Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельностиНИР

Theoretical and experimental study of the influence of geological and anthropogenic factors on the safety of economic activity

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Изучение влияния нормальных напряжений в зоне тампонажных работ на ориентацию в плане вертикальных полостей разрывных нарушений при создании защитных экранов.
Результаты этапа:
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа: Реферат Согласно техническому заданию на проведение фундаментальных научно-исследовательских работ в рамках государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова, части 2 на 2017 год, геологическим факультетом выполнялись работы по приоритетному научному направлению «Геологическое обеспечение минерально-сырьевой базы, безопасности хозяйственной деятельности и развития инфраструктуры России». В рамках этого направления в ЛОГС выполнялись фундаментальные исследования по теме: «Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности», включающей 5 подтем, по направлениям: инженерная геология, гидрогеология, геокриология, гидрогеохимия и гидрогеомеханика. Получены следующие основные результаты по перечисленным направлениям. 1. Получены новые данные о поглощающих свойствах щавелевоалюмосиликатного геля в отношении Cd, Mn, Fe, Zn, Ni, Cu - элементов-загрязнителей, характерных для свалки твердых муниципальных отходов. Продолжено изучение влияния соотношения нормальных напряжений в зоне тампонажных работ на ориентацию в плане вертикальных полостей разрывных нарушений и формирование свойств сорбента в них при создании защитных экранов; 2. Продолжена разработка методики использования данных мониторинга подземных вод на действующих водозаборах для определения геофильтрационных параметров среды. 3. Модельные исследования опасных последствий хозяйственной деятельности в различных геологических условиях на основе гидродинамических (геофильтрационных и геомиграционных) моделей; 4. Проведены исследования фотохимической деструкции растворенного органического вещества в коллоидных и растворенных формах природных водных экосистемах Европейской части России, как фоновых показали, (Северная Карелия), так и антопогенно-изменных (Владимирская область РФ), богатых органическим веществом. 5. Продолжено начатое в 2016 г. создание фактологической базы для выявления закономерностей распространения криогенных процессов БЗ морей Восточно-Сибирской Арктики и развитие теоретических основ процессов термоабразии, термоденудации, деградации субмаринных ММП и синкриогенеза прибрежно-морских отложений. Продолжены также работы по изучению криостратиграфии и изотопного состава (δ18O, δD) подземных льдов побережья моря Лаптевых как индикатора палеоклиматических условий в среднем и позднем неоплейстоцене и голоцене. Результаты исследований представлены, соответственно, в пяти главах настоящего отчета.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа: Исследования ЛОГС в 2018 г. выполнялись по направлению «Геологическое обеспечение минерально-сырьевой базы, безопасности хозяйственной деятельности и развития инфраструктуры России». Фундаментальные исследования проводятся по теме: «Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности», включающей 5 подтем, по направлениям: инженерная геология, гидрогеология, геокриология, гидрогеохимия и гидрогеомеханика. Получены следующие основные результаты по перечисленным направлениям. Подтема 1. Геохимические барьеры Оценка эффективности работы защитного противофильтрационного сорбирующего экрана основана на получении экспериментальным путем «выходной кривой» - зависимости изменения концентрации загрязнителей от объема профильтровавшегося через образец экрана раствора. Природные и искусственные геохимические барьеры, которые оцениваются как экраны на пути миграции загрязнителей подземных вод в районах размещения промышленных и бытовых отходов, имеют, как правило, коэффициенты фильтрации, не превышающие 0,01 м/сут. Поэтому на получение «выходной кривой» может уходить 2-3 недели, а иногда и месяц, что затрудняет получение данных для оценки эффективности работы сорбирующего экрана. Сокращение времени получения «выходной кривой» может быть достигнуто в результате увеличения скорости фильтрации за счет повышения градиента фильтрации раствора через образец геохимического барьера. Однако увеличение градиента и, соответственно, скорости фильтрации может привести к «проскоку» загрязнителей, не успевших испытать поглощающее действие материала барьера. Таким образом, условия проведения экспериментов по получению «выходных кривых» должны обеспечить, с одной стороны, максимальную скорость фильтрации испытуемого раствора, а с другой – не нарушить кинетику сорбционного процесса. Выполненный комплекс экспериментальных исследований позволил определить для ряда различных по составу геохимических барьеров (глинистых грунтов и искусственных экранов) предельно допустимую скорость фильтрации раствора с загрязнителем, при которой получаемые выходные кривые пригодны для дальнейшей обработки методом математического моделирования и расчета миграционных параметров элемента-загрязнителя. Полученные результаты дают основание принять, например, для песчано-гелевого материала геохимического барьера максимально допустимую скорость фильтрации 1,2 м/сут. Проведение экспериментов при максимально допустимой скорости фильтрации позволяет значительно ускорить получение результатов по оценке эффективности работы защитных экранов. В 2018 году ЛОГС выступила в качестве разработчика конструкции и технологии создания противофильтрационной сорбирующей завесы по периметру ликвидируемой свалки в районе Печатники г. Москвы. В разработке проектных решений по завесе использованы результаты многолетних фундаментальных исследований ЛОГС по массопереносу загрязнителей водных ресурсов в природных грунтах и искусственных экранах, создаваемых инъекционным способом. Впервые (результаты А.Л.Лебедева и И.В.Авилиной) проведена обработка экспериментальных данных кинетики реакции растворения гипсоангидритовых пород в воде. Кинетическое уравнение составлено в виде балансового уравнения кинетики растворения гипса, ангидрита (соответственно, первого и второго порядков) и кинетики осаждения гипса второго порядка. Обработка кинетических кривых проводилась на основе решения уравнения Риккати. Предполагается использовать полученные параметры кинетики растворения гипсоангидритовых пород в воде при расчетах массопереноса в подземных водах. Подтема 2. Гидрогеологические исследования Получили развитие методы использования данных мониторинга действующих водозаборов для оценки геофильтрационных параметров водоносных горизонтов. Автоматический анализ данных колебаний уровня подземных вод с использованием метода Джейкоба для определения проводимости. Разработаны основы процедуры автоматического анализа данных колебаний уровня подземных вод с использованием метода Джейкоба для определения проводимости. и отбраковки исходных данных. Подтема 3. Гидрогеомеханические исследования в строительном проектировании и изысканиях с применением научного программирования Разработан интерфейс и решающие блоки для моделирования специальных случаев в программах профильной фильтрации PERFIL, фильтрационной нелинейной консолидации SINK, профильной осесимметричной фильтрации при откачках и наливах 1WELL, гидрогеомеханических расчетов устойчивости склонов SLUMP Разработан и подготовлен для утверждения в Минстрое РФ раздел «Гидрогеологические исследования» Свода правил «ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА. ОБЩИЕ ПРАВИЛА ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ» для Технического комитета по стандартизации ТК 465 “Строительство” РОССТАНДАРТА РФ Разработана методика и улучшены программы моделирования фильтрации для использования в полевых испытаниях противофильтрационных экранов Разработана модель фильтрации при инъекции из несовершенной скважины Выполнены работы по договору геол. ф-та МГУ с ООО «Каналсетьпроект» «Оценка устойчивости склона по объекту «Выполнение противооползневых мероприятий на участке склона, прилегающего к очистным сооружениям №1 по адресу: Проектируемый проезд №1608 на пересечении с ул. Винницкой района Раменки (Мичуринский проспект, кварталы 5-6)» Подтема 