ПРОГРАММА-МИНИМУМ КАНДИДАТСКОГО ЭКЗАМЕНА

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 25.00.07 – «ГИДРОГЕОЛОГИЯ»

В основу программы-минимум положены следующие вузовские дисциплины:

гидрогеология, гидрогеодинамика, геогидрология, гидрогеохимия, физико-химическая

гидрогеодинамика, гидрогеодинамика гетерогенных сред, поиски и разведка подземных

вод, региональная гидрогеология.

ВВЕДЕНИЕ

Современные подразделения и актуальные задачи гидрогеологии, её связь с другими науками. Основные этапы развития мировой и отечественной науки о подземных водах. Значение подземных вод в народном хозяйстве.

I. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

Представления о происхождении гидросферы планеты. Единство природных вод Земли. Водный баланс суши, подземная ветвь общего круговорота воды на Земле.

Инфильтрационная и конденсационная теории происхождения подземных вод;

современные представления о формировании ювенильных магматогенных и седиментогенных подземных вод.

Вода в горных породах, её свойства и подвижность. Классификация подземных вод по типу водовмещающих пород и условиям залегания.

Принципы гидрогеологической стратификации. Основные элементы гидрогеологического разреза. Типы гидрогеологических структур. Критерии выделения, закономерности строения и развития.

II. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОДИНАМИКИ

II.1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ

Действующие силы при движении жидкости. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости. Закон Ньютона для вязкого трения. Режимы течения в водных потоках, законы ламинарного и турбулентного течения. Гравитационный потенциал, напор, гидродинамическая сила, общие и нейтральные напряжения в водонасыщенной среде.

Закон фильтрации Дарси и границы его применимости, обоснование начального градиента фильтрации на основе модели начальных сдвиговых напряжений характеристика проницаемости дисперсных и трещиноватых пород на основе моделей капиллярных трубок и щелей.

Основы теории влагопереноса в ненасыщенных породах. Основные гидрофизические характеристики.

Гравитационная ёмкость (водоотдача и недостаток насыщения), её динамика за счёт влияния капиллярных сил.

Упругая ёмкость водоносных пород, характеристика её параметров, модель среды с двойной ёмкостью для учёта гетерогенности пород и пластов.

Принципы построения гидрогеодинамических моделей и схематизации геофильтрации. Теоретическая модель нестационарной геофильтрации. Предпосылка Дюпюи. Модель планового потока для пласта с постоянной проводимостью, безнапорного и слоистого пластов. Проводимость планового потока, предпосылки перетекания.

II.2. МЕТОДЫ РАСЧЁТОВ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ

Постановка геофильтрационных задач (прогнозных, эпигнозных, разведочных), понятие вычислительно-модельных экспериментов.

Аналитические решения уравнений одномерной стационарной и нестационарной геофильтрации.

Свободная и подпёртая фильтрация в ложе водоёмов и водотоков. Обоснование эквивалентной длины несовершенства водотока (параметра L).

Методика компьютерного моделирования геофильтрации: сущность метода конечных разностей (МКР) и конечно разностная сетка. Аппроксимация уравнения геофильтрации с помощью МКР. Система сеточных уравнений геофильтрации, построение сеточных схем профильных и плановых, квазитрёхмерных и трёхмерных потоков, вывод конечно-разностных уравнений, явные и неявные разностные схемы.

Принципы и методы калибрации геофильтрационных моделей.

Определение геофильтрационных параметров водоносных пластов и интенсивности инфильтрации по данным режимных наблюдений.

Моделирование влагопереноса для расчётов инфильтрационного питания и определения параметров влагопереноса.

Методы геофильтрационных расчётов потоков переменной плотности с зонной и непрерывной изменчивостью плотности воды. Понятие о приведённом напоре, методах его расчёта и использования. Задача интрузии морских вод, построение плана течения потока высокоминерализованных вод.

Формирование упругого режима фильтрации под действием геодинамических факторов: влияние изменений атмосферного давления, влияние земных приливов на микроколебания уровней в скважинах.

II.3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ СКВАЖИН И ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Радиальная фильтрация к скважине. Воронка депрессии от совершенной скважины, работающей с постоянным дебитом при стационарном режиме. Несовершенство скважины, понятие скин-эффекта и расчётного радиуса. Модель точечного и линейного стока для скважин, несовершенных по степени вскрытия пласта. Решение Тейса и его преобразование для квазистационарного режима. Закономерности формирования воронки депрессии в пласте с перетеканием. Методы диагностики и интерпретации откачек.

