящиеся новые эксплуатационные скважины. На рис. 2 приведена классификация водозаборных скважин по условиям насосной эксплуатации, где выделены основные параметры управления. Из нее видно, что управлять режимом насосной эксплуатации возможно за счет создания сети резервных скважин.
Оптимальное управление работой водозабора, основной задачей которого является выработка рекомендаций по текущему режиму эксплуатации скважин, осуществляется в течение всего периода эксплуатации месторождения подземных вод. Для этого на базе информационно-вычислительного центра (ИВЦ) создается автоматизированная система управления водозабором ("АСУ-водозабор"), регулирующая текущий режим работы водозабора в течение всего срока его эксплуатации, определяя перманентно оптимальные величины дебитов для каждой водозаборной скважины и выбирая рациональное насосное оборудование для их реализации. На основе деятельности "АСУ-водозабор" производится при необходимости переоценка эксплуатационных запасов подземных вод, уточняются гидродинамические и гидрогео-,химические и другие прогнозы. Все это повышает эффективность работы водозабора и позволяет вести эксплуатацию насосным оборудованием в режиме максимальных значений его КПД. При этом осуществляется машинная обработка всех данных наблюдений за режимом подземных вод и условиями технической эксплуатации водозабора. Разработанная "АСУ-водозабор" базируется на использовании многолетних наблюдений за режимом подземных вод и в структурном отношении включает в себя пять алгоритмизированных и реализованных на ЭВМ блоков (рис. 3): а) обработка данных; б) накопления и хранения информации; в) построения и уточнения математических моделей; г) гидродинамических, гидрогеохимических и технико-экономических прогнозов; д) оптимизации и выбора насосного оборудования. Общий алгоритм решения задачи оптимального управления режимом работы водозабора включает семь этапов и заключается в следующем
Гидрогеологические условия альб-сеноманского еодоносного комплекса в связи с его эксплуатацией действующими водозаборами
АСВК в пределах северо-западной части КМАБ эксплуатируется в настоящее время тремя водозаборами: Куюлусским, Уланакским и Асарским. Два последних располагаются относительно первого на расстоянии, соответственно, 25 км к северу и 60 км к юго-востоку. Суммарный расход их составляет около 10$ от общего водоотбора. Выполненные МГРИ в 1976 г. гидродинамические прогнозы уровня подземных вод показали, что на период до 2000 г. их влияние на первый водозабор будет незначительным и дополнительные понижения уровней в центре водозаборного ряда не будут превышать 12-15 м /130/. Поэтому в настоящей работе рассматривается только эксплуатация Куюлусского водозабора, который является основным источником централизованного водоснабжения Мангышлакского территориально-производственного комплекса.
Этот водозабор эксплуатируется с 1962 г. с постоянно увеличивающимся суммарным расходом, ход которого показан на рис. 10. Скважины водозабора вскрывают сеноманский, первый и второй альб-ские горизонты раздельно. С 1979 г. началась эксплуатация скважин, вскрывающих совместно второй и третий альбские горизонты. Суммарный водоотбор за период с 1962 по 1980 гг. возрос в 24 раза, причем основной водоотбор осуществлялся из первого альбского водоносного горизонта (рис. 10). Дальнейшее увеличение суммарного водоотбора, в настоящее время, сдерживается пропускной способностью магистрального водовода. За время эксплуатации извлечено порядка 370 млн.м3 подземной воды, 80$ которой приходится на первый альб-ский горизонт, 11$ - на сеноманский, 6% - на второй альбский, 3%-на второй и третий альбские горизонты совместно.
Одновременно с началом эксплуатации подземных вод по настоящее время по всем 50 водозаборным и 37 наблюдательным скважинам проводятся наблюдения за понижениями уровней подземных вод, деби-тами эксплуатационных скважин, изменением минерализации и качественного состава отбираемой воды. Данные многолетних наблюдений обобщены в работах МГРИ /130,131 и др./, в которых автор принимал непосредственное участие с 1977 г. Рассмотрим главные особенности гидродинамического и гидрогеохимического режима первого альбского водоносного горизонта и технических условий его эксплуатации применительно к исследуемой проблеме. Исследуемый водозабор представляет собой линейный ряд из 29 эксплуатационных скважин, вытянутый в м&ридиальном направлении (рис. II). Величина расстояния между скважинами составляет в среднем 1500 м, и, соответственно, общая длина водозаборного ряда -42 км.
