Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая характеристика техногенного воздействия горнодобывающих предприятий урала на окружающую среду, характеристика природных условий изучаемого района 9
1.1. Особенности техногенного воздействия горнодобывающих предприятий на геологическую среду Уральского региона 9
1.2. Общие сведения о районе исследований 14
1.3. Климат и гидрометеорологическая характеристика 16
1 А. Геологические условия 17
1.4.1. Стратиграфия и литология 18
1.4.2. Тектоника и трещиноватость горных пород 22
1.5. Гидрогеологические условия 24
1.6. Изменение гидродинамической и гидрохимической обстановки под влиянием горнодобывающей деятельности 33
1.6.1. Анализ изменения гидродинамической обстановки 33
1.6.2. Анализ изменения гидрохимической обстановки 40
Выводы по разделу 42
Глава 2. Методы решения природоохранных задач в районах ликвидируемых горнорудных предприятий и анализ состояния вопроса 45
2.1. Основные понятия и необходимые сведения из теории оптимального управления, системного анализа, математического программирования и теории исследования операций 46
2.2. Анализ решения задач природоохранной оптимизации и эффективного управления природными ресурсами 50
2.3. Анализ методов решения задач оптимизации и управления в гидрогеологических исследованиях 53
2.4. Анализ постановок задач оценки риска развития опасных процессов как задач оптимизации 63
2.5. Общие положения постановки природоохранных задач в районах ликвидируемых горнодобывающих предприятий 66
2.6. Методы решения гидродинамических задач в области влияния технических и техногенных водоемов 69
Выводы по разделу 73
Глава 3. Анализ и прогноз гидродинамической обстановки, методика и результаты геофильтрационного моделирования 75
3.1. Методика решения задач геофильтрации в области влияния ликвидируемого горонорудного месторождения 76
3.2. Схематизация гидрогеологических условий объекта исследований 80
3.2.1. Внешние границы модели 80
3.2.2. Стратификация модели 83
3.2.3. Внутренние граничные условия 83
3.2.4. Фильтрационные параметры 88
3.3. Уточнение гидрогеологических условий путем решения задач в стационарной постановке (эпигнозное моделирование в стационарной постановке) 90
3.4. Уточнение гидрогеологических условий путем решения обратных задач в нестационарной постановке (эпигнозное моделировние в нестационарной постановке) 102
3.4.1. Решение тестовых задач численного моделирования нестационарного функционирования техногенных водоемов 103
3.4.2. Решение эпигнозных задач в нестационарной постановке на объекте исследования 109
3.5. Решение прогнозных задач 110
Выводы по разделу 113
Глава 4. Методика решения задач оптимизации и управления работой вертикального дренажа при борьбе с подтоплением территорий 117
4.1. Постановка задачи оптимизации работы вертикального дренажа 117
4.1.2. Постановка задачи оптимизации работы вертикального дренажа на объекте исследо вания 122
4.2. Методика решения оптимизационной задачи при борьбе с подтоплением сельскохозяйственных земель 123
4.2.2. Методика решения задачи управления дебитом откачки при поддержании уровня подземных вод на необходимой глубине залегания при решении мелиоративных задач 133
4.3. Методика решения оптимизационной задачи осушения населенного пункта 138
4.3.1. Методика решения оптимизационной задачи осушения населенного пункта группой скважин, расположенных произвольно внутри области 146
4.3.2. Методика решения задачи управления дебитом откачки для населенного пункта 154
Выводы по разделу 158
Заключение 161
Литература
- Климат и гидрометеорологическая характеристика
- Анализ решения задач природоохранной оптимизации и эффективного управления природными ресурсами
- Схематизация гидрогеологических условий объекта исследований
- Методика решения оптимизационной задачи при борьбе с подтоплением сельскохозяйственных земель
Введение к работе
Актуальность проблемы. Уральский регион является территорией, длительное время испытывающей интенсивное воздействие предприятий горнодобывающего профиля. В течение продолжительного периода разработка полезных ископаемых осуществлялась под защитой дренажа при понижении уровня подземных вод на сотни метров. Хозяйственное освоение прилегающих территорий ориентировалось именно на эту эколого-гидрогеологическую обстановку. В последние десятилетия сложившееся равновесие нарушено. В связи с изменившейся экономической конъюнктурой и истощением запасов происходит массовое закрытие горнодобывающих предприятий. Это коренным образом изменяет складывавшуюся до этого десятилетиями или даже веками гидродинамическ\то и гидрохимическую обстановку в густонаселенных районах. Прекращение водоотлива, затопление карьеров и шахт приводит к формированию техногенных водоемов объемом миллионы кубометров кислых вод; подтоплению ранее освоенных прилегающих территорий; загрязнению подземных и поверхностных вод. Развитие негативных процессов в районе ликвидируемых горнодобывающих предприятий должно быть контролируемым и управляемым. Управление гидродинамической обстановкой и оптимизация экономической и экологической эффективности водоохранных мероприятий в подобных ситуациях является важнейшей составляющей при экологических исследованиях, геоэкологическом мониторинге, проектировании, разработке оптимальной экономической схемы развития территории. Методология такого оперативного управления еще только формируется.
