Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов
Побудовані часові ряди аніонно-катіонних показників хімічного складу шахтових вод Торезько-Сніжнянського вуглепромислового району з метою визначення природи спостережуваного процесу за період експлуатації шахт. Проведений аналіз часових рядів....
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2010
|
| Schriftenreihe: | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99588 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов / О.Ю. Квашук // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 276-285. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-99588 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-995882016-05-01T03:02:41Z Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов Квашук, О.Ю. Побудовані часові ряди аніонно-катіонних показників хімічного складу шахтових вод Торезько-Сніжнянського вуглепромислового району з метою визначення природи спостережуваного процесу за період експлуатації шахт. Проведений аналіз часових рядів. The time series of anion-cation indexes of chemical composition of mine waters of the Torezsko-Snizhnyanskiy coal-mining district was plotted with the purpose of determination of nature of the observed process on the period of mine exploitation. The time series has been analyzed. 2010 Article Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов / О.Ю. Квашук // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 276-285. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1996-885X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99588 622.51; 55:51-73 ru Наукові праці УкрНДМІ НАН України Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Побудовані часові ряди аніонно-катіонних показників хімічного складу шахтових вод Торезько-Сніжнянського вуглепромислового району з метою визначення природи спостережуваного процесу за період експлуатації шахт. Проведений аналіз часових рядів. |
| format |
Article |
| author |
Квашук, О.Ю. |
| spellingShingle |
Квашук, О.Ю. Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| author_facet |
Квашук, О.Ю. |
| author_sort |
Квашук, О.Ю. |
| title |
Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов |
| title_short |
Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов |
| title_full |
Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов |
| title_fullStr |
Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов |
| title_full_unstemmed |
Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов |
| title_sort |
оценка показателей химсостава шахтных вод торезско-снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов |
| publisher |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| publishDate |
2010 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99588 |
| citation_txt |
Оценка показателей химсостава шахтных вод Торезско-Снежнянского углепромышленного района на основе анализа временных рядов / О.Ю. Квашук // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2010. — № 6. — С. 276-285. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT kvašukoû ocenkapokazatelejhimsostavašahtnyhvodtorezskosnežnânskogouglepromyšlennogorajonanaosnoveanalizavremennyhrâdov |
| first_indexed |
2025-07-07T09:37:06Z |
| last_indexed |
2025-07-07T09:37:06Z |
| _version_ |
1836980399898624000 |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
276
УДК 622.51; 55:51-73
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ХИМСОСТАВА ШАХТНЫХ
ВОД ТОРЕЗСКО-СНЕЖНЯНСКОГО
УГЛЕПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА НА ОСНОВЕ
АНАЛИЗА ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ
Квашук О. Ю.
(УкрНИМИ НАНУ, г. Донецк, Украина)
Побудовані часові ряди аніонно-катіонних показників хіміч-
ного складу шахтових вод Торезько-Сніжнянського вуглепромис-
лового району з метою визначення природи спостережуваного
процесу за період експлуатації шахт. Проведений аналіз часових
рядів.
The time series of anion-cation indexes of chemical composition
of mine waters of the Torezsko-Snizhnyanskiy coal-mining district was
plotted with the purpose of determination of nature of the observed
process on the period of mine exploitation. The time series has been
analyzed.
За годы эксплуатации угледобывающих предприятий хими-
ческий состав подземных вод претерпевает значительные изме-
нения, в результате чего формируются новые гидрохимические
типы вод. В современных условиях закрытия угольных шахт и
перевода их в режимы как «мокрой» консервации, так и частич-
ного затопления, подразумевающего дальнейшую откачку шахт-
ных вод на поверхность или перетока в смежные шахты, вопросы
экологической безопасности сбросовых и шахтных вод остаются
открытыми и малоизученными.
Цель данной работы заключалась в установлении природы
наблюдаемого процесса и возможности прогнозирования даль-
нейших изменений химического состава подземных вод района.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
277
Для решения поставленной задачи по данным химанализов
шахтных вод за основной эксплуатационный период (1972-
2007 гг.) были построены временные ряды анионно-катионных
показателей шахтных вод.
Таблица 1
Сведения о шахтах
Шахта
Год
зало-
жения
Год
закры
кры-
тия
Разрабаты-
ваемые
пласты
Глубина
отработки,
м
Отметка
уровня
затопле-
ния, м
При-
ток,
водо-
выда-
ча,
м3/ч
Характер
водоотлив-
ного
режима
ГХК «Шахтерскантрацит»
Московская 1939 2001 l2
н, l3 328 +40,1 393/
393
Водоот-
ливной
режим
ГХК «Торезантрацит»
Объединенная 1915 2001 k2, k2
2, k3,
k4
1 495 -126,7 203/
203
Водоот-
ливной
режим
№3 бис 1915 2003 k2, k2
2, k4
1 687 -169,0 720/
720 III группа
Торезская №2 1943 2000 k5, k5
1, k7,
k7
в 487 +121,9 250/
0,0 Затоплена
Торезская №43 1915 2000 k2, k3 563 -94,0 40/
0,0
Переток на
шх. Объе-
диненная
Червона Зирка 1914 2001 k1, k2, k2
2,
k3
382 +74,5 331/
164
Водоот-
ливной
режим
Таблица 2
Сведения о химанализах
Шахта
Отбор проб Общий
период
наблюде-
ний, годы
Кол-во
общих
хим.