4. Геокриологические исследования побережья Восточно-Сибирской Арктики В соответствии с планом госбюджетных НИР в 2018 г. проводилось изучение развития криогенных процессов на шельфе и арктических низменностях, прилегающих к морям Лаптевых, Восточно-Сибирского и Карского. Результатом исследований явилось получение: 1) новых представлений по накоплению и синкриогенезу прибрежно-морских осадков на мелководьях перечисленных морей; 2) новых представлений о деградации реликтовых субмаринных мерзлых толщ, их современному распространению и состоянию на шельфе моря Лаптевых; 3) новых данных по изотопному составу (δ18О, δD) современных атмосферных осадков, снежного покрова, современных ростков жильных льдов Восточного сектора Российской Арктики, оценка потенциала и текущего состояния палеоклиматологии на основе изотопного анализа повторно-жильных льдов. Итогом исследований по первому направлению явилась разработка представлений о формировании на участках предшествующего размыва новообразованных островов. Показано, что их кольцеобразная форма обусловлена участием стамух в осадконакоплении, а их фиксация на месте - сингенетическим промерзанием формирующихся осадков. На мелководьях морей Лаптевых и Восточно-Сибирского формирование таких островов также связано с современным потеплением и сокращением ледовитости. Последние обусловливают переизбыток оттаявших осадков, способных к переносу и аккумуляции. На северо-востоке Карского шельфа определяющую роль играет глыбовый состав продуктов разрушения горных пород, слагающих многие острова. Их перенос на большие глубины в условиях короткого безледного сезона затруднен. Поэтому они фиксируются промерзанием близ мест их образования. Основные результаты исследований по второму направлению можно сформулировать следующим образом. 1. Разработана методика геокриологического геоинформационного картографирования арктического шельфа. Она базируется на методике теплового математического моделирования эволюции и современного состояния криолитозоны и программно управляемого создания и использования карт на основе ГИС и баз картографических данных и знаний. 2. Впервые составлена геоинформационная карта геокриологического районирования масштаба 1: 2 500 000 моря Лаптевых. Основными элементами содержания карты являются: - распространение, глубина залегания кровли и мощность толщ реликтовых ММП; - ММП, генезис и возраст которых в настоящее время дискутируется; - голоценовые (современные) ММП прибрежно- и аллювиально-морских отложений; - геокриологические и другие парагенетически связанные с ними процессы и явления. 3. Установлено, что два высокоширотных арктических шельфа морей Карского и Лаптевых кардинально отличаются по распространению и мощности мерзлых толщ. Карскому шельфу свойственны преимущественно прерывистые и островные ММП мощностью до 100-200 м, Лаптевоморскому — сплошные мерзлые толщи мощностью до 500-600 м. Карский шельф в позднем плейстоцене был защищен от атмосферного холода сменяющими друг друга во времени ледниковыми и водными покровами. Возраст его мерзлых толщ — сартанский (25-11,5 т.л.н.). Подобной защиты внеледниковый шельф моря Лаптевых не имел, он промерзал со 120 т.л.н. до момента затопления в ходе позднеплейстоцен-голоценовой трансгрессии моря, наступавшим от 15 т.л.н. до 0 т.л.н. на изобатах от 120 до 0 м соответственно. По исследованиям в соответствии с первым направлением опубликованы одна статья в журнале GEOGRAPHY, ENVIROMENT, SUSTAINABILITY и семь докладов в трудах международных и российских конференций. По исследованиям, связанным со второй задачей, опубликованы два доклада в трудах расширенного заседания Ученого Совета по криологии Земли. Основные результаты по третьему направлению исследований. Изотопный состав как поверхностных, так и подземных льдов несет в себе палеоклиматическую информацию. В последние годы результаты изотопного анализа повторно-жильных льдов (ПЖЛ) все чаще и успешнее используются в качестве архивов для изучения палеоклиматических, палеотемпературных условий их формирования. Надежность интерпретации изотопных данных зависит не только от знания основных закономерностей распределения 2Н и 18О в различных типах подземных льдов, но и от понимания механизмов и возможности количественной оценки масштабов фракционирования изотопов водорода и кислорода в различных процессах превращения воды в многокомпонентной системе атмосфера - многолетнемерзлые породы. Чтобы полностью использовать возможности и потенциал изотопного анализа подземных льдов, необходимо улучшить понимание процессов, связанных с морозобойным растрескиванием, заполнением трещин, ростом ледяных жил. Дальнейший прогресс необходим также в датировании подземных льдов и в разработке возрастных моделей, принимая во внимание специфические особенности роста ледяного клина. Особое внимание следует уделить вопросам возможных трансформаций зимних атмосферных осадков в период снегонакопления и снеготаяния и сохранения первичного изотопного сигнала в повторно-жильных льдах. Текущее состояние проблем, существующие пробелы в знаниях и приоритетные направления для будущих исследований повторно-жильных льдов были рассмотрены в статье, опубликованной в журнале Permafrost and Periglacial Processes, 2018; 1–11. https://doi.org/10.1002/ppp.1980. Были продолжены начатые в 2016, 2017 годах работы по исследованию трансформаций изотопного состава атмосферных осадков и снежного покрова в дельте Лены. Полевые работы велись на базе научной станции СО РАН «Остров Самойловский» в составе российско-германской совместной экспедиции. Результаты работ были доложены на Международном симпозиуме «20 лет Ленских экспедиций 17-19 октября 2018, Санкт-Петербург». Подтема 5. Гидрогеохимические исследования Натурные эксперименты по теме «Исследование процесса фотодеструкции органоминеральных соединений природных вод» показали, что при инсоляции исследованных проб почвенных и болотных вод происходит разрушение природного органического вещества. Наиболее заметно процессы деструкции органических веществ под влиянием солнечного излучения в исследованных пробах происходят в первые 3–5 дней. Установлено, что во всех изученных пробах после облучения увеличивается содержание алифатических карбоновых кислот и бензолкарбоновых кислот, которые представляют собой продукты деструкции высокомолекулярного РОВ. Одновременно с процессами образования низкомолекулярных органических лигандов происходит формирование коллоидных частиц гидроксида железа, на которых сорбированны и/или окклюдированы в них органические соединения. Фотодеструкция органических соединений в природных водах сопровождается изменением форм нахождения и, следовательно, миграции таких металлов, как Ni, Cu, Zn и Cd, – количество их отрицательно заряженных комплексов при инсоляции возрастает в болотных водах и понижается в почвенных водах.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа: Подтема: "Геохимические барьеры" Исследования включали изучение различных методов обработки фильтрата полигона ТБО (на примере фильтрата полигона ПТБО Саларьево) для разрушения органо-металлических комплексов с целью последующего использования природной глинистой грунтовой толщи в качестве геохимического барьера против распространения загрязнителей. Для снижения уровня загрязнения фильтрационных вод были опробованы метод озонирования и внесения добавок пероксида кальция. Использованный режим озонирования (2г/л в течение 20 мин) дал снижение содержания только Сr, Mn, Fe, Zn, Sr, Mo, а довести их до уровня ПДК р/х удалось лишь у Al и Ca. ХПК снизился после первого озонирования на 46%, при этом содержание углерода не изменилось, а после второго озонирования ХПК не изменился, но Сорг снизился на 13%. Полученные результаты не свидетельствуют о неэффективности метода, а говорят лишь о том, что при озонировании параметры процесса: концентрация озона и время его воздействия, определяют результат. Подбор режима имеет первостепенное значение, а он, в свою очередь, зависит от состава и концентрации соединений в обрабатываемом растворе. Очевидно, в данном случае необходимо воздействие более концентрированным озоном. Обработка фильтрата путем добавления пероксида кальция (ПК) показала значительный окислительный эффект. ХПК снизился на 56%, содержание органического углерода - на 42%, сульфатов – на 33% и азота – на 51%. Содержание большинства металлов (V, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Al) в фильтрате после взаимодействия с CaO2 (1 сут.) снизилось до нормированного уровня ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения. B, Cr, Cu и Mo демонстрирует уменьшение концентраций в исследуемых стоках (от 36% для бора до 77% для меди), но их значения превышают ПДК для рыбохозяйственных водоемов. Внедрение экспериментальных и теоретических разработок осуществлено на производственном объекте - полигоне твердых промышленных и бытовых отходов Саларьево. Для этого объекта разработана технология создания противофильтрационной сорбирующей завесы для защиты от распространения загрязнителей подземных вод за пределы полигона. Подтема: "Комплексное физико-химическое исследование металлоорганических коллоидов, контролирующих миграцию макро- и микроэлементов для разработки критериев использования природных органических веществ в качестве накопителей тяжелых металлов". Исследования проводились на водосборных бассейнах небольших ручьев (длины ручьев не превышают 2 км), расположенных на юге (Владимирская область) и севере (Северная Карелия) бореальной зоны. На территории каждого исследуемого водосборного бассейна отбирались пробы почвенных вод (ПВ), болот, ручьев и депонирующих водоемов. Было получено, что в ряду: гравитационные почвенные воды – болото – ручей – депонирующее озеро возрастает количество комплексов с низкомолекулярными лигандами и доля свободных ионов металлов. Показано, что различия в формах миграции металлов в исследованном ряду природных вод обусловлены изменением распределения по размерным фракциям их соединений и количеств их комплексов с органическим веществом различной природы. Большинство изученных элементов (за исключением щелочных) преимущественно представлены соединениями размеров 100 кДа – 0,1 мкм в почвенных водах, <10 кДа в водах болот и ручьев, и <1 кДа в водах озер. При этом в почвенных водах специфические органические соединения могут стабилизировать коллоиды гидроксида железа, с которыми осуществляется транспорт других металлов, в то время как в водах болот, ручьев и озер большую роль в связывании металлов играют низкомолекулярные органические соединения. Проведены также исследования образцов природных вод (болот, ручьев и рек) Вологодской, Ярославской, Владимирской областей и республики Карелия. Пробы в герметично закрытых кварцевых стаканах размещались под солнцем. Эксперименты длились 10 суток. В условиях проведенных экспериментов происходило разрушение РОВ в пробах исследуемых природных вод под действием солнечного света. В исследуемых образцах наблюдалось снижение содержания гуминовых веществ и Сорг, что связано с: - разрушением молекул до СО2 в процессе минерализации; - образованием более высокомолекулярных соединений, представляющих собой гидроксиды железа, стабилизированные органическими веществами. В качестве продуктов деструкции наблюдалось образование низкомолекулярных органических соединений (<1 кДа), с которыми связаны такие металлы как Co, Ni, Zn, Cd. Al, Cr, Cu выводились из раствора вместе с образующимися органо-минеральными коллоидами, что может привести к накоплению их в донных отложениях. Вызванное солнечным светом окисление Fe (II) в болотной воде привело к удалению более тяжелых изотопов Fe (от +1,5 до +2,5‰) из раствора, что согласуется с осаждением гидроксида Fe (III) из раствора. В целом, био- и фотодеградация органо-железистых коллоидов, происходящая в течение нескольких дней воздействия, может привести к изменению изотопного состава (несколько промилле) в мелководных стоячих и проточных внутренних водах высокоширотных бореальных регионов. Подтема: «Гидрогеомеханические исследования в строительном проектировании и изысканиях с применением научного программирования» В рамках подтемы выполнены научно-прикладные исследования и получены результаты, которые нашли отражение в практике строительного проектирования и инженерных изысканий в строительстве, учебной и общественно-научной деятельности. • Научно-исследовательская работа по изучению влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности на объектах строительного проектирования o Выполнены: рекогносцировочное обследование, анализ прочностных параметров грунтов, расчеты устойчивости в диапазоне параметров, рекомендации по обеспечению устойчивости склона долины р. Раменки. Результаты обосновывают проект противооползневых мероприятий на участке склона, прилегающего к очистным сооружениям №1 по адресу: Проектируемый проезд №1608 на пересечении с ул. Винницкой района Раменки (Мичуринский проспект, кварталы 5-6). o Выполнено на основании опытных откачек изучение фильтрационных параметров аллювия долины р. Волги для оценки подпора как геологического и техногенного фактора, влияющего на безопасность хозяйственной деятельности после строительства Нижегородского низконапорного гидроузла. Выполнены работы по планированию, интерпретации и обработке опытных данных. o Разработана гидрогеомеханическая схема силового влияния притока к щиту подвижного тоннелепроходческого механизированного комплекса с гидро-(грунто)-пригрузом и противодавлением на забой. На основе разработанной модели выполнены расчеты фильтрации, напряженного состояния с учетом фильтрационной силы и гидростатического взвешивания. Для обеспечения безопасного регламента работы персонала в забое при проходке тоннеля предложен способ расчета давления на забой с учетом результатов фильтрационных расчетов на основе математического моделирования фильтрации МКЭ в цилиндрических координатах. Решение позволяет получить распределение удельной фильтрационной силы на забое щита для оптимизации скорости проходки и задания противодавления в камере кессонирования. o Разработан новый метод откачки через забой колодца или скважины большого диаметра для определения коэффициента фильтрации горных пород для экспериментального изучения влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности. Метод использует данные начального периода, который характеризуется существенным влиянием емкости ствола скважины на понижения напоров, которое ранее рассматривалось как фактор искажения режима в период работы упругой водоотдачи пласта. В разработанном методе предложены расчетные графики и зависимости, применимые к условиям постоянного дебита на устье скважины при переменной величине притока к забою. Метод разработан на основе анализа натурных опытов и численного моделирования фильтрации. o В рамках изучения влияния техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности выполнен анализ гидрогеологических условий территории размещения полигона ТБО Саларьево и сравнительная оценка эффективности мероприятий экологической защиты. Заключение по условиям залегания и характеристикам потока подземных вод (верховодки, линз, грунтовых вод) в толще спорадического обводнения морены и эффективности защитных мероприятий выполнено с использованием балансовых, статистических и модельных построений. Целевой задачей дополнительного анализа является оптимизация мер защиты. • Разработка в составе подкомитета «Инженерные изыскания» (ПК1) Технического комитета 465 «Строительство» (ТК 465) при Росстандарте РФ научно-методических основ нормативно-правовой базы инженерных изысканий и подготовка к принятию Минстроем РФ документов: o Подготовлен состав гидрогеологических работ для включения в свод правил изысканий. Документ представлен в Минстрой РФ и введен в действие СП 420.1325800.2018 «Инженерные изыскания для строительства в районах развития оползневых процессов. Общие требования». М. 2019. Минстрой России, 60 с. o Завершена научно-методическая разработка и редакционное оформление раздела «Гидрогеологические исследования в составе инженерно-геологических изысканий». Свод правил определяет порядок планирования и проведения инженерных изысканий для строительного проектирования по разделу гидрогеологических исследований с учетом поступивших за период подготовки замечаний производственных и научных организаций, касающихся полевых работ – опытно-фильтрационных работ, составления карт гидроизогипс и глубин залегания грунтовых вод, применимости экспресс-откачек и наливов в скважинах, комплекса работ по определению статических уровней воды в скважинах и др. Свод правил СП 446.1325800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ». Москва, 2019. Минстрой России, 139 с. (автор раздела гидрогеологических исследований М.