Цель работы. Разработка методов гидродинамического обоснования водоохранных мероприятий в области влияния ликвидируемых горнодобывающих предприятий. Решение задач краткосрочной эколого-экономической оптимизации водоохранных мероприятий.
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
Проанализированы постановка и методы решения задач оптимизации и оценки риска в гидрогеологических и геоэкологических исследованиях.
Проанализированы гидрогеологические и экологические особенности динамики развития негативных природно-техногенных процессов в области воздействия ликвидируемых горнодобывающих предприятий Южного Урала.
Для обоснования инженерных мероприятий и прогноза изменения гидрогеоэкологической ситуации построены и верифицированы математические модели:
а) области гидродинамического влияния типичного ликвидируемого горнодобывающего предприятия;
б) оптимизации работы вертикального дренажа и оперативного управления режимом подземных вод при борьбе с подтоплением территорий в зоне влияния ликвидируемых горнорудных предприятий с учетом экологических критериев и ограничений.
Разработана методика оценки эколого-экономической эффективности водоохранных мероприятий при борьбе с подтоплением для ликвидируемых горнодобывающих предприятий Южного Урала.
Обоснованы инженерные мероприятия (режим работы, количество и расположение дренажных скважин, регламент управления уровнями техногенных водоемов) по предотвращению развития неблагоприятных природно-техногенных процессов в зоне гидродинамического воздействия ликвидируемого горнодобывающего предприятия. Научная новизна заключается в том, что
Предложена методика обоснования водоохранных мероприятий в области влияния ликвидируемых горнодобывающих предприятий Южного Урала, базирующаяся на математическом моделировании и решении задач оптимизации.
Разработан метод численного моделирования нестационарного функционирования техногенных водоемов. Обоснованы способы и приемы схематизации в широко используемых системах моделирования геофильтрации.
Предложены критерий (целевая функция) и ограничения (экологические и технические) для оценки эффективности работы вертикального дренажа методами математического программирования.
Разработаны алгоритмы численно-аналитических решений уравнения нестационарной фильтрации для типовых расчетных схем, позволяющие решать задачи оптимизации и оперативного управления режимом подземных вод.
Обоснованы принципы работы системы оптимального управления режимом подземных вод для объекта исследований, предложен алгоритм работы автоматизированной системы управления.
Защищаемые положения диссертационной работы могут быть сформулированы в следующем виде:
1. Методика обоснования, прогнозирования и оптимизации водоохранной деятельности в области влияния ликвидируемых горнодобывающих предприятий включает: решение методами численного моделирования задач вариантной оптимизации и управления потенциально опасными объектами (техногенные водоемы и водоносные горизонты), решение задачи оперативного управления работой вертикального
дренажа.
Основным этапом создания геофильтрационной модели ликвидируемого горнорудного предприятия является воспроизведение всей гидродинамической истории освоения месторождения с учетом формирования техногенных водоемов.-изменения инфильтрационного питания и фильтрационных параметров.
Влияние техногенных водоемов учитывается как изменяющееся во времени внутреннее граничное условие. Балансовые составляющие взаимодействия водоносного горизонта и водоема определяются путем численного решения системы уравнений в частных производных и интегро-дифференциального уравнения.
Эффективная защита от подтопления, латентного загрязнения поверхностных вод. основывается на управлении уровенным режимом техногенных водоемов и работой вертикального дренажа. Для оперативного управления работой вертикального дренажа используется оптимальное решение, основанное на экономическом критерии при эколого-технических ограничениях.
Объектом исследования является область гидродинамического влияния Межозерного рудника (Верхнеуральская рудная зона - Учалинский ГОК, Южный Урал, бассейн реки Урал). Рудник эксплуатировал медно-колчеданные месторождения, которые в 1956-1982 годах отрабатывались карьерами Объединенный, Юго-Восточный и Золоторудный, глубиной 160, 130 и 50 метров, соответственно, под защитой законтурного дренажа. В настоящее время карьер Юго-Восточный засыпан вскрышными породами. Объединенный затоплен водой до дневной поверхности, Золоторудный используется в качестве шламоотстойного пруда. Нижние этажи месторождения в настоящий момент отрабатываются шахтой. В области, примыкающей к карьерам, отсыпаны отвалы пустых пород площадью 2,2 км2, средней высотой 25 м. Здесь сформировался техногенный водоносный горизонт, ресурсы которого формировались за счет поглощения атмосферных осадков, а начиная с 1995 года, после достижения критических отметок в затопленных карьерах, за счет перетекания из них. В результате радикально изменилась гидродинамическая обстановка, произошло подтопление прилегающих территорий, на порядок увеличился расход кислых подотвальных вод. В районе сложилась ситуация, которая может привести к техногенной катастрофе.