анализов
Интервалы
с до от до
1 2 3 4 5 6 7
Московская
1981 1984 2 5 +116 +108
1977 1991 14 22 +88 +15
1984 2005 20,8 19 сброс
Объединенная 1972 1991 19 28 +78 +10
1972 1992 19,5 30 -100 -118
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
278
Окончание таблицы 2
1 2 3 4 5 6 7
Объединенная 1974 1992 17,4 19 -237,7
1973 2007 34 30 сброс
3 бис
1972 1988 15,5 29(17) +230 +120
1972 1986 13,6 18 0 -100
1973 1992 18 28(18) -100 -150
1972 1993 20,5 36 -270 -325
2001 2007 6 13 сброс
Торезская №2 1974 1992 18,4 32 +105 +80
1973 1992 19 34 -100 -140
Торезская №43 1972 1990 17,5 33 -90 -100
Червона Зирка
1972 1986 14 15(13) +230 +200
1972 1986 14,5 18(16) +180 +116
1975 2007 32 33 сброс
Всего 442
Когда мы имеем дело с выборкой экспериментальных дан-
ных, то они чаще всего представляются в виде массива, состоя-
щего из пар чисел (хi, уi). Поэтому возникает задача аппроксима-
ции дискретной зависимости y(xi) непрерывной функцией f(x), ко-
торая должна проходить через точки (хi, уi), т.е. f(xi)=yi, i =1…n. В
этом случае говорят об интерполяции данных функцией f(х) во
внутренних точках между хi или экстраполяции за пределами ин-
тервала, содержащего все хi.
Часто зависимости вида у(х) представлены отдельными уз-
ловыми точками. При кусочно-линейной интерполяции вычисле-
ния дополнительных точек выполняются по линейной зависимо-
сти. При линейной интерполяции график оказывается слишком
грубым – отчетливо видны точки перегибов.
Чтобы избавиться от этого недостатка, для моделирования
пространственно-временных изменений физических процессов
наиболее логично использовать так называемые сплайн-функции
[1 – 4].
Построение сплайн-кривых осуществлялось с помощью ста-
тистического оценивания исходных данных по методу скользя-
щего среднего.
Смысл сплайн-интерполяции заключается в том, что в про-
межутках между точками осуществляется аппроксимация в виде
зависимости
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
279
( ) dctbtattС +++= 23 . (1)
Коэффициенты a, b, c, d рассчитываются независимо для
каждого промежутка, исходя из значений yt в соседних точках.
Смысл задачи интерполяции состоит в выдаче значения С(t) в
любой точке t.
Расчет и построение кубических сплайнов
Шахта № 3-бис, интервал отметок 0 – минус 100 м, содер-
жание Ca2+ иона.
1. Построение нестационарного временного ряда методом
кусочно-линейной аппроксимации (рис. 1).
0 50 100 150
10
20
30
40
50
60
Yi
Xi
Рис. 1. Кусочно-линейная аппроксимация С(t)
2. Расчет сплайн-коэффициентов.
3. Интерполяция методом кубических сплайнов по фактиче-
ским точкам (рис. 2).
0 41 82 123 164
0
20
40
60
X-Y data
Cubic spline interpolation
60
0
Y
fit z( )
max X( ) 1+min X( ) 0− X z,
Рис. 2. График кубических сплайнов по фактическим точкам
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
280
4. Расчет и построение функции С(t) через заданный вре-
менной интервал (2 месяца) (рис. 3).
0 50 100 150
0
20
40
60
60
0
yy k
1630.0 argk
Рис. 3. Стационарный временной ряд
Большинство регулярных составляющих временных рядов
принадлежит к двум классам: они являются либо трендом, либо
периодической составляющей. Тренд представляет собой общую
систематическую линейную или нелинейную компоненту, кото-
рая может изменяться во времени. Периодически повторяющаяся
компонента имеет циклический характер [1, 5].