Расчёты взаимодействующих водозаборных скважин методом сложения течений.

Метод отражений для учёта прямолинейных границ потока, использование метода фильтрационных сопротивлений для расчётов контурных систем скважин на примере берегового водозабора.

Гидрогеодинамические расчёты для обоснования зоны санитарной охраны водозаборов. Зона захвата скважины в естественном потоке вдали от реки и у реки.

II.3. МАССО- И ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПОТОКАХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Формы массопереноса в горных породах: конвекция, диффузия, гидродинамическая дисперсия (продольная и поперечная).

Модель конвективного переноса в гомогенных породах с учетом равновесных и неравновесных процессов массообмена. Коэффициент замедления.

Гидродинамическая дисперсия. Модель конвективно-дисперсионного переноса в гомогенных породах. Анализ фундаментальной задачи одномерного конвективнодисперсионного переноса: скорость переноса фронта загрязнения, оценка размеров переходной зоны. Влияние вида изотермы сорбции на переходную зону. Роль поперечного рассеивания в плановом потоке.

Модели гетерогенно-блоковой среды, модели переноса в слоистых пластах.

Макродисперсия.

Теплоперенос в фильтрационном потоке: физические основы, применение данных термометрии для определения элементов потока подземных вод в водоносных и разделяющих пластах.

Расчёты массопереноса в зоне аэрации, оценка защищённости грунтовых вод.

Построение траекторий движения частиц на основе сеточного поля скоростей с использованием компьютерного моделирования, интерполяционный расчёт поля скоростей.

Численное моделирование массо- и теплопереноса с использованием методов конечных разностей и характеристик.

Связанные модели геофильтрации, миграции и теплопереноса в потоке переменной плотности. Связь плотности жидкости с температурой и концентрацией.

Дифференциальное уравнение геофильтрации в потоке с непрерывно-переменной плотностью в терминах напора пресной воды. Связь с уравнением массо(тепло)переноса.Численное моделирование фильтрационных потоков переменой минерализации.

III. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОХИМИИ

III.1. СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ПОРОД

Основные группы состава подземных вод (макро–, мезо– и микрокомпоненты, изотопы, растворённые газы, органическое вещество, микроорганизмы). Количественные выражения составов и их названия. Типичные компоненты каждой группы.

Минерализация.

Основные компоненты состава пород (минералы, органическое вещество, обменный комплекс). Количественные выражения составов. Активность компонентов.

Основные компоненты состава почвенного воздуха и их концентрации. Активные газы. Фугитивность. Растворимость составляющих газов в зависимости от P-T условий.

Влияние минерализации подземных вод на растворимость (высаливание).

Гидрогеохимическая система, ее компоненты и характеристики. Выделение системы. Открытые и закрытые системы. Концентрации и активности компонентов системы. Простая модель процессов. Основной постулат химической кинетики, закон действия масс.

III.2. ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ВЕЩЕСТВА

Процессы преобразования состава подземных вод (комплексообразование, деструкция, растворение, ионный обмен, сорбция). Специфика для групп компонентов.

Критерии равновесия. Кинетика.

Гомогенные процессы в подземных водах. Комплексообразование и деструкция в природных водах. Равновесие и кинетика. Роль этих процессов в формировании состава подземных вод.

Растворение, осаждение, выщелачивание. Причины возникновения этих процессов.

Индекс насыщения. Простые модели кинетики растворения. Хемосорбция на кальците.

Ионный обмен и сорбция. Возможности сорбции катионов и анионов в зависимости от pH.. Модель гомовалентного обмена. Конвенции гетеровалентного обмена. Изотермы сорбции. Основные вещества-сорбенты. Роль в процессах формирования состава подземных вод.

Окисление-восстановление, Eh и pe. Окисление сульфидов на примере пирита.

Особенности накопления и закономерности миграции макрокомпонентов.

Консервативные и неконсервативные вещества. Геохимические барьеры. Миграция как прохождение геохимических барьеров.

Микрокомпоненты подземных вод, их значение для хозяйственно-питьевого водоснабжения и промышленное использование. Растворённые органические вещества.