В. Лехов) введен в действие приказом Минстроя РФ o Проведен анализ материалов для переработки и составления актуализированного (нового) Межгосударственного стандарта ГОСТ 23278 «Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости» в Межгосударственном совете по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС). Разработка ведется по пути упрощения и смягчения требований, предъявляемых к опытным работам при оставлении принципиальной позиции, касающейся требований к кустовым откачкам (наливам) как единственному обоснованному методу получения достоверных параметров водоносных горизонтов. o Проведены модельные расчеты и подготовлены выводы относительно разработки специальных требований к определению установившихся уровней воды в скважинах, характеризующих уровни грунтовых вод, особенно в породах с низкой проницаемостью. Материалы переданы в организацию, ведущую разработку нормативной документации постановки и проведения инженерных изысканий в Институт геотехники и инженерных изысканий в строительстве, ООО ИГИИС (Отдел контроля качества полевых инженерных изысканий). • Разработка программного обеспечения гидрогеологических, гидрогеомеханических исследований и учебных занятий o Разработаны методические вопросы профильно-радиального моделирования методом конечных элементов распространения инъекционного потока из скважины в цилиндрических координатах, а также захвата загрязнителя скважиной в нестационарной постановке. Решение учитывает границу поступления или разгрузки потока, слоистую и зональную неоднородность пласта в разрезе по проницаемости и упругой ёмкости, свободную поверхность. o Разработана программа расчета оползневой устойчивости склонов и откосов с учетом сил гидростатики и гидродинамики методами Терцаги, Крэя, Флорина, Вяземского-Ягодина, Бишопа, Джанбу, Шахунянца (аналитический), Чугаева-Кадомского, Моргенштерна-Прайса в модификации Можевитинова. Программа имеет уникальный характер, - учитывает фильтрационные силы и гидравлику затопленного основания склона, реализует несравнимо большее количество методов в сравнении с программами-аналогами. Программа используется в практике инженерных изысканий в строительстве. o Разработана программа моделирования кратковременных откачек и наливов (экспресс, slug test). Численное решение МКЭ имеет полный учет действующих и искажающих факторов. Программа разработана для практиков-гидрогеологов, имеет назначение демонстрировать ошибочные стороны и недостаточность данных одиночных экспесс-опытов. Проведены сравнительные модельные расчеты, сделаны выводы относительно пригодности опытов для получения достоверных параметров проницаемости горных пород. Подтема: "Геокриологические исследования в Арктике" Установлена активизация термогенных процессов (термоабразии, термоденудации, термокарста, деградации шельфовых мерзлых толщ) в результате потепления климата и сокращения ледовитости морей Российской Арктики. Установлена также связь развития этих процессов с геологическим строением: тектоническими структурами, морфоструктурами, льдистостью пород и типами подземного льда.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа: В соответствии с направлениями исследований ЛОГС (в рамках единой темы выделены 4 подтемы: 1. геохимические барьеры, 2. изучение процессов образования и разрушения органо-металлических комплексов в природных водных системах, 3. математическое моделирование для задач инженерной геологии и гидрогеологии, 4. изучение криогенных процессов в Арктике) и поставленными на 2020 год задачами, выполнено следующее. По подтеме 1 получила развитие методика определения параметров миграции элементов в дисперсных средах (природных глинистых грунтах и материалах искусственных сорбирующих экранов). Для математического моделирования массопереноса в геохимическом барьере разработано усовершенствованное решение уравнения массопереноса. Начато исследование роли молекулярной диффузии в сорбционном процессе при изучении поглощающих свойств грунтов в динамических условиях при разных скоростях фильтрации. Исследовался допустимый диапазон скоростей фильтрации, в пределах которого молекулярная диффузия не сказывается на получаемой величине поглощающей способности. Эксперименты проводились на песчано-гелевом сорбенте, разработанном в ЛОГС в качестве материала для создания искусственных геохимических барьеров. Продолжено изучение роли напряженного состояния грунтового массива в формировании полостей гидроразрыва при создании вертикальных защитных экранов инъекционным способом. По подтеме 2 изучена фотодеструкция органо-минеральных коллоидов болотной воды, индуцированная УФ-облучением. Выявлены два одновременно протекающих процесса трансформации форм нахождения РОВ и металлов: распад высокомолекулярных органо-минеральных коллоидов на низкомолекулярные комплексы РОВ и металлов и образование дисперсных агрегатов металлов и органического вещества. При УФ-облучении природной воды из раствора удалялось до 70% исходного РОВ, причем значительная его часть выделялась в виде CO2 (20%), трансформировалась в HCO3- (9%) и коагулировалась в виде твердых частиц вместе с гидроксидом Fe (41%). Результаты данного исследования показывают, что УФ-облучение эффективно удаляет из раствора не только растворенный органический углерод и Fe, но также и некоторые металлы-микроэлементы. Проведенные исследования влияния инсоляции на формы металлов и органические вещества с образцами природных вод (болот, ручьев и рек) Вологодской, Ярославской, Владимирской областей и республики Карелия показали, что большая часть Fe, Cd, Cu и Pb во всех объектах исследования представлена комплексами с органическими лигандами. Для Ni и Zn в водах одной из рек и всех озер преобладающей формой является неорганическая. Полученные данные могут быть учтены при прогнозировании поведения металлов в поверхностных водах, а также могут послужить базой при разработке предложений по корректировке и/или актуализации ПДК для металлов в природных водах. По подтеме 3 разработан новый метод обработки данных восстановления в скважине после кратковременной откачки из скважины (налива в скважину) для определения коэффициента фильтрации горных пород в задачах экспериментального изучения влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности. Метод разработан на основе анализа натурных опытов и численного моделирования фильтрации. Разработаны научно-методические основы нормативно-правовой базы инженерных изысканий и подготовлены к принятию Минстроем РФ: Свод правил СП 446.1325800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ». Москва, 2019. Минстрой России, 139 с. (автор раздела гидрогеологических исследований М.В. Лехов) введен в действие приказом Минстроя РФ c 2020 г. Разработаны: 1-й вариант программы «CrossNet» предпроцессорной подготовки данных для моделей профильного моделирования фильтрации и напряженного состояния оползневых склонов с построением параметрически охарактеризованного разреза; программа численного моделирования фильтрации МКЭ для решения задач планирования и обработки данных откачек и наливов в специфических условиях. По подтеме 4 проведены исследования, связанные с необходимостью минимизации экологических рисков при поисках и разведке минерального сырья на шельфе, в связи с возрастающей ролью грузоперевозок по Северному морскому пути. Современные темпы деградации субмаринных мерзлых пород необходимо также знать для составления сценариев потепления климата. Выполнена оценка распространения и мощности деградирующей в настоящее время субмаринной мерзлой толщи. Выявлено влияния оледенения среднего плейстоцена на существование и параметры мерзлых толщ и зоны стабильности гидратов газов в районе, прилегающем к островам Новая Сибирь и Фаддеевский (северо-запад Восточно-Сибирского шельфа). Выявлен седиментогенез и промерзание формирующихся положительных форм рельефа на мелководьях: установлено, что формирование новых островов (Яя и Наносный) связано с 1,5-2 кратным увеличением продолжительности безлёдного сезона в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском. Проведена палеогеографическая и палеомерзлотная интерпретация результатов изотопного состава подземных льдов побережья.
