ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 1, с. 80-85
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 556.3:528.9(082)
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ДРЕНАЖНОЙ СИСТЕМЫ МИКРОРАЙОНА УСОЛЬСКИЙ г. БЕРЕЗНИКИ ПЕРМСКОГО КРАЯ
© 2014 г. С. А. Красильникова *, П. А. Красильников**, А.В. Коноплев **
* ФГБОУ ВПО ПГНИУ, 614000, г. Пермь, ул. Букирева, 15, E-mail: domo05@mail.ru **Естественнонаучный институт ФГБОУ ВПО ПГНИУ, ул. Генкеля, 4, Пермь, 614000 Россия.
E-mail: chisp07@ gmail.com, kono2003@gmail.com
Поступила в редакцию 17.01.2012 г. После исправления 1.11.2012 г.
В статье описываются преимущества использования геоинформационных систем на начальной стадии создания гидродинамических моделей - формирования исходных данных. Дается описание созданной квазитрехмерной модели потока и приводятся расчеты для оценки эффективности проектируемой дренажной системы. Отдельное внимание уделяется визуализации полученных материалов и представлению результатов моделирования в картографической форме.
Ключевые слова: гидродинамическое моделирование, геоинформатика, картография, подтопление территории.
Задача оценки эффективности дренажной системы территорий правобережного района г. Березники возникла не случайно. В 2006 г. на территории г. Березники (БКПРУ-1) произошло обрушение кровли соляной толщи, что привело к провалу земной поверхности и создало потенциально-опасную ситуацию для жителей близлежащих районов города. В связи с чем было принято решение о переселении жильцов из домов, находящихся в опасных районах города, в новый микрорайон, расположенный на правом берегу Камского водохранилища. К настоящему моменту строительство нового микрорайона закончено, но возникла проблема - подвалы построенных домов оказались затоплены. Решить эту проблему пытаются созданием общей дренажной системы участков застройки, которая позволит снизить уровень грунтовых вод минимум на 0.5 метра ниже уровня подвала. Эффективность проектных решений было предложено оценить на основе гидродинамического моделирования с использованием современных программных продуктов.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
- обобщение геологических и гидрогеологических материалов по территории исследования, характеризующих условия и параметры, оказываю-
щие влияние на формирование потоков, подземных вод и выбор границ региональной модели;
- построение региональной геофильтрационной модели территории, определяющей движение подземных вод, для задания граничных условий локальной модели;
- решение вариантных задач работы дренажной системы;
- прогноз изменения уровней грунтовых вод в результате работы дренажной системы;
- анализ вероятных погрешностей созданной модели и результатов прогноза.
Исходная информация была предоставлена заказчиком (материалы инженерно-геологических и гидрогеологических исследований). Для решения первой задачи необходимо было объединить и проанализировать всю имеющуюся информацию по территорий района, так как инженерно-геологические, гидрогеологические и опытно-фильтрационные работы проводились разными подрядными организациями и комплексный анализ полученных результатов никто не проводил. Авторы посчитали, что наиболее полно эту задачу можно решить с
использованием геоинформационных технологий.
-►
Рис. 1. Границы региональной и локальной моделей.
Рис. 2. Региональная литологическая 3D модель в пределах граничных условий.
Рис. 3. Блочная модель потока.
Это позволит визуализировать все имеющиеся данные и выявлять пространственно-временные закономерности. Создание ГИС-проекта района исследований при необходимости может служить основой для разработки постоянно-действующей модели микрорайона "Усольский", что является несомненным преимуществом при принятии управленческих решений развития микрорайона, так как позволит специалистам в комплексе оценивать всю имеющуюся информацию.
Для решения нашей задачи ГИС-проект включал данные дочетвертичной и четвертичной геологии района работ, материалы инженерно-геологических изысканий, топографическую основу, данные режимных наблюдений.
При оценке эффективности дренажной системы микрорайона (локального участка) наиболее трудно задание граничных условий модели
фильтрационного потока. Это связано с тем, что территория исследования небольшая и четко определить граничные условия по имеющимся материалам не представляется возможным. Решение этой задачи наиболее корректно при создании региональной модели фильтрации и переход от нее к локальной модели.
Определение границ региональной модели фильтрации проводилось в среде ГИС, так как она обладает возможностью комплексного анализа пространственно-распределенных данных. Область моделирования должна иметь определенную естественную замкнутость баланса воды. Поэтому границы региональной модели проведены следующим образом (рис. 1):
- северо-западная - по линии тока между двумя водоразделами по оврагам в сторону р. Кама;
- северо-восточная - по р. Кама;
- юго-восточная - по линии тока от оврага до безымянной речки и далее по ней;
- западная - безымянная речка, впадающая в Каму ниже г. Усолье, от истоков (и выше по оврагу с временными потоками) до левого притока.