Практическая значимость. Построена представительная геофильтрационная модель объекта исследований, позволившая воспроизвести историю освоения месторождения и обосновать комплекс экстренных мер, направленных на снижение объема кислых вод. циркулирующих в затопленном карьере, шламоотстойнике и техногенном водоносном горизонте отвалов. Оценена краткосрочная эколого-экономическая эффективность раоогы
вертикального дренажа при борьбе с подтоплением, предложен оптимальный режим управления дренажными системами. Разработана рациональная схема водоохранных действий в области влияния потенциально опасных объектов.
Разработанные методы могут быть распространены на объекты-аналоги Уральского региона. Применение предложенного подхода позволяет: повысить достоверность прогноза изменения ситуации в области гидродинамического влияния горнодобывающих предприятий после завершения отработки; разработать комплекс экономически эффективных водоохранных мероприятий для селитебных и сельскохозяйственных территорий; обосновать стратегию предотвращения техногенных аварий; выбрать оптимальную схему водоохранной деятельности для территорий, в пределах которых необходимо проведение осушительных мероприятий при многофакторном антропогенном воздействии.
Реализация результатов. Обоснованные в работе рекомендации по водоохранным мероприятиям, принципы оптимизации работы дренажных систем были учтены при разработке проекта институтом УНИПРОМЕДЬ и к настоящему времени частично реализованы Учалинским ГОКом.
Апробация работы. Основные положения работы освещены в 6 печатных работах. Результаты исследований докладывались на Годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2002); пятом международном конгрессе «Вода: экология и технология» - «Экватэк-2002» (Москва, 2002); международной научной конференции «Экологические проблемы мелиорации» (Москва, 2002).
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 171 страница состоит из введения, четырех глав и заключения, проиллюстрирована 76 рисунками, содержит 12 таблиц и включает 3 приложения. Список литературы, состоит из 126 наименований.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук Н.И. Парфеновой и научному консультанту кандидату геолого-минералогических наук С.Д. Исаевой за научное руководство.
Автор глубоко благодарен профессору кафедры гидрогеологии МГУ Лехову А.В. за ценные консультации и обсуждение результатов, руководству НПФ «ПАНЭКС», техническому директору института УНИПРОМЕДЬ Филюшкину Г.А. и главному инженеру проекта того же института Бородину Г.И. за предоставленные материалы, ведущему гидрогеологу ОГУП ТЦ «Уралгеомониторинг» Филюшкиной Ю.Г. за помощь в оформлении работы.
Климат и гидрометеорологическая характеристика
Формирование химического состава подземных и поверхностных вод в изучаемом районе во многом обусловлено высокой степенью техногенной нагрузки. Разработка и последующая рекультивация месторождений им.ХІХ партсъезда и Узельгинского оказывают существенное влияние на качество природных вод. Результатом интенсивной хозяйственной деятельности явилось изменение условий формирования состава подземных и поверхностных вод.
Речные воды. В естественных условиях вода в реках имела гидрокарбонатный кальциево-магниевый состав и минерализацию 0,24-0,Зг/дм3. В настоящее время вода в реке Узельга гидрокарбонатная натриево-кальциевая с минерализацией 0,6г/дм3. В реке Ялшанка вода также имеет гидрокарбонатный натриево-кальциевый состав и минерализацию 0,4-0,5г/дм . По данным многолетних наблюдений концентрации сульфатов, меди и цинка не превышают предельно допустимые концентрации для хозпитьевого водоснабжения (ПДКбыт)- В последние годы наблюдается тенденция к росту концентраций меди и цинка (прил. 1, табл. 1.2). Хотя резкого ухудшения качества воды в реке не отмечается, влияние загрязненных вод очевидно, тем более, что в р.Узелыу техногенные воды не сбрасываются. Химические элементы в реке Ялшанке ведут себя аналогично [Сарапулова, 2000].
Подземные воды. В естественных условиях подземные воды характеризуются гидрокарбонатным натриевым, натриевым или натриево-кальциевым составом и минерализацией 0,2-0,6г/дм3, иногда до 1г/дм3 с содержанием меди до 0,03мг/дм3, цинка - до 0,035мг/дм3, молибдена до 0,004мг/дм , свинца до 0,003мг/дм [Фельдман, 2000]. В процессе отработки месторождения наблюдалось изменение химического состава подземных вод. Так. в период работы дренажного вооотлива при разработке карьера «Объединенный» отбираемые воды имели гидрокарбонатный натриевый состав, минерализацию 0.7-0,8г/дм и повышенные по сравнению с ПДКбыт концентрации меди, цинка, сульфатов. Отмечалось загрязнение нефтепродуктами и нитратами. Вода в зумпфовом водоотливе карьера «Объединенный» характеризовалась повышенными содержаниями меди и цинка (превышение по сравнению с дренажным водоотливом по концентрации меди в 73 раза, цинка в 4 раза).