Из каждой скважины вода поступает через подводящий водовод в сборный трубопровод, который соединяется с насосной станцией второго подъема в центре водозабора (между скв. 14 и 15). Из скважин северной части водозабора, расположенных гипсометрически выше насосной станции, вода поступает в сборный резервуар самотеком, по южному - под напором. В таблице I представлены геометрические размеры подводящих и сборного водоводов, различия в абсолютных отметках устья скважины и уровня воды в сборном резервуаре, средние величины гидравлических потерь напора в сборном водоводе. Последние могут быть существенными, их необходимо учитывать при оптимальном распределении дебитов между водозаборными скважинами, что будет показано в главе 4.
На станции второго подъема вода собирается в сборном резервуаре , из которого непрерывно с помощью насосов по двум ниткам магистрального трубопровода подается к потребителю. Весь период работы водозабора с 1962 г. по настоящее время по условиям его эксплуатации может быть разделен на два периода: фонтанирования скважин и принудительного водоотбора при помощи погружных и поверхностных насосов.
Водозаборные скважины до начала эксплуатации обладали большими избыточными напорами от 80 м на севере водозаборного ряда до 210 м на гаге (табл. I) и их эксплуатация проводилась при помощи дросселирующих шайб, гасящих напоры. К 1972 г., по истечении 10 лет работы водозабора в режиме фонтанной эксплуатации, избыточные напоры над устьем скважин в значительной степени сработались и начался перевод водозаборных скважин на режим насосной эксплуатации. В настоящее время более 80% скванин эксплуатируется погружными электронасосами типа ЭДВ. Отметки пьезометрического уровня относительно поверхности земли располагаются неравномерно и составляют от 90 м на севере водозаборного ряда (скв. 24-26) до +40 м на юге (скв. 1-3). Положение пьезометрического уровня по створу эксплуатационных скважин на различные моменты времени показаны на рис. 12.
Построение гидрогеологических моделей на основе индуктивного метода самоорганизации моделей на ЭВМ.
Математические модели разнообразных сложных систем строятся по экспериментальным данным наблюдений рациональным перебором на ЭВМ многих вариантов. Б теоретическую основу метода положены: принцип внешнего дополнения по К.Геделю и вытекающее из него деление исходных данных определенным образом; принцип неокончательности решений по Д.Габору, связанный с понятием "свободы выбора" и принцип многорядной селекции моделей. Эти предпосылки позволяют утверждать,что математическое описание объекта имеет оптимум сложности, при котором модель наиболее устойчива: при постепенном усложнении математического описания модели некоторые критерии сначала снижаются, доходят до минимума, а затем начинают увеличиваться. ЭВМ при помощи перебора способна находить минимум критерия и соответствующую ему единственную модель оптимальной сложности. Такой индуктивный под- ход направлен на всеменое уменьшение априорной информации, необходимой для моделирования. Роль человека сводится к организации перебора (поочередного опробования) многих моделей на ЗВМ. Он указывает ЭВМ: а) критерий выбора модели; б) таблицу исходных данных; в) вид опорной функции и степень ее сложности; г) алгоритм генерации и перебора моделей. а) Критерий выбора модели. Эффективными являются так называемые внешние критерии, они обладают свойствами внешнего дополнения,т.е. содержат в себе новую внешнюю информацию и строятся с учетом разделения исходных данных на обучающуюся (А), проверочную (В) и экзаменационную (С) последовательности. По данным первой строятся модели-претенденты и оцениваются их коэффициенты, а выбор лучшей модели - оптимальной сложности - осуществляется по минимуму внешнего критерия на второй. Третья служит для проверки прогнозирующей способности модели и оценки оптимального разделения исходных данных.