В случае необходимости аппроксимации геологических
данных, как правило, используется нелинейный тренд, что обу-
словлено характером протекания естественных процессов. В ре-
зультате подбора трендовых кривых для временных рядов анион-
но-катионных показателей химсостава шахтных вод наиболее
тесную сходимость с фактическими данными показал полиноми-
альный тренд 2-го порядка ( ) cbtattC i ++= 2 , при котором 88 %
кривых имеют коэффициент корреляции с трендом выше 0,5, из
них 60 % - 0,7-1,0 (рис. 4). Такие результаты свидетельствуют о
высокой согласованности фактического набора данных с трендо-
вой кривой, что, кроме того, в дальнейшем позволит достаточно
точно выделить и проанализировать остатки функции.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
281
0
20
40
60
80
0 25 50 75 100 125 150 175
t, мес
С
, м
г/
дм
3
фактическая кривая тренд
Рис. 4. Пример аппроксимации временного ряда функцией
( ) cbtattC i ++= 2 по показателю Ca2+ (ш. № 3-бис,
интервал отметок 0 – минус 100 м). R = 0,82
Необходимо отметить, что коэффициент а аппроксимирую-
щего полинома для всех полученных зависимостей изменяется в
пределах тысячных, максимум сотых долей, что на начальных
этапах перераспределения практически приближает данный про-
цесс к линейному. Следует иметь ввиду, что физическая природа
изучаемого явления позволяет говорить о контролирующих фак-
торах, влияющих на рост или снижение концентрации того или
иного показателя во времени. Предположительно к ним может
относиться процесс окисления, активность которого зависит от
длительности и масштабов разработки месторождений. Как из-
вестно [5-8], в формировании состава главную роль играют про-
цессы окисления серы и смешения вод.
В дальнейшем исключение трендовой кривой позволило
провести анализ остаточной составляющей ряда. Для подтвер-
ждения условия периодичности был осуществлен подбор соот-
ветствующей функции (рис. 5):
( ) )sin( ϕω += tAtС (2)
где А – амплитуда, зависящая от величины концентрации
исследуемого показателя;
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
282
ω – частота колебания;
φ – фаза.
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 25 50 75 100 125 150 175
t, мес
С
ос
т=
С
об
щ
-С
тр
,
мг
/д
м3
кривая остатка тренд остатка
Рис. 5. Пример аппроксимации остатков временного ряда
функцией ( ) )sin( ϕω += tAtС по показателю Ca2+
(ш. № 3-бис, интервал отметок 0 – минус 100 м).
R=0,67
Для данной зависимости корреляционное отношение R для
86 % выборки выше 0,5, из них 38% - 0,7<R<1, что также являет-
ся высоким показателем сходимости теоретических данных с
фактическими.
Периодическая составляющая, вероятно, связана с процес-
сом откачки шахтных вод и их дальнейшим сбросом в поверхно-
стные водоемы, при котором последующее пополнение запасов
подземных вод идет за счет возврата последних в шахту за опре-
деленный период.
Таким образом, происходит разбавление шахтных вод по-
верхностными и, соответственно, влечет за собой временное из-
менение состава подземных вод.
Данная методика применялась для построения временных
рядов во 16 показателям: анионно-катионому составу, NH4, SiO2,
Fe2O3, pH, общей жесткости, минерализации (табл. 3, 4).
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
283
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
284
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 6, 2010
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 6, 2010
285
Выводы. В результате обработки данных химанализов
шахтных вод в Торезско-Снежнянском районе за основной экс-
плуатационный период получены стационарные временные ряды
методом кубической сплайн-интерполяции. Дальнейшее их раз-
ложение на трендовую и периодическую составляющие позволи-
ло идентифицировать наложение двух процессов, при котором
тренд выражен полиномом ( ) cbtattC i ++= 2 , а остаток – перио-
дической функцией ( ) )sin( ϕω += tAtС . Наиболее высокие коэф-
фициенты корреляции характерны для показателей NH4, Fe2+,3+,
HCO3
-, Cl-, SO4
2-, M, SiO2, следовательно, их можно предвари-
тельно обозначить в качестве индикаторов техногенных измене-
ний.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Анализ временных рядов. StatSoft, Inc. (2001). Электронный
учебник по статистике. Москва, StatSoft. WEB:
http://www.statsoft.ru/home/textbook/default.htm.
2. Гуськов О.И., Кушнарев П.Н., Таранов С.М. Математические
методы в геологии: Учебное пособие. - М.: 1991. - 205 с.
3. Деч В.Н., Кноринг Л.Д. Методы изучения периодических яв-
лений в геологии. – Л.: 1985. - 250 с.
4. Дэвис Дж. С. Статистический анализ данных в геологии. –
М.: Недра, 1990. – 318 с.
5. Грешилов А.А., Стакун В.А., Стакун А.А. Математические
методы построения прогнозов. – М.: Радио и связь, 1997 –
112 с.
6. Гавришин А. И., Корадини А. Происхождение и закономер-
ности формирования химического состава подземных и
шахтных вод в Восточном Донбассе // Водные ресурсы - том
36, № 5. - сентябрь-октябрь 2009. - С. 564-574.
7. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрохимия: Учебник для вузов. –
М.: Недра, 1992. – 463 с.
8. Гідрогеологія та інженерна геологія глибоких горизонтів
Донбасу. Під. ред. Попова В.С., Скабаллановича І.А. – К.:
«Наукова думка». – 1974. – 162 с.
9. Гидрогеология СССР. Том VI. Донбасс. Под ред. Сидорен-
ко А. В. – М.: «Недра» - 1971. – 338 с.
|