В настоящее время химический состав подземных вод центральной части района отличается от южной. В центре хорошо прослеживается техногенное влияние на геологическую среду (фильтрация подотвальных вод и обмен с затопленными карьерами) (прил.1, табл. 1.3). Подземные воды центральной части района характеризуются сульфатным кальциевым составом и минерализацией 1,4 г/дм3, сульфаты, медь и цинк превышают предельно допустимые концентрации для рыбо-хозяйственных объектов (ПДКрыб). Южная часть района ввиду относительной удаленности от источников загрязнения претерпела меньшие изменения. Подземные воды южной части имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав и минерализацию 0,8г/дм3, наблюдаются небольшие превышения ПДКрь,б по меди и цинку. В целом по сравнению с естественными условиями по всей площади района наблюдается увеличение концентраций кальция, магния, гидрокарбонатов, цинка. На юге района постепенно увеличиваются концентрации меди и цинка. В центре прослеживается тенденция к увеличению сульфатов, минерализации [Фельдман, 2000].
Шахтный водоотлив. Вода шахтного водоотлива имеет сульфатный кальциевый состав, минерализацию 1г/дм3. Наблюдаются повышенные содержания сульфатов, меди, цинка, марганца, никеля (по ПДКрь,б)5 щелочная реакция среды. Отмечается тенденция к росту концентраций сульфатов и минерализации (прил.1, табл. 1.5).
Карьер «Объединенный». После окончания отработки месторождения им.XIX партсъезда карьер был затоплен естественным путем, кроме того, в течение нескольких лет в карьер сбрасывались шахтные воды. Вода в карьере характеризуется сульфатным кальциевым составом и минерализацией 2,4г/дм3. Превышение ПДК наблюдается по таким компонентам как сульфаты, медь, цинк, марганец, никель. Концентрации различных компонентов в карьере варьируют по глубине (прил. 1, табл. 1.4). Максимальные концентрации наблюдаются на глубине 25м [Сарапулова, 2000].
Подотвальные воды. Химический состав подоотвальных вод определяется процессами окисления пород отвалов. По составу воды сульфатные кальциевые, средняя минерализация 2,8г/дм3 (до Юг/дм3). Превышения ПДК наблюдаются по цинку, меди, марганцу, свинцу, кадмию, никелю, кобальту, фтору, кальцию, магнию (прил.1 табл. 1.7). Наблюдается тенденция к увеличению концентраций сульфатов, меди и цинка [Сарапулова. 2000].
Шламоотстойный пруд. В Шламоотстйный пруд сбрасываются прошедшие очистку на станции нейтрализации подотвальные и шахтные воды. Воды характеризуется сульфатным кальциевым составом, минерализация 1,9г/дм . Отмечаются превышения ПДК по сульфатам, меди, цинку, марганцу, никелю, кобальту (прил.1, табл. 1.6). Химический состав стабилен во времени [Сарапулова, 2000].
В целом, закономерности формирования химического состава подземных вод представляются следующими. Отмечается линейная связь концентраций сульфат-иона и почти всех микрокомпонентов. Поступление сульфатов происходит в основном на участках свободного обмена системы вода-порода с кислородом и углекислым газом (таких, как участок высачивания подотвальных вод, поверхность отвалов) в результате окисления сульфидов [Mercer, Cohen, 1990].
В трещинно-карстовом водоносном комплексе окисления не происходит, изменение минерализации, рост концентраций сульфатов и микрокомпонентов связаны с поступлением в водоносный комплекс техногенных вод [Motyka, Wiczak, Zuber, 1994]. Следовательно, сульфат-ион можно рассматривать как компонент-индикатор техногенной нагрузки на геологическую среду.
Основным источником загрязнения на сегодняшний день являются подотвальные воды (содержание сульфатов до 5000мг/дм3). До 1999 года формирование подотвальных вод происходило за счет атмосферных осадков, выпадающих на поверхности отвалов. На сегодняшний день до 80% расхода подотвальных вод составляют утечки из карьера Объединенный и Шламоотстойного пруда. Из-за многократного увеличения объемов поступающей воды происходит интенсификация окисления сульфидов и связанный с этим рост содержаний микрокомпонентов [Фельдман, 2000; Сарапулова 2000].
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ
1. Уральский регион является старейшим и наиболее загрязненным горнопромышленным районом России. Столь неблагополучное положение обусловлено следующими причинами: длительностью воздействия предприятий горно-металлургического комплекса; вещественным составом отрабатываемых месторождений (полиметаллические, редкоземельные, угольные); способами разработки и рекультивации; неполным извлечением полезного ископаемого из недр и при обогащении.