В работе /42/ показано, что перебор моделей по внутреннему критерию, т.е. основанному на всех опытных данных (например, среднеквадрати-ческая ошибка, рассчитанная по всем точкам), приводит к тупику -"чем сложнее модель, тем она лучше". На рис. 16 приведены типовые графики изменения внутреннего и внешнего критериев от сложности модели. Выбор того или иного внешнего критерия зависит от целей моделирования. Наибольшее распространение получили критерии регулярности (Кр), минимума смещения (Кем), баланса переменных (Кб), а также комбинированные критерии. Характеристика их дана в табл. 7. 1 итед)ий_регу:лящости представляет собой среднеквадратическую ошибку по данным проверочной последовательности где ХЇ , ХІ - фактические и полученные на модели значения функции в і -ой точке; М& - количество точек, отнесенных к проверочной последовательности. С помощью этого критерия в качестве лучшей можно отобрать модель , малочувствительную к небольшим изменениям исходных данных. Такая модель дает небольшую ошибку на новых точках и используется при краткосрочных прогнозах. !фитерий_мшимума смещения, требует максимального совпадения значений выходной величины двух моделей, полученных на двух различных частях таблицы исходных данных где X/ . ХІ - значения функции в / -ой точке по двум моделям, полученным на последовательностях А и В. Критерий позволяет выбрать модель, наименее чувствительную к изменению множества опытных точек, по которым она получена. Он требует, чтобы модель давала одинаковые результаты на последовательностях опытных данных А и В. Этот критерий позволяет решать задачи восстановления закона скрытного в зашумленных экспериментальных данных и поэтому рекомендуется для решения задачи идентификации. Критерий может использоваться и для долгосрочного прогнозирования монотонных процессов, когда выбор модели оптимальной сложности удовлетворяет условию: "модель вчера, сегодня и завтра должна быть одной и той же". Модели, найденные по минимуму критериев регулярности и несмещенности, совпадают при точных данных. При зашумленных исходных данных минимум критерия регулярности смещается влево, в сторону более простых моделей (рис. 17). Основная идея крите ш_баланса_пеі еменннх состоит в том, что законы (зависимости), открытые на интервале интерполяции должны выполняться и на интервале экстраполяции, т.е. в области прогнозов. Запись критерия баланса переменных зависит от вида зависимости, связывающей переменные. Допустим, известно, что Ф = / (Ж , Ад ,..., Хп) тогда уравнение баланса переменных примет вид Ф - / ( Х , Хг t Хп ) = 0, а критерий баланса переменных запишется в общем виде как где Т2 - Tj - интервал времени, включающий в себя точку прогноза. Б задачах, где баланс переменных неизвестен, он может быть открыт при помощи критерия минимума смещения. Критерий баланса переменных позволяет построить модель для однократного долгосрочного прогноза, удовлетворяющего условию: закон связи между переменными до и в процессе прогноза должен быть одинаковым. Часто используют комбинированные критерии /43/.например, вида: где #смтйХ , MpmQX , Us mot " максимальные значения соответствующего-критерия из всех возможных комбинаций моделей. Такой подход позволяет полнее формализовывать требования к исходной модели. Если применение комбинированного критерия связано с большим объемом вычислений, то для ускорения времени счета используется последовательное применение ряда критериев. По первому выбирается р (свобода выбора) лучших моделей претендентов, из которых уже по второму выбирается модель оптимальной сложности.
Характеристика оптимальных условий эксплуатации исследуемого водозабора
Рассмотрим изложенную выше математическую постановку задачи оптимального управления режимом работы действующего водозабора применительно к исследованному месторождению подземных вод. Период его эксплуатации, как отмечалось ранее, разделяется на два крупных периода: фонтанирования и насосной эксплуатации. Выполненные И.К. Гавич, Н.Н.Ленченко, А.В .Михайловой исследования по вибору оптимального режима эксплуатации /27/ позволили продлить период само- . излива на полгода. В настоящее время большинство скважин эксплуатируется погружными электронасосами с высотой водоподъема до 180м и ставится задача такого управления режимом водоотбора, при котором осуществляется наиболее пропорциональная величинам предельно-допустимых понижений сработка уровней подземных вод, обеспечение заданного суммарного водоотбора и требуемого качества добываемой воды.