Условия природного накопления Fe, Mn, Hg, F и Sr.

III.3. ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Формирование модели равновесия в гидрогеохимической системе. Задание состава системы. Принципы построения модели состава подземных вод на основании химического анализа. Моделирование смешивания подземных вод.

Обоснование модели вытеснения (каскад реакторов). Обоснование алгоритма.

Определение коэффициента замедления.

III. 4. ПРИРОДНЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Основные химические типы грунтовых вод и условия их образования.

Гидрогеохимическая широтная зональность грунтовых вод. Химические особенности грунтовых вод гумидных и аридных зон.

Вертикальная гидрогеохимическая зональность. Генетические типы хлоридных рассолов (инфильтрационные и седиментогенные). Гидрокарбонатно-натриевые (инверсионные) воды.

IV. ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ГИДРОГЕОДИНАМИКИ

IV.1. ОСНОВЫ МИГРАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ РАСТВОРОВ

Миграция однокомпонентного раствора при сорбции по различным изотермам.

Влияние комплексообразования с «сильными» лигандами на скорость миграции металлов.

Деформация переходной зоны микродисперсии при нелинейной изотерме сорбции (выпуклой и вогнутой).

Миграция катиона с «сильным» лигандом в гетерогенной среде (на примере аммония и фульвокислот).

Миграция при катионном обмене и взаимозависимой сорбции. Влияние природной распространённости химических элементов на миграцию радиоактивных изотопов.

Модели растворения пленочного засоления дисперсных пород в режимах мгновенного и медленного массообмена.

Модель подвижного геохимического барьера (на примере выщелачивания урана) в режиме равновесного растворения (аналитическое обоснование). Моделирование процесса методом каскада (проточных) реакторов.

IV.2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Развитие карбонатного карста. Уровни построения модели. Модели массоотдачи и раскрытия трещины. Трансформации совокупности трещин. Развитие структуры проницаемости слоистого массива карбонатных пород.

Влияние окисления минералов (сульфиды, фосфаты) на изменение состава эксплуатируемых подземных вод. Кинетика окисления пирита. Механическое ингибирование. Процессы в новой зоне аэрации. Загрязнения вод покрова и водоносного пласта.

IV.3. ОСНОВЫ МНОГОФАЗНОЙ МИГРАЦИИ

Характеристика свойств углеводородов как опасных загрязнителей подземных вод.

Лёгкие углеводороды (LNAPL) и тяжёлые углеводороды (DNAPL). Модель трёхфазной фильтрации для зоны аэрации и области полного насыщения.

Параметры модели миграции углеводородного загрязнения. Защемлённые углеводороды. Зависимости, определяющие капиллярные давления и относительные фазовые проницаемости в трёхфазной системе.

Модели биологического разложения углеводородов. Распад первого порядка.

Модель миграции растворённых нефтепродуктов (BTEX) на основе модели акцепторов электронов c учётом кинетики. Методы моделирования.

V. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ

ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Общие региональные закономерности распределения и формирования различных типов подземных вод на территории РФ. Зональность подземных вод.

Основные положения гидрогеологического районирования территории РФ.

Гидрогеологические области платформ. Формирование подземных вод в артезианских бассейнах платформенного типа. Гидрогеодинамическая и гидрогеохимическая зональность бассейнов. Особенности формирования подземных вод в пределах кристаллических массивов.

Гидрогеологические складчатые области; основные закономерности формирования и распространения подземных вод. Высотная гидрогеологическая поясность горных стран.

Бассейны подземных вод межгорного типа; межгорные впадины, конусы выноса.

Особенности формирования подземных вод в области распространения многолетнемёрзлых пород: надмерзлотные, межмерзлотные, таликовые подземные воды;

наледи и бугры пучения.

Основные типы лечебных (минеральных), промышленных и термальных вод:

особенности формирования и закономерности распределения.

Палеогидрогеология, основные задачи и методы палеогидрогеологических реконструкций. Понятие о гидрогеологических циклах развития артезианских структур.

VI. РЕЖИМ, БАЛАНС И РЕСУРСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Общий водный баланс речного бассейна, способы определения основных элементов баланса. Общие закономерности формирования и распределения величин подземного стока на территории РФ. Роль подземных вод в формировании общего речного стока и водного баланса регионов.

Понятие о режиме подземных вод и основных режимообразующих факторах.