2. Истощение многих месторождений полезных ископаемых, изменение экономической конъюнктуры обусловило массовое закрытие горнодобывающих предприятий, по существу затопление горных выработок (так называемая «мокрая консервация»), что приводит к подтоплению прилегающих территорий, освоенных ранее в условиях глубокого водопонижения, и активизации процессов техногенного загрязнения подземных и поверхностных вод.
Анализ решения задач природоохранной оптимизации и эффективного управления природными ресурсами
Предложенные подходы реализовывались различными исследователями при решении геологических, экологических, водоохранных задач, а также задач оптимального природопользования.
Например, в работе [Цхай и др., 1996] рассмотрена задача об оптимизации водоохранной деятельности предприятия в следующей постановке.
Предприятие, отводящее промышленные сточные воды в природные воды, имеет некоторый план водоохранных мероприятий. Существует п возможных мероприятий, каждое из которых может быть включено в план. Вводится л-мерный вектор x=(xi,X2...xn), такой, что для всех к=\,п, х/с=1, если к-е мероприятие включено в план, Хк 0 если мероприятие в план не входит. Затраты на проведение А:-го мероприятия - Хи, к=\,п, суммарные затраты на осуществление набора мероприятий определяются А(х)= Г" Акхк.
Экономические показатели деятельности записываются как функции х: Ф(х) чистая прибыль предприятия, S(x) - себестоимость продукции, В(х) - балансовая прибыль, N(x) -налог на прибыль со ставкой /л, D(x) -выручка, R(x) - платежи за загрязнение водной среды (включают в себя платежи за нормативное Р(х) и F(x) за сверхнормативное загрязнение, G(x) - часть чистой прибыли, оставляемой для финансирования водоохранных мероприятий, Цх) -чистый доход предприятия от продажи лицензий на загрязнение.
Предполагается, что D(x)=D, все мероприятия рассматриваются как капиталовложения. Вводятся следующие ограничения:
1) Проведение водоохранных мероприятий не должно приводить к убыткам, 4.t.0 G(x) B(x)-N(x)-F(x)+L(x)\
2) Ограничения, связанные с объемом финансирования: A(x) J(x)+T(x)+vA(x)+G(x) (./ -субсидии из госбюджета, Т(х)- финансирование из экологического фонда, T(x)=dR(x)).
Из рассмотренных двух ограничений следует, что G/(x) G(x) G2(x), где G,(x)=max{0; A(x)-J(x)(x)- vA(x)}, a G2(x)=B(x)-N(x)-F(x)+L(x). Если выполняется Gi(x) G;(x), то G(x)= Gi(x), то есть предприятие отчисляет минимум средств из чистой прибыли для финансирования наборах водоохранных мероприятий. Иначе (если G\(x) Gi(xJ) набор мероприятий выходит за область допустимых значений.
Авторы следующим образом формулируют целевую функцию: P(x)=B(x)-N(x)-F(x)-G(x)+L(x)-+max. Ограничение на сверхнормативные выбросы: , (-0 B(x)-N(x).
Авторы работы предлагают проводить решение задачи прямым перебором (последовательным поиском) возможных значений вектора х, так как размерность вектора х невелика.
Рассмотренная выше постановка задачи - несколько видоизмененная постановка «классической» задачи об управлении с помощью штрафов и поощрений, широко освещенной для региональных водохозяйственных систем в работах В.Г Пряжинской и других исследователей. [Моисеев, 1981; Математические модели в управлении водными ресурсами, 1988; Математическое моделирование водохозяйственных систем, 1992]. В общем случае задача является задачей поиска управления иерархической системой с изменяемой целевой функцией. Причем задача управления развитием водохозяйственной системы (ВХС) регионального уровня (при определенных допущениях) может быть сведена к задаче линейного программирования, а именно - к многоэкстремальной транспортной задаче [Пряжинская, 1999].
В частности, такой подход был реализован в работе [Григорьев, Наумов 1983], где авторы предлагают следующую постановку задачи оптимизации распределения водных ресурсов в маловодные годы. В связи с тем, что, по мнению авторов, не существует достаточно надежных и достоверных методов определения вероятного ущерба участников водохозяйственного комплекса, авторы предлагают экспертно установить шкаау приоритетов областей народного хозяйства, указав максимально возможные урезки потребностей каждого участка водохозяйственного комплекса.
В таком случае задача оптимизации может быть сформулирована следующим образом - найти такой режим водопотребления, что суммарная нехватка воды с учетом весовых коэффициентов минимальна.