Созданная на базе ЗВМ в 1978-80 гг. и функционирующая по настоящее время автоматизированная система управления водозабором позволяет находить оптимальный вариант работы скважин на длительную
Для каждого водоносного горизонта на втором этапе на период до 2000 г. определены оптимальные среднегодовые дебиты каждой скважины. На рис. 43 представлены эпюры распределения дебитов по скважинам первого альбского горизонта для существующего водозабора (а) и при его расширении (б). Выполненный анализ полученных результатов показывает, что необходимо увеличивать водоотбор из центральной и южной частей водозабора при его уменьшении из северной. Это приведет к тому, что уровни подземных вод будут располагаться ниже поверхности земли пропорционально- величинам предельно-допустимых значений (с учетом разницы, в абсолютных отметках скважин и насосной станции второго подъема и гидравлических потерях напора в сборном водоводе )на отметках 60-100 м при существующей схеме водозабора и II0-I50 м при его расширении (рис.44а, 446). При этом будет обеспечиваться проектный суммарный водоотбор, а средневзвешенное значение минерализации отбираемой воды не превысит предельно-допустимую величину 3 г/л. Рациональным будет являться использование погружных электронасосов следующих марок: ЭДВ 8-25-100, ЭДВ 8-25-150, ЭДВ 8-40-165 для северной части водозабора и ЭДВ 10-63-65, ЭЦВ I0-63-II0, ЭДВ I0-I20-II5, ЭДВ 12-160-100 для центральной и южной.
Полученные в результате оптимального распределения суммарного расхода для заданной схемы расширения водозабора /131/ небольшие дебиты новых скважин показывают, что их бурение в северной части является недостаточно обоснованным. С одной стороны низкая минерализация и возможность подачи воды самотоком, с другой - значительная сработка подземных вод относительно предельно-допустимых величин понижений говорят о необходимости выбора рациональной схемы расширения водозабора на основе экономических критериев, где в качестве ограничений должны рассматриваться гидрогеологические и технические условия эксплуатации. Решение этой задачи автор относит к задачам дальнейших исследований. Оперативное управление текущим режимом эксплуатации осуществляется на действующем водозаборе начиная с 1978 г. по настоящее время. Результаты управления показаны в табл. 18 и на рис. 45. Все скважины водозабора были сформированы в 7 групп. В табл. 18 представлены значения коэффициентов пропорциональности снижения уровня L- -г по группам водозаборных скважин, одинаковые величины которых характеризуют оптимальный режим эксплуатации, а на рис.45 приведена эпюра отклонения коэффициента Д для групп скважин от среднего значения по всему водозабору. Из них видно, что за период функционирования "АСУ-водозабор" эксплуатация скважин осуществлялась в режиме, близком к оптимальному. Кроме этого имеется тенденция к уменьшению величины отклонения Д L от оптимального режима с 20% в 1979 г. до 5-7$ в 1983 г. Постоянное невыполнение плана водоотбора из первой группы объясняется техническими сложностями перевода самоизливающихся скважин в режим принудительной эксплуатации. Для остальных шести групп, скважины которых эксплуатируются погружными электронасосами, величина отклонения от оптимального режима составляет в настоящее время 2-4$. Средняя минерализация отбираемой воды из первого альбского водоносного горизонта составляет 2,7-2,8 г/л, что не превышает предельно-допустимое значение, равное 3 г/л.
Такая пропорциональная сработка эксплуатационных запасов подземных вод наряду с учетом гидравлических характеристик сборного водовода и выбором рационального насосного оборудования для обеспечения оптимальных условий работы водозабора позволили при вводе в эксплуатацию станции подкачки воды на магистральном трубопроводе увеличить суммарный водоотбор по сравнению с проектным на 5.7$. Это обеспечило с учетом затрат на разработку и внедрение "ІСУ-во-дозабор" экономический эффект в размере 57,6 тысяч рублей в год.