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа: В 2021 г. в ЛОГС выполнялись фундаментальные исследования по теме: «Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности». Единая тема включает 4 подтемы, в соответствии с направлениями исследований лаборатории: 1. геохимические барьеры, 2. изучение процессов образования и разрушения органо-металлических комплексов в природных водных системах, кинетики растворения вещества, 3. математическое моделирование для задач инженерной геологии и гидрогеологии, 4. изучение криогенных процессов в Арктике. В соответствии с этими направлениями и поставленными на 2021 год задачами, выполнено следующее. По подтеме 1 исследованы 3 разновидности природных глин как материалы для создания барьеров безопасности при захоронении радиоактивных отходов. Изучено сорбционное поведение 8 элементов - имитаторов радионуклидов (Sr, Cs, U, Ba, Th, Nd, Dy, Re). Определены коэффициенты распределения и рассчитаны параметры миграции этих элементов в трех глинистых грунтах. На основе математического моделирования выполнена оценка эффективности исследованных грунтов в качестве поглощающих барьеров безопасности для радионуклидов. Освоена новая математическая модель «НИМФА» для прогнозного моделирования миграции радионуклидов. Продолжены исследования растворимости гипсоангидритов. В результате проведения детального исследования кинетических кривых в виде зависимостей C(t), полученных при растворении литологических разностей гипсоангидритов в водных растворах (5-25ºC; Р 0.1 МПа) установлена модель кинетики процесса растворения и гидратации ангидрита в воде на основе системы уравнений одновременного растворения гипса и ангидрита, для начальных стадий процесса гидратации. Основные результаты : уточнена константа скорости реакции растворения ангидрита в воде (k2 = 0.001 см4/(ммоль•с); построена диаграмма равновесия в системе “гипс – ангидрит – вода” (25ºC; Р 0.1 МПа); получены линейные зависимости скоростей реакций вида (dC/dt) от С. Оказалось, что свободные члены этих прямых определяются содержанием гипса и ангидрита в горной породе, а угловые коэффициенты инвариантны. Исследования по подтеме 2 проводились по направлениям: 1. «Оценка чувствительности к фотодеградации органических веществ, контролирующих формы нахождения элементов в природных водах», 2. «Оценка устойчивости гуминовых веществ при гидропиролизе». В результате полевых и лабораторных работ проведена оценка влияния инсоляции на трансформацию органо-минеральных соединений и формы металлов в болотных и речных водах. Получены новые данные о процессе гидропиролиза гуминовых кислот и дана оценка их термической устойчивости. По подтеме 3 осуществлена разработка моделей и программного обеспечения прогностических и экспериментальных исследований гидрогеомеханики при изучении закономерностей воздействия подземных вод на природно-технические системы. По подтеме 4 получены новые данные о современных криогенных процессах в Восточно-Сибирской Арктике: 1) деградации субмаринных и субаэральных мерзлых толщ, положении границ зоны стабильности гидратов газов, 2) современном криогенном морфолитогенезе на мелководьях в условиях потепления климата, сокращении ледовитости арктических морей и современных сейсмотектонических движениях; 3) криогенной динамике прибрежных равнин и островов (с помощью изотопных методов). Результаты исследований опубликованы в следующих трудах. 3 коллективные монографии с участием сотрудников ЛОГС 5 статей в рецензируемых журналах 12 статей в сборниках 13 докладов на конференциях 9 публикаций тезисов научных конференций
7 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа: В 2022 г. в ЛОГС выполнялись фундаментальные исследования по теме: «Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности». Единая тема включает 4 подтемы, в соответствии с направлениями исследований лаборатории: 1) геохимические барьеры и кинетика растворения вещества, 2) изучение процессов образования и разрушения органо-металлических комплексов в природных водных системах, 3) математическое моделирование для задач инженерной геологии и гидрогеологии, 4) изучение криогенных процессов в Арктике. Подтема 1. В результате исследования гранулометрического и минерального состава, а также емкости катионного обмена пяти разновидностей промышленных бентонитов Зырянского месторождения выделен образец бентонита марки ПБМВ, как наиболее перспективный в качестве материала барьера безопасности при захоронении РАО. Для бентонита ПБМВ получены параметры поглощения: сорбционная емкость и коэффициенты распределения Kd по 7 элементам (имитаторам 9 радионуклидов): Cs, Sr, U, Th, Ba (аналог Ra), Nd и Dy (аналоги Am-241, Cm-244), Re (имитатор технеция Tc). Проанализированы особенности поглощения элементов на данном образце бентонита, в частности: эффективное поглощение переходных элементов - редкоземельных Nd и Dy, а также Th, благодаря их склонности к гидролизу и таким образом, вкладу осаждения в процесс сорбции. Выявлено относительно слабое поглощение U из-за высокой щелочности бентонита, а также отсутствие сорбции Re, образующего несорбирующиеся отрицательно заряженные оксоанионы. По результатам исследований сделано 6 докладов на конференциях, опубликовано 4 тезисов в сборниках трудов конференций, 3 статьи в сборниках, 2 статьи в журналах, 1 статья сдана в печать. Подтема 2. Показано, что растворенные органические вещества поверхностных вод оказывают значительное влияние на формы нахождения и миграции металлов. Установлено, что стабильность коллоидных соединений металлов при высоком их содержании в системе зависит от концентрации природного органического вещества. Низкое содержание органических соединений, особенно ГВ, в водах может способствовать быстрой коагуляции минеральных коллоидов, и соответственно, высокой скорости их седиментации. При этом фотохимическое окисление органо-минеральных соединений так же может приводить к снижению концентрации металлов (Al, V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Cd, Pb) в водных системах ниже по течению и их прогрессивному накоплению в донных отложениях. В то же время, увеличение низкомолекулярных соединений Co и Ni может сделать последние потенциально более доступными для биодеградации. По результатам исследований сделано 4 доклада на конференциях, опубликовано 2 статьи в сборниках и 4 статьи в журналах. Подтема 3. МКЭ не нашел достаточно широкого применения в отечественной практике фильтрационных модельных исследований. Одной из причин, возможно, является трудоемкость процесса разбивки, приспособленной к сложным очертаниям границ и свободной поверхности. В конечных разностях используется регулярная ортогональная сетка, строить которую и назначать нумерацию узлов удобно. Конечноэлементная разбивка многовариантна. Учитывая удобство привычной (из конечноразностных схем) разбивки области с использованием двух семейств пересекающихся линий, в программной системе PERFIL\CROSSNET сетка строится так же - с помощью вертикальных линий и линий невертикального направления. Четырехугольные блоки автоматически делятся программой на пары треугольных элементов. Такая разбивка дает возможность регулярной двухмерной (табличной) нумерации узлов и элементов, что удобно как при подготовке и вводе данных, так и при анализе результатов. Существенным препятствием использованию МКЭ долгое время являлась потребность в большой оперативной памяти компьютера для массивов параметров и коэффициентов решающей матрицы, размер которой находится в квадратичной зависимости от количества узлов сетки. Для увеличения максимального количества узлов модели потребовалась разработка приемов уплотнения матриц в процедуре исключения Гаусса. В настоящее время проблема с памятью неактуальна, но разработанная модификация метода Гаусса на больших сетках дает заметный выигрыш по скорости, учитывая, что нелинейность задачи и граничных условий требует применения итерационного счета. Программа CROSSNET (2022) создавалась в линейке программ конечноэлементного моделирования TETRAGON – PERFIL – 1WELL. Разработка программы профильного моделирования осуществлялась, исходя из реальных потребностей проведения прогнозных и разведочных расчетов на проектируемых или реконструируемых гидротехнических, теплоэнергетических, горнодобывающих и городских объектах в самых разнообразных природных условиях. В процессе работы учитывались возникающие потребности в моделировании дополнительных случаев и в удобстве операторской работы. Подтема 4. По этим работам в 2022 г. сделаны три доклада и опубликованы две статьи в сборниках конференций. «Больным местом» для моделирования является верификация его результатов. В этих целях по результатам моделирования и геотермическим данным предпринята оценка мощности ММП острова Новая Сибирь. По результатам исследований сдана статья в «Вестник Санкт-Петербургского университета, Науки о Земле», сделан доклад и опубликована статья в сборнике конференций. Сделан также доклад и опубликована статья об изученности криолитозоны Баренцево-Карского шельфа. В исследовании лагунных берегов Таймыра и прилегающего притаймырского мелководья выявлено, что ведущим фактором образования эстуариев в устьевых частях рек и ручьев, преобразуемых в дальнейшем в лагуны, является морской лед. Показано, что в холодное средневековье зона воздействия льда смещалась на север. Интерпретация дешифрируемых образований убеждает авторов в существовании предпосылок для расчленения арктического пояса морских берегов и берегоформирующих процессов на две зоны: южную и северную. В первой из них одними из ведущих являются криогенные процессы, во второй – ледовые. Результаты работ доложены на двух конференциях, опубликована в тезисах ИКИ РАН.