Тогда целевая функция принимает вид: CnUni- тт;Сп= 5 " , где Л /=i количество водохозяйственных участков, rrik - коэффициенты приоритета п-го участника водохозяйственного комплекса (в работе рассматривалось 5 участков), С„ - весовые коэффициенты, U„i - оптимальные значения урезок п-го участника водохозяйственного комплекса на і-м балансовом участке. Вводятся следующие ограничения на целевую функцию: 1) U„i RnVPni, где R„ - максимально возможная урезка «-го участка водохозяйственного комплекса, VP„i требуемый объем водопотребления п-и участником на / 5 /-! 5 (-1 м балансовом участке; 2) Uni +ХХ "і - А +Х А где " ДеФии-ит водных ресурсов на /-ом участке, суммирование по т означает суммирование по всем участкам, расположенным выше /-го. Как видно, целевая функция и ограничения линейны относительно параметров, то есть в такой постановке это задача линейного программирования.
Широкая применимость метода прямого поиска отмечается в работе [Харбух, Бонэм-Картер 1974]. Авторы подчеркивают, что, несмотря на сложности при вычислении, метод является наиболее практически применимым в моделировании. Основное достоинство метода, кроме простой реализации в виде алгоритма для ЭВМ, - возможность построения целевой функции в виде кривой или поверхности. А, следовательно, и доступности проверки чувствительности модели при различных вариациях аргументов. Основной недостаток метода - продолжительное по времени решение задач (при больших массивах входных данных). Авторы иллюстрируют широкие возможности метода - решением задач о максимальном содержании меди в породе из массива проб с определенной территории, экономически оптимальном расположении сети буровых скважин при поиске месторождений полезных ископаемых и т.д. Алгоритмы решения этих задач могут быть реализованы в виде простых программ для ЭВМ.
В работе В.Л. Шустовой [Шустова, 1983] рассмотрена задача стохастического оптимального управления водными ресурсами водохранилища в постановке, при которой модель процесса описывается в терминах метода Монте-Карло. Требуется найти управление и, которое доставляет минимум математическому ожиданию E(Dj) и вариации дефицита водных ресурсов var(DJ), то есть требуется найти: min [E(Df); var( Df)}.
Автор использует ограничения, формирующиеся из балансовых уравнений с учетом потребностей в ресурсе водопользователей, правил отбора и других факторов. Управление и рассматривается как функция фазовой переменной V - объема водохранилища и вероятностного прогноза rf - притока к водохранилищу, боковой приточности рек, осадков в бассейне образующей реки. То есть предлагается постановка задачи поиска таких ограничений водопотребления, при дефиците водных ресурсов, которые минимизируют суммарный ущерб хозяйству.
Схематично последовательность решения задачи оптимизации диспетчерских правил управления можно представить следующим образом: существующие правила управления принимаются за исходные, далее варьируются параметры управления с целью получения и выбора новых режимов, не уступающих по локальным критериям ни одному из прежних. Известно, что совокупность таких режимов является множеством Парето для такой задачи. Окончательный выбор режима управления - экспертный, с привлечением дополнительной информации. Решение задачи проводится с помощью имитационной модели.
При решении оптимизационных задач, связанных с разработкой природоохранных мероприятий автор считает, что наиболее эффективным представляется метод решения оптимизационной задачи рассмотренный в работе [Цхай и др, 1996] в связи с простотой программной реализации метода решения и возможности получения критерия эффективности в доступном для дальнейшего анализа виде.
Схематизация гидрогеологических условий объекта исследований
Проведенный выше анализ методов решения задач оптимизации и управления в гидрогеологических исследованиях позволяет сделать следующие выводы.
Оптимизационные методы используются при решении следующих гидрогеологических задач: оптимизация объемов работ на стадии разведки месторождений подземных вод и при гидрогеологическом картировании, целью решения задачи является получение максимального объема гидрогеологической информации при минимуме капитальных затрат (ограничения в первую очередь экономические); оптимизация размещения водозаборных сооружений и управление их работой (для проектируемых сооружений - определение схемы их оптимального расположения и режима работы, для эксплуатируемых сооружений - оптимальный режим работы). На стадии проектирования критериями оптимальности являются технико-экономические показатели (задан проектный расход водозаборных сооружений, требуется минимизировать затраты или задан общий объем капиталовложений, требуется определить максимально возможный дебит работы водозабора). Для существующих водозаборов критериями оптимальности являются гидрогеологические показатели (задано максимальное время работы водозабора, допустимые понижения, требуется определить максимально возможный расход водозабора или задан проектный расход и допустимое понижение, требуется максимизировать время работы сооружения); оптимизация регламента и объема работ при разработке мероприятий по борьбе с загрязнением подземных вод, цель решения - максимальное снижение экологической опасности (оцениваемой по интегральным показателям) при минимуме затрат; оценка и управление риском при борьбе с загрязнением подземных вод, подтоплением и т.д.; цель - вероятностная оценка возможного экономического ущерба и его вариантная минимизация. Обычно при постановке оптимизационных задач рассматривается достаточно длительные периоды работы инженерного объекта (водозабора 25 лет, мелиоративной системы 15 лет, при разработке мероприятий по борьбе с загрязнением время зачастую не является ограничивающим фактором) и направлено на обеспечение максимально эффективного (в первую очередь с экономических позиций) его использования. Вопрос методического обоснования постановки и решения задач экстренной оптимизации (1-5 лет) водоохраных мероприятий в горнодобывающих районах практически не исследован.