Мониторинг подземных вод. Принципы размещения региональной и специальной сети наблюдений за режимом подземных вод. Обоснование размещения пунктов наблюдения и частоты опробования. Модельно ориентированный мониторинг. Изучение баланса подземных вод на основе наблюдений за их режимом. Прогноз естественного и нарушенного режима подземных вод.

Классификация ресурсов и запасов подземных вод в естественном режиме и при эксплуатации. Методы оценки эксплуатационных запасов подземных вод. Стадийность поисково-разведочных работ. Принципы прогнозирования качества подземных вод при длительной эксплуатации. Санитарная охрана водозаборов. Основы методики поисковоразведочных работ на месторождениях подземных вод в речных долинах, в артезианских бассейнах. Искусственное пополнение запасов подземных вод. Комбинированное использование водных ресурсов.

Подземные воды как элемент окружающей среды. Виды и источники загрязнения подземных вод. Охрана подземных вод при различных видах инженерно-хозяйственной деятельности.

VII. МЕТОДЫ ПОЛЕВЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Гидрогеологическая съёмка; цели и задачи, масштабы съёмок, основные виды работ; комплексные и специализированные съёмки. Дистанционные методы исследований при гидрогеологических съёмках. Принципы составления гидрогеологических карт различного масштаба (общих и специализированных).

Бурение и оборудование гидрогеологических скважин (разглинизация, изоляция водоносных горизонтов), фильтры водозаборных и наблюдательных скважин, водоподъёмные устройства.

Виды опытно-фильтрационных работ (откачки, наливы, нагнетания, экспрессопробования), области их применения и основные требования к проведению. Постановка и методика интерпретации опытных откачек в напорных и безнапорных пластах.

Виды опытно-миграционных работ (трасерные опыты: наливы, откачки, наливоткачка). Опытно-миграционные наблюдения. Гидрогеофизические исследования в скважинах (расходометрия, резистивиметрия), теоретические основы и рациональные условия их использования. Основной комплекс каротажных исследований гидрогеологических скважин.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ:

Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод. Изд. 2-е.

Киев, Выща школа, Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии. Изд. 2-е. М.: МГУ, Гидрогеодинамические расчёты на ЭВМ. М.: МГУ, Гидрогеология СССР. Сводный том, вып. I. М.: Недра, Крайнов С.Р., Рыженко Б.И., Швец В.М. Геохимия подземных вод. М.: Наука, Лехов А.В. Физико-химическая гидрогеодинамика. М.: МГУ, Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование геофильтрации. М.: Недра, Лукнер Л., Шестаков В.М. Моделирование миграции подземных вод. М.: Недра, Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологических, геокриологических, инженерно-геофизических и эколого-геологических исследований (учебное пособие). М.:

МГУ, Справочное руководство гидрогеолога в 2-х т. // Под ред. В.М. Максимова. Л.: Недра, Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: КДУ, Шестаков В.М., Поздняков С.П. Геогидрология. М.: Академкнига, Штенгелов Р.С. Формирование и оценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод. М.: Недра,

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. М.: Недра, Гриневский С.О. Гидрогеодинамическое моделирование взаимодействия подземных и поверхностных вод. М.: Инфра-М, Гуревич А.Е. Практическое руководство по изучению движения подземных вод при поисках полезных ископаемых. Л.: Недра, Дривер Дж. Геохимия природных вод. М.: Мир, Дюнин В.И., Корзун А.В. Гидрогеодинамика нефтегазоносных бассейнов. М.: Научный мир, Ковалевский В.С. Комбинированное использование ресурсов подземных и поверхностных вод. М.: Научный мир, 2001.

Мироненко В.А. Динамика подземных вод. Санкт-Петербург, СПбГУ, Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии в 3-х т. М.: МГГУ, Опытно-фильтрационные работы // Под ред. В.М. Шестакова и Д.Н. Башкатова. М.:

Недра, Питьева К.Е. Гидрогеохимия. М.: МГУ, Румынин В.Г. Геомиграционные модели в гидрогеологии. Санкт-Петербург, Наука, Фролов Н.М. Гидрогеотермия. М.: Недра, Чепмен Р.Е. Геология и вода. Л.: Недра, Шестаков В.М., Невечеря И.К. Теория и методы интерпретации опытных откачек. М.:

МГУ,