8 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа: В 2023 г. в ЛОГС выполнялись фундаментальные исследования по теме: «Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности». Единая тема включает 4 подтемы, в соответствии с направлениями исследований лаборатории: 1) геохимические барьеры и кинетика растворения вещества, 2) изучение процессов образования и разрушения органо-металлических комплексов в природных водных системах, 3) математическое моделирование для задач инженерной геологии и гидрогеологии, 4) изучение криогенных процессов в Арктике. Подтема 1 «Геохимические барьеры» В 2023 г. по подтеме 1 (в рамках общей госбюджетной темы ЛОГС) были выполнены исследования по следующим направлениям: 1) обобщение полученных в ЛОГС многолетних данных о поглощающей способности щавелевоалюмосиликатного геля в отношении тяжелых металлов, выразившееся в создании руководства по производству песчано-гелевого материала для создания проницаемых сорбирующих экранов; и 2) исследование инъекционного раствора на основе эпоксидной смолы и коллоидного кремнезема для создания противофильтрационной завесы против утечек рассолов из шламохранилища отходов калийного производства. Результаты научной работы по двум названным направлениям нашли применение в практике в рамках договорных НИР. Продолжено также изучение кинетики растворения гипса с целью получения констант скорости растворения для прогнозного моделирования поведения растворимых пород: гипса и ангидрита. В ходе выполнения проекта «Разработка технического регламента на производство и применение песчано-гелевых материалов для сооружения противомиграционных завес» обобщен опыт лабораторных исследований песчано-гелевых материалов (ПГМ), а также результаты полевых опытных работ с применением инновационного материала – сухого ксерогеля (ПГСМ). Это материал, приготовленный на основе песка и щавелево-алюмосиликатного геля, который после отверждения разрушается и просушивается. По сравнению с другими инъекционными растворами, используемыми для сооружения геохимических барьеров, он обладает высокой проницаемостью, зависящей от гранулометрического состава песка, используемого при его приготовлении. ПГСМ обладает такими характеристиками проницаемого реакционного барьера (ПРБ), как: а) реактивность – норма реакции и равновесия, используется, чтобы определить требуемое время эксплуатации и размер сорбирующего барьера; для того, чтобы быть эффективным, барьер должен остановить загрязнители в пределах реактивного материала; б) стабильность – реакционный материал должен быть активным и сохраняться в приповерхностной среде в течение достаточно длительного времени (в течение всего времени эксплуатации объекта), т.к. извлекать и заменять реактивную среду трудоемко и дорого; в) доступность и невысокая стоимость – реакционный материал не должен быть дефицитным и иметь разумную стоимость для осуществления рентабельной стратегии защиты водных ресурсов. Назначение и область применения ПГСМ: 1) использование в качестве горизонтального геохимического барьера для очистки жидких промышленных отходов от тяжелых металлов и радионуклидов; 2) использование в качестве вертикального геохимического проницаемого барьера при миграции загрязнителей (тяжелых металлов и радионуклидов) с потоком грунтовых вод. Полевые и лабораторные исследования подтверждают эффективность ПГСМ-Ксерогеля, как противомиграционного барьера в отношении тяжелых металлов и радионуклидов. Примером могут служить установленные величины поглощающей способности (N, мг/см3) в отношении: Pb – 1,2-4,0; Cd – 1,1-2,2; Cu – 1,0-2,0; Zn – 1,0-2,2; Fe – 5,8; Ni – 1,3-1,5; Mn – 8,1; Hg – 0,4 – 0,13; Sr – 0,1-2,1; Cs – 1,9; Nd – 1,9; Th – 3,4; U – 4,4. Сорбционные характеристики сорбционного барьера на конкретном объекте могут варьировать в зависимости от исходных концентраций элементов-загрязнителей, их количества, общей минерализации в очищаемом фильтрате. Величину N можно повысить внесением в ПГСМ-Ксерогель добавки FeS. Так, например, внесение 20% FeS в исходный материал повышает его сорбционную способность по Pb до 33, 8 мг/см3. Поэтому при использовании Ксерогеля для сооружения противомиграционного экрана на конкретном объекте необходимо проводить предварительные исследования сорбирующей способности материала в отношении конкретных загрязнителей для расчета необходимой мощности экрана с учетом гидрогеологической обстановки и инженерных задач. На основе анализа лабораторных и полевых материалов было подготовлено «Руководство по производству песчано-гелевых материалов для сооружения противомиграционных завес». В нем, в качестве основных позиций, изложены: 1) требования к материалам и компонентам для изготовления ПГСМ; 2) схема технологического процесса приготовления ПГСМ; 3) технология создания геохимического барьера на основе ПГСМ для локализации очагов загрязнения. По второму направлению (защита от утечек рассолов) выполнены исследования инъекционного раствора на основе эпоксидной смолы и коллоидного кремнезема с отвердителем полиэтиленполиамином (ПЭПА), устойчивого к агрессивной солевой среде отходов калийной добычи (раствор разработан на кафедре инженерной и экологической геологии, патент «Инъекционный раствор для закрепления пескосодержащего массива». Авторы Пензев А.П. (RU), Самарин Е.Н. (RU). ИЗ №2785603. Опубликовано: 09.12.2022 Бюл. № 34). В ходе испытаний были получены образцы закрепленного раствором песка, которые хранились в агрессивной среде рассола из шламохранилища Усольского калийного комбината компании «Еврохим». Образцы закрепленных песков готовились в инъекционных колоннах и на физических моделях с целью получения наиболее приближенных к природным условиям модифицированных грунтов. После хранения закрепленных образцов в течение 2 месяцев в разных средах (в условиях водонасыщения и насыщения рассолом) определялись их физические, прочностные и деформационные свойства и проводилось сравнение с исходными характеристиками. По полученным результатам испытаний раствор на основе эпоксидной смолы и коллоидного кремнезема можно считать перспективным для создания противофильтрационного экрана для защиты от утечек из шламохранилища в условиях агрессивной солевой среды. В дальнейшем эти исследования будут продолжены. Геофильтрационное моделирование является частью исследований при изучении распространения загрязнителей в окружающей среде. Для прогнозирования процессов засоления подземных и поверхностных вод разработаны геофильтрационная и геомиграционная модели шламохранилища Усольского калийного комбината. Модель станет основой для дальнейшего наблюдения за ситуацией с утечками. В результате анализа литературных источников определены средние значения константы скорости реакции растворения гипса в воде и энергии активации, полученные в условиях кинетического и диффузионно-кинетического контроля. Рассчитанная температурная зависимость подчиняется уравнению Аррениуса в диапазоне 0-42°C. Повышение температуры раствора (t > 42°C) вызывает перевод процесса в диффузионную область. Предположено, что граница между макрокинетическими областями скорости растворения гипса в воде при 42°C соответствует границе между стабильными состояниями гипса и ангидрита в системе “гипс-ангидрит-вода” (42°C). Это позволяет предположить, что на большей части эвапоритовых месторождений в первую очередь происходит выпадение гипса, и во вторую – ангидрита. Впервые эти результаты получены на данных кинетических экспериментов по растворению гипса. Уточнение последовательности выпадения гипса и ангидрита из раствора имеет значение при моделировании растворения этих солей в районах распространения карста. Подтема 2: «Изучение процессов образования и разрушения органо-минеральных комплексов в природных водных системах» Изучение процесса переноса вещества является одной из главных задач геохимии. Бореальная зона играет решающую роль в переносе элементов с континентов в океан в высоких широтах. Она является одной из самых уязвимых зон в мире из-за ее низкой устойчивости к промышленному воздействию, низкой продуктивности наземной биоты и ограниченной биологической активности в течение года. Изменение климата приводит к увеличению стока рек и высвобождению углерода и металлов из вечной мерзлоты, что влечет за собой изменение потоков элементов, экспортируемых в океаны, а также их форму нахождения в речных водах. Формы нахождения металлов в природных водах представляет все больший интерес и важность, поскольку токсичность, биодоступность и биогеохимическое поведение в целом сильно зависят от формы нахождения металлов в речных водах. Целью проведенных в 2023 г. исследований было определение форм нахождения металлов и растворенных органических соединений в речных водах бореальной зоны. Оценку форм нахождения металлов проводили с использованием комплекса физических (фильтрации), химических (ионообменная хроматография) и расчетных (Visual MINTEQ) методов исследования. Объектами исследования были поверхностные воды четырнадцати водных объектов бореальной зоны. Опробованные реки расположены в разных регионах европейской части России: Лундожма, Ивняшка, Кой, Ковжа, Илекса – Вологодская область; Черпайоки, Пионерка и Мга – Ленинградская область; Ухта, Оланга, Вуокса и