Проведенный анализ состояния проблемы позволил сформулировать основные задачи исследований, заключающиеся в методическом обосновании постановки и решения задач оптимизации водоохранных мероприятий в районе ликвидируемых горнодобывающих предприятий. При этом под оптимизацией понимается исследование возможных состояний области гидродинамического воздействия ликвидируемых горнодобывающих предприятий і при различных водоохранных мероприятиях и выбор, на основе экономических критериев при технико-экологических ограничениях, наиболее эффективной программы действий. Отличия постановки оптимизационных задач при разработке водоохранных мероприятий в районе ликвидируемых горнодобывающих предприятий от традиционных задач оптимизации: - существенные ограничения по времени реализации мероприятий (не более пяти лет); - необходимость учета многофакторности воздействия (в первую очередь гидродинамического - техногенных водоносных горизонтов, затопленных карьеров, шламоотстойников, площади подтопления); - необходимость оценки предотвращенного ущерба от развития неблагоприятных процессов, а не минимизации капитальных затрат; - большое количество экологических ограничений; необходимость разделения постановки задачи для объектов-источников неблагоприятной обстановки (затопленных карьеров, техногенного водоносного горизонта) и для оптимизации мероприятий по борьбе с результатами воздействия этих объектов (борьбы с подтоплением) - из-за отсутствия математического аппарата. позволяющего решать задачу в целом с необходимой степенью инженерной точности. Таким образом, решение задачи оптимизации водоохранных мер на ликвидируемых горнодобывающих предприятиях должно проводится по алгоритму представленному на рис.2.9. После воспроизведения методами математического моделирования гидродинамической истории отработки месторождения необходимо решить две оптимизационных задачи: 1) вариантой оптимизации и обоснования проектных мероприятий на потенциально опасных объектах (затопленных карьерах, шламоотстойниках, техногенного водоносного горизонта отвалов) и 2) оптимизации работы вертикального дренажа при борьбе с подтоплением. Так как объектами, определяющими гидродинамическую обстановку в такой Go Подготовительный этап Создание концептуальной модели Постановка задачи т Оценка достоверности существующей информации Гидрогеологическая схематизация, выявление источников неблагоприятной экологической обстановки, описание процесса, определяющего развитие подтопления Воспроизведение методами математического моделирования гидродинамической истории отработки месторождения, определение характера и степени развития негативных процессов Решение обратных задач Модельная реализация решение прогнозных задач Постановка задач оптимизации водоохранных мероприятий на потенциально опасных объектах (затопленных карьерах и отвалах, техногенных водоносных горизонтах) Решение прогнозных задач как задач вариантной оптимизации при различных инженерных мероприятиях Постановка задачи оптимизации работы вертикального дренажа при борьбе с подтоплением Решение оптимизационных задач с использованием экономического критерия при экологических ограничениях Разработка и обоснование проектных мео Обоснование комплекса водоохранных мероприятий в районе ликвидируемого горнорудного предприятия Рис. 2.9. Алгоритм обоснования природоохранных мероприятий в районе ликвидируемых горнорудных предприятий ситуации, являются техногенные водоемы (затопленные карьеры и шламоотстойные пруды, Глава 1), соответственно, достоверность математических моделей, описывающих их взаимодействие, является определяющей при решении широкого круга водоохранных задач.
Методика решения оптимизационной задачи при борьбе с подтоплением сельскохозяйственных земель
После достижения необходимой площади осушения Foc суммарный расход откачки Осум уменьшается на AQi и решается прогнозная задача определения глубины залегания уровня подземных вод в наблюдательных скважинах. Из решения прогнозной задачи определяется промежуток времени /if/, іт), за который понижение в /-ой наблюдательной скважине достигнет наибольшего допустимого значения S,„ax. Как только, при расходе откачки Ocy.u-dQin уровень понижения в наблюдательной скважине достигнет Smix. расход откачки уменьшается на величину АО і и решается следующая прогнозная задача определения временного промежутка /Ь, ОЛ И так далее до окончания срока эксплуатации дренажной системы /7.
Предложенный алгоритм представляет собой решение прогнозной задачи в системе с «релейным» управлением, то есть системе, где управляющие воздействия осуществляю гея при выполнении некоторого условия. Выполнение такого условия может быть результатом различных реализаций, поэтому оптимальный режим выбирается вручную из некоторого количества прогнозных вариантов. Это связано с невозможностью явно аналитически выразить функцию управления для предложенной постановки задачи из-за сложности математического описания системы в общем виде (когда функция управления должна быть получена из решения уравнения в частных производных) или, например, «инерционности» функции понижения при использовании частного аналитического решения Тейса. когда решение на временном интервале / t -i) зависит от предыдущих решений на интервалах ///./. //,/для \/1 = 0.к [Шестаков, 1995].