Водный балланс формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков, эвапотранспирации и разгрузки грунтовых вод в водотоки, а также за счет подпора Камского водохранилица.
Современные программные комплексы гидродинамического моделирования позволяют импортировать данные ГИС-систем, что значительно упрощает работу. В дальнейшем моделирование плановой квазитрехмерной задачи проводилось в про-грамном комплексе Groundwater Modeling System.
Выбранные границы едины для всех слоев модели. Нижней непроницаемой границей модели, по данным инженерно-геологических изысканий, был принят слой элювиальных глин, являющийся локальным водоупором; верхней границей - уровень подземных вод в четвертичном водоносном горизонте, водотоках и водохранилище.
Количество слоев модели должно отвечать максимальной подобности природных обстановок и в то же время не перегружать модель [1, 2]. Общая модель территории включала верхний безнапорный слой, решение для которого нуждается в горизонтальном и вертикальном коэффициентах фильтрации. Для остальных слоев модели задается проводимость, отображающая интегрально способность всего слоя проводить воду, и коэффициент вертикальной фильтрации, определяющий перетекание между слоями. Исходные значения проводимостей и коэффициентов горизонтальной фильтрации получены из значений удельных де-битов по имеющимся опытно-фильтрационным работам. Впоследствии, при калибровке модели закладываемые в модель параметры - уточнялись.
В модели выделено 4 слоя:
1 - песок делювиальный, коэффициент фильтрации горизонтальный (Кг) и вертикальный (Кв) принят равным 1 м/сут
2 - супесь делювиальная; Кг = Кв = 0,7 м/сут
Рис. 4. Уровень грунтовых вод при работе дрен, визуализированный в среде GMS.
3 - суглинок делювиальный; Кг = Кв = 0,01 м/сут
4 - глина элювиально-делювиальная; Кг = = Кв = 0.0001 м/сут
Геометрия поверхностей, разделяющих слои, определялась на основании интерполяции абсолютных отметок этих границ по существующему набору скважин (рис. 2).
Трехмерная модель территории построена с учетом литологии, фильтрационных параметров, реальных отметок границ литологических разностей.
Модель разбита в плане на блоки и представлена матрицей 200 х 200 ячеек. В целом, четырех-слойная модель имеет 200 х 200 х 20 = 800000
Рис. 5. Депрессионные воронки от дренажа, слева - дом 30 (поперек потока), справа - продольный разрез по потоку, выделена ячейка в центре дома № 2.
Рис. 6. Уровень грунтовых вод при работе дрен, скомпонованный в ГИС
блоков. Часть этих блоков по окраинам за контуром модели мнимая и в моделировании не участвует (рис. 3).
Режим фильтрационного потока во времени принимается стационарным как для калибровки модели, так и для прогнозных задач. Для калибровки модели этот вариант единственно возможный вследствие использования разновременных измерений напоров подземных вод.
Распределение инфильтрации по площади проводилось по геоморфологическим элементам, количественным выражением которых являлся уклон земной поверхности. На водораздельных площадях с минимальным уклоном инфильтрация принималась большей. На склонах она уменьшалась. Выдерживался суммарный расход инфильтрации по территории. Реки задаются обычным
граничным условием третьего рода, определяемого на модели основным параметром коэффициентом перетока (отношением коэффициента вертикальной фильтрации русловых отложений к их мощности). Первоначально принято значение 0.02 сут1, часто встречаемое по опыту работ. В ходе калибровки модели оно уточняется.
На заболоченной территории задана возможность эвапотранспирации с критической глубиной 1.5 м и испарением на поверхности земли 0.00168 м/сут. Это соответствует суммарному летнему испарению, деленному на годовой период. При увеличении глубины уровня подземных вод от поверхности земли испарение линейно падает и на глубине 1.5 м прекращается.
Калибровка модели осуществлялась последовательным решением прямых задач при различных
полях фильтрационных параметров водоносных и водоупорных слоев, инфильтрации, параметров перетока русловых отложений. Критерий успешной калибровки - соответствие полей напоров подземных вод по горизонтам на модели и в натуре и получение разгрузки в реки, примерно соответствующей среднемноголетнему подземному стоку. При этом средний по площади модуль стока соответствует расходу инфильтрации на всю площадь модели за вычетом расхода эвапотранс-пирации, деленному на площадь модели.
На следующем шаге из региональной модели была получена локальная модель. Из региональной модели наследуются граничные условия, отметки кровли и подошвы литологических разностей и фильтрационные параметры слоев. Детальность локальной модели повышена путем детализации GRID-модели до матрицы 200 х 200 ячеек. Дополнительно в верхнем слое заданы параметры дренажа. Расположение ячеек дренажа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.