Лемб – республика Карелия; Межа – Тверская область; Сеньга – Владимирская область В исследованных реках содержания Fe, Cu, Pb, Ni, Cd и Zn не превышают значений ПДК, за исключением Fe в реках Межа, Лундожма, Лемб и Черпайоки, что связано с физико-географическими условиями территорий (заболоченность), где протекают данные реки. По анализу спектральных данных было получено, что в реках Межа и Сеньга преобладают аллохтонные органические соединения, а в остальных реках – автохтонные. При этом реки Ивняшка, Пионерка, Вуокса и Лундожма характеризуется более высокими молекулярными массами и степенью гумификации органических соединений относительно рек Илекса, Ухта, Лемб и Кой. Было получено, что в исследованных реках бореальной зоны в период летней межени для железа преобладающей формой нахождения является коллоидная. Для меди, никеля, кадмия и цинка преобладающей формой нахождения является истинно растворенная. Для свинца четкой зависимости не наблюдается. Расчеты с использованием программы Visual MINTEQ показали, что для железа, меди и свинца характерная форма нахождения – связанная с органическим веществом. При этом практически во всех объектах исследования, кроме рек Черпайоки, Илекса и Мга, железо, медь и свинец практически 100% образуют органические комплексы. Для никеля, цинка и кадмия также преобладающая форма нахождения – связанная с органическим веществом, но не в такой степени. Экспериментальные данные показали, что Fe и Cu преобладают в виде анионных комплексов вида [MeL]n-, предположительно образованные с высокомолекулярным органическим веществом. Большая часть Pb, Ni, Cd и Zn в исследованных водах находится в виде катионных или нейтральных комплексов вида [MeL]m+ и [MeL]0, соответственно. Вероятнее всего, такие комплексы образованы с низкомолекулярными органическими лигандами, в том числе и с продуктами метаболизма биоты. Подтема 3: «Разработка моделей и программного обеспечения прогностических и экспериментальных исследований гидрогеомеханики при изучении закономерностей воздействия подземных вод на природно-технические системы (математическое моделирование для задач инженерной геологии и гидрогеологии)» Область приложения результатов исследований соответствует общей теме ЛОГС – прогнозирование влияния геологических и техногенных факторов на условия строительства и эксплуатации сооружений гидротехнической, теплоэнергетической, транспортной, гражданской отрасли и обеспечение безопасности хозяйственной деятельности. Для решения задач разработана и на многочисленных объектах апробирована программа моделирования CROSSNET (I этап). На II этапе охвачен ряд схем, связанных с разными типами граничных условий и нестационарными процессами. В инженерных изысканиях рассматривают грунтовые водоносные горизонты со свободной поверхностью. Это целый класс задач, требующих особого подхода к схематизации и математической формализации моделей. Анализ типовых схем и необходимых данных позволил разработать систему моделирования, которая может рассматриваться как универсальная для решения стационарных и нестационарных задач напорной и безнапорной фильтрации. Особое внимание уделено типам граничных условий. Программа моделирования содержит код решения дифференциального уравнения методом конечных элементов. Метода применителен к расчетам потока в водоносном горизонте с угловым несогласием слоев, перетеканием и инфильтрацией. Многочисленные факторы нелинейности задач: свободная поверхность, подтопление поверхности земли, осушение дренажей и подпор ложа водоемов - определяют необходимость автоматизированного итерационного поиска. Построение сетки, задание граничных условий и параметров производится непосредственно на экране. Работа с табличным и графическим редактором данных сопровождается перестроением модели после ввода каждого числового параметра. Использование программы не требует специальных теоретических знаний подземной гидродинамики и вычислительной математики. Графический конструктор сетки и наглядное представление результатов обеспечивают также возможность использования программы для ознакомления студентов с профильными моделями и практических занятий в учебном курсе инженерной гидрогеологии. В составе исследований в общей теме ЛОГС решение задач моделирования обеспечивает гидродинамическую основу, параметры при изучении развития и негативного влияния на безопасность хозяйственной деятельности процессов оползневых и осадочных деформаций, подпора, заболачивания, загрязнения подземных вод и мн. др. На основе решения могут быть получены производные характеристики – скорости, давления, гидродинамической силы. Из решения профильной задачи фильтрации следует оценка подтопления, заболачивания, подпора водоема, высачивания, устойчивости склонов и сооружений, фильтрационных потерь из водохранилищ или хранилищ отходов, загрязнения и других явлений. Работа по направлению 3 общей темы ЛОГС направлена на изучение вопросов теории, формализации гидродинамических условий и численного моделирования исторически сложившегося класса задач профильной фильтрации, несколько забытых и недостаточно описанных в литературе. Поэтому необходимо по возможности полно произвести ревизию и изложить постановку задачи, математический аппарат, алгоритм автоматизированных операций и работу с данными, т.е. представить все необходимые сведения для профильных расчетов в программной системе. Отличие от плановой задачи. Расчеты плановых потоков оперируют осредненными по вертикали напорами. Они приемлемы, когда размеры потока по площади значительно превышают мощность. В отличие от плановой задачи профильная рассматривает двухмерное, деформированное в разрезе поле напоров и производных характеристик: скоростей, расходов, давлений, гидродинамической силы. Привлекательной стороной задачи является возможность учета неоднородности разреза и задания в ограниченном интервале разреза источников возмущения: дренажей, штолен. Плановыми расчетами не может быть решена нелинейная задача поиска свободной поверхности, особенно при пересечении ею слоев, при подпоре ложа водоема и отрыве от него, при осушении дренажа. Крайне затруднено в плановых задачах выявление высачивания и заболачивания поверхности земли. Профильная модель учитывает сложные случаи залегания слоев, «врезки» сооружений. Несовершенные дренажи и водотоки, противофильтрационные завесы задаются пользователем непосредственно их размерами и сопротивлением. Граничные условия с напорами или расходами присваиваются требуемому интервалу разреза или участку поверхности земли, дна водоема. В плановых моделях, для сравнения, несовершенные дрены, завесы моделируются с применением метода фрагментов, справедливого для однородного разреза и известной мощности потока. Специфические условия возникают в профильных задачах с переменным во времени положением границы водоема, с подтоплением слоев и затоплением поверхности земли. Требования к модели. Свободная поверхность потока делает задачу нелинейной, с заранее неизвестным размером области решения. В этом случае не может быть строго задан подтопленный контур дренажа, участки подпора дна водоема, высачивания на поверхности земли, мощность подтопленной части слоев. Решение требует детерминированной формулировки граничных условий, которые могут влиять на размеры искомого гидродинамического поля. В схеме со свободной границей области ключевыми являются обоснованный выбор метода решения дифференциального уравнения, автоматизация перестроения сетки и переопределения типов граничных условий. Каждый из видов дренажей: ряд вертикальных или ряд горизонтальных скважин, горизонтальная дренажная труба, дренажная щель или пластовый дренаж - формализуется своим типом граничного условия и требует своего индивидуального расчетного блока в алгоритме программы. Помимо, собственно, математических операций с матрицами, разработана удобная подготовка сетки с заданием геометрии слоев, параметров и граничных условий непосредственно на экране, графическая визуализация результатов, файловые операции. Определенные правила отображения на экране слоев и задания граничных условий обеспечивают типовую формализацию задачи и унифицированный интерфейс программы. Область решения задачи - плоскость разреза, ограниченная снизу водоупором, сверху поверхностью земли, фундаментом сооружения, дном водоема. Поток направлен к дрене (реке, ряду скважин), положение которой фиксировано, поэтому логично начало оси координат x привязать к этому сечению, на левой границе области. Общий градиент напоров и общий уклон поверхности земли имеет положительный знак, а поток в дрену (справа налево) - отрицательный. С направлением оси x в алгоритме программы связан прием трансформации элементов сетки. При этом не исключаются участки с обратными уклонами поверхности потока, например, купол растекания под влиянием локальной инфильтрации. В пределах области функция напора имеет неразрывные производные. В случае резкого локального возмущения (при включении ряда дренажных скважин, при падении уровня водоема) схема гидравлически единой системы работает до тех пор, пока не происходит разрыв сплошности потока (другими словами, пока в области потока и на границах сохраняются неотрицательные величины гидростатического давления p ≥ 0 и пьезометрической высоты hp ≥ 0). ГУ 1-го рода задается в узлах с известным напором. Фиксированным ГУ 1-го рода может быть: • дно водоема, горизонтальной дрены с совершенной связью с подземными водами; • вертикальная граница питания или разгрузки; • горизонтальная выработка, дренирующая штольня вкрест разреза; • нижняя граница области (для тестовых расчетов). Временное ГУ 1-го рода возникает при высачивании или заболачивании поверхности земли. Заранее место высачивания неизвестно, оно может возникнуть в процессе итераций и на следующем шаге исчезнуть, если в прилегающих к узлу на поверхности выявляются нисходящие градиенты. Если напор в узле на вертикали равен или превышает ординату поверхности земли, то задается ГУ 1-го рода с признаком возможной отмены. Отрыв от поверхности земли обеспечивается проверкой названных выше условий и использованием генератора случайных чисел. Таким образом, для последующих итераций ГУ 1-го рода жестко не фиксируется. Временное ГУ 1-го рода на участке высачивания отменяется, если: • в узле под поверхностью земли получено отрицательное давление; • узел с высачиванием одиночный, а на вертикалях справа или слева его нет; • свободная поверхность образует бугор. ГУ 2-го рода с заданным расходом. На правой границе может быть задано латеральное питание потока. Расход Q, удельный по фронту, м3/сут/м, распределяется по вертикали, исходя из предпосылки о постоянном в сечении градиенте напора, которая более справедлива, чем предпосылка Дюпюи-Форхгеймера о постоянстве скоростей и напоров. Временное ГУ 2-го рода возникает в процессе итерационного счета в случае свободной инфильтрации из водоема, когда выявляется отрыв поверхности потока от ложа по всей его площади или на участке. В этом случае автоматически производится замена ГУ 3-го рода на ГУ 2-го рода. Инфильтрационный расход между соседними вертикалями учитывается, если хотя бы на одной из них имеет место отрыв. Непроницаемая граница (ГУ 2-го рода с нулевым расходом) распознается: по нижнему контуру области при отсутствии перетекания; на правой и левой вертикали, если не задано ГУ с напором или расходом, или заданы, но не по всем узлам; формально на свободной поверхности при отсутствии инфильтрации; по контуру непроницаемого сооружения. Условие учитываются при вычислении коэффициентов матрицы. Пограничные и непроницаемые элементы пропускаются. ГУ 3-го рода задается в узлах, расположенных по контуру дна водоема со слабопроницаемым экраном, на линиях вертикального и горизонтального ряда дренажных скважин. ГУ 3-го рода задается также вдоль подошвы горизонта при наличии перетекания. Расчетная схема учитывает ГУ 3-го рода путем интегрирования водообмена по сторонам четырехугольных блоков, совпадающих с контуром. • Граница может проходить точно по вертикальным или горизонтальным образующим сетки. • Граничные напоры и сопротивления должны присваиваться, по крайней мере, двум соседним узлам. Расчетные зависимости и алгоритм изложены в статье 2023 года в журнале «Инженерная геология». Как правило, профильные задачи - локальные и крупномасштабные. Основой расчета является разрез по линии тока с карты гидроизогипс. При ее отсутствии таковой используют линию тока на плановой модели, наметившей картину течения, но не способной учесть слоистую неоднородность и несовершенство границ. Расчеты фильтрации в плоскости разреза, построенного по оси ленты тока. В случае плоскопараллельной фильтрации использование разреза по линии тока не вызывает сомнений, например, в основании плотины, дамбе, склоне. Но в потоке сложной структуры, при нарастании расхода за счет перетекания, инфильтрации - положение ленты тока не очевидно. Разработка системы исходила из намерения обеспечить доступный инструмент моделирования с эффективным алгоритмом итерационного поиска свободной поверхности, участков высачивания и подпора висячих водоемов. Непременное условие для профильной задачи - графическое изображения и печать электронного разреза, удобное представление результатов: положения свободной поверхности, напоров и расходов потока в табличной и графической форме. Количество задаваемых данных должно быть сведено к минимуму, а решение - не требовать специальных знаний вычислительной математики. Должен быть предусмотрен максимально полный охват схем фильтрации в неоднородных горизонтах, в сложных гидрогеологических и технических условиях. Программа PERFIL использовалась в разработках институтов Гидропроект, Гидроспецпроект, Теплоэлектропроект, МосводоканалНИИпроект, Мосинжпроект и других проектно-изыскательских организаций, в учебных занятиях курса «Инженерная гидрогеология» на геологическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова. Программа имеет свидетельство государственной регистрации РФ. На основе разработанного кода впоследствии параллельно разрабатывается программная система 1WELL моделирования профильной фильтрации со свободной поверхностью в осесимметричной формулировке (в цилиндрических координатах). Назначение программы - симуляция и обработка откачек и наливов в несовершенных скважинах в неоднородных пластах, планирование конструкций и длительности опытов. Полное описание теории моделирования скважин и интерфейса программы 1WELL опубликовано. Подтема 4: «Изучение закономерностей проявления криогенных процессов в Российской Арктике» Направление исследований 2023 г. соответствовало общему многолетнему целевому заданию и формулировалось как «Изучение закономерностей проявления криогенных процессов в Российской Арктике». Решались две группы процессов. Первая – это деградация многолетнемерзлых пород (ММП), сформировавшихся в плейстоценовые криохроны. Она происходит в основном за счет теплового потока из недр. С этим процессом связано распространение ММП, их строение, глубина залегания кровли, подошвы (мощность ММП) и сочетание с зоной стабильности газовых гидратов (ЗСГГ). Изучение ММП и ЗСГГ осуществлялось коллективом с помощью численного моделирования. Вторая группа – современные криогенные процессы в береговой зоне и в пределах мелководий. Их изучение производилось с помощью аэрокосмических методов. Актуальность исследований обеих групп процессов связана: 1) с необходимостью создания научных основ для сооружения и последующего эффективного использования - национальной морской транспортно-логистической системы ближайшего будущего; 2) с необходимостью получения данных, позволяющих осуществлять выбор безопасных методов поисково-разведочного бурения, и производить оценку экологических последствий разведки и освоения нефтегазовых ресурсов Восточно-арктического шельфа. По первому направлению опубликовано две статьи в сборниках и сделано 9 докладов. Геокриологическая карта арктического шельфа страны составлена на рубеже 1970-80 гг., т.е. почти полвека назад. Поэтому основной задачей почти каждой работы явно или подспудно является подготовка методологической и фактологической базы для геокриологического картирования шельфа. Этому посвящены обе публикации (Гаврилов, Малахова, 2023; Гаврилов и др., 2023), доклад по современной изученности криолитозоны шельфа Восточной Сибири. Необходимо отметить: в статье по изученности указано, что перечень опорных данных пополнился материалами геофизических исследований. Это данные МОГТ (метод общей глубинной точки) на периферии шельфа (Богоявленский и др., 2021; 2022). Они позволили подтвердить достоверность результатов численного моделирования, полученных еще в 1998-2005 гг. (Романовский и др., 1999; 2003; 2004). К таким же опорным данным относятся электроразведочные данные (Яковлев и др., 2018; Кошурников, 2023). В составлении геологической карты масштаба 1: 1 000 000 (третье поколение) остро дискутируются сейчас три проблемы истории геологического развития Восточно-Сибирского шельфа. Впервые в истории применения численного моделирования оно использовано для их решения палеогеографических проблем (изданная статья и один из докладов (Гаврилов и др., 2023). Второе направление исследований представлено двумя статьями в сборниках, одними тезисами и восемью докладами. Статьи и четыре доклада демонстрируют возможности космических методов в характеристике распространения преимущественно деструктивных криогенных и гляциальных процессов (Пижанкова и др., 2023). В тезисах доклада, двух докладах по Карскому шельфу и двух - по Российскому и Североамериканскому шельфам показывается, что в современных и голоценовых отложениях, несмотря на их засоленность, получает развитие морозобойное растрескивание и формирование повторно-жилых структур (Гаврилов, Пижанкова, 2023). Заполнение трещин, как видно из наземных описаний, практически повсеместно осуществляется льдом. В подавляющем большинстве случаев фациально повторно-жильные льды (ПЖЛ) наблюдаются в заполняющихся осадками лагунах. Другой характерной чертой является формирование ПЖЛ в условиях существенной океанизации климата.
9 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа:
10 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа:
11 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Теоретическое и экспериментальное изучение влияния геологических и техногенных факторов на безопасность хозяйственной деятельности
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".