С технических позиций решение задачи может быть интерпретировано следующим образом: на первом этапе дренажные мероприятия реализуются в соответствии с решением оптимизационной задачи, то есть проводится откачка из группы скважин с суммарным дебитом ОСУМ. в течение определенного оптимального времени: после достижения необходимого дренажного эффекта суммарный дебит скважин уменьшается, что может быть реализовано либо отключением нескольких дренажных скважин, либо уменьшением среднесуточного суммарного дебита скважин: после этого проводится наблюдение за уровнем подземных вод в наблюдательных скважин либо дискретно (периодические ручные замеры), либо с помощью, например, поплавкового или релейного электрического устройства, настроенного так, что дебит откачки из дренажных скважин автоматически уменьшается при достижении предельно допустимого понижения в наблюдательней"! скважине.
Значение, на которое на каждом шаге уменьшается суммарный дебит откачки. определяется из решения задачи «прогнозного» управления, постановка которой рассмотрена выше. Причем «вес» каждой наблюдательной скважины может быть разным, например, в случае двух наблюдательных скважин переключение может проводится при достижения максимально допустимого понижения в скважине, расположенной на наибольшем удалении вниз по потоку от дренажных (при этом обеспечивается наибольшая площадь осушения), но при этом понижение в скважине, расположенной ближе к дренажным, также не должно превышать допустимое.
С экономических позиций задача управления формулируется следующим образом: найти оптимальное управление (дебит откачки), такое, что затраты на дренажные мероприятия при выполнении ограничений (4.9) будут минимальны (или прибыль максимальна).
На сегодняшний день на объекте исследования сложилась следующая ситуация.
Пространство карьера Объединенный заполнено водой до дневной поверхности. Результатом является подтопление прилегающих территорий, в том числе населенного пункта Межозерный и сельскохозяйственных земель в долине реки Узельга. Существовавшая на момент отработки месторождения дренажная сеть ликвидирована. Таким образом, поселок Межозерный, находящийся в непосредственной близости от заполненного водой карьера Объединенный, не имеет никакой защиты от развития процесса подтопления, связанного с подпором подземных вод. Планируемые мероприятия по ликвидации опасной ситуации, сложившейся. в системе карьеры-отвалы, рассчитаны на несколько лет.
По данным численного моделирования (Глава 3) в режиме наибольшего благоприятствования (быстрой реализации всех водоохранных мероприятий) обстановка изменится минимум через три-пять лет. Ситуация с подтоплением поселка Межозерный уже на сегодняшний день характеризуется большой степенью опасности по положению уровня грунтовых вод [Методические рекомендации..., 2001], при продолжении серии многоводных лет ситуация превратится в катастрофическую в течение двух-трех лет. Кроме того, в результате ликвидации дренажной сети оказались подтопленными сельскохозяйственные земли в районе долины реки Узельги и поселка Александровский, что привело к их временному выводу из сельскохозяйственного оборота. В связи с высокой минерализацией воды, фильтрующейся из отвалов в долину реки, возникла опасность засоления мочи (представленных в основном черноземами) и окончательной потери их для агропромышленных целей.
Следовательно, первоочередной задачей является борьба с подтоплением прилегающих к карьеру Объединенный. Шламомтстойному пруду и отвалам территорий. Одним из эффективных способов борьбы с подтоплением является вертикальный скважинный дренаж. Использование этого инженерного метода защиты территорий сопряжено со значительными финансовыми затратами. При проектировании необходимо обосновать рациональные дренажные мероприятия при минимуме расходов. Подземные воды подтопленных территорий не удовлетворяют по своему качеству санитарным нормам и не пригодны, без предварительной очистки, ни к использованию, ни к сбросу в речную сеть, что в свою очередь ведет к удорожанию эксплуатации дренажных систем.
Техногенные изменения гидрохимической и гидродинамической обстановки на объекте исследования привели не только к подтоплению урбанизированных территорий, но и активизировали засоление почв в долине реки Узельга. По геохимическому типу ландшафтой исследуемая область относится к кальциевым луговым степям III рода с сернокислым классом водной миграции [Перельман. 1975]. Почвы представлены выщелоченными черноземами, черноземовидными щебнистыми, черноземно-луговыми и болотными типами почв, используются в сельскохозяйственных целях, как для полевого севооборота, так и как выгонные и сенокосные участки (рис. 4.2).
Методами геофильтрационного моделирования было установлено, что подземные воды территории, занятой сельскохозяйственными угодьями, являются областью транзита для высокотоксичных подземных вод. формирующихся под отвалами и в затопленных карьерах.
