Исследование связи сезонных колебаний уровня чиркейского водохранилища и кажущегося сопротивления пород в скважине

Изучение опасных геологических явлений в районах крупных ГЭС с высотными плотинами является важной задачей для проектировщиков и строителей гидросооружений. Авария на Саяно-Шушинской ГЭС вновь обратила внимание геофизиков на данную проблему.

В Дагестане сильное землетрясение с магнитудой М=6.6, которое произошло вблизи тогда еще строящейся Чиркейской ГЭС, вызвало обрушение скальных массивов в каньоне р. Сулак, где началась возводиться плотина высотой 232 м. В образовавшиеся трещины были заделаны цементным раствором.

В дальнейшем исследование сейсмичности района Чиркейской ГЭС показало увеличение активности при достижении уровня воды в верхнем бьефе плотины 120 м. После резкого увеличения числа слабых толчков через 4 месяца с начала заполнения было зарегистрировано первое сильное землетрясение с М=5,0 на расстоянии 5-7 км от плотины ГЭС, еще через 17 суток в южной окрестности водохранилища произошло землетрясение с М=5.2 с многочисленными афтершоками. Параметр сейсмической активности А10, который определяется площадью исследований, периодом наблюдений и числом землетрясений, показал, что после наполнения водохранилища он увеличился в 50 и более раз по сравнению с периодом до заполнения.

Последующие после наполнения водохранилища годы сейсмичность района остается высокой, при этом наблюдается постепенное ее затухание. Для периода 1975 -1983 гг. амплитуды графика А10 превышали среднее многолетнее значение до заполнения в 10 раз. Данный факт показывает, что водохранилище оказывает свое влияние на земную кору не только во время заполнения, но и в последующий период сезонных колебаний, которые достигают 37-40 м в год. Анализ графика А10 показывает, что пики его совпадают с максимумами сезонных увеличений уровня воды в водохранилище с интервалом 1 год. Механизм такой связи пока неизвестен, но можно предположить, что переменная компонента нагрузки водохранилища вызывает нарушение равновесного состояния земной коры.

Анализ других данных, полученных в районе Чиркейскогой ГЭС, например, электрического сопротивления скальных пород в скважине в правом борту плотины, показал наличие высокой корреляции с сезонным изменением уровня воды в водохранилище, порядка -0,8. Однако наличие статистической связи еще не означает, что изменение уровня водохранилища оказывает напрямую влияние на электрическое сопротивление породы, поэтому она должна подтверждаться еще и физической моделью взаимодействия.

В настоящей работе нами сделан более детальный анализ рядов уровня воды в верхнем бьефе плотины Чиркейской ГЭС (Нвдхр) и кажущегося электрического сопротивления пород в скважине (Rк), так он может выявить новые факты, подтверждающие механизм воздействия заполнения водохранилища на земную кору.

Сам параметр Rк является функцией от удельных сопротивлений пород (рп) различных слоев геоэлектрического разреза, их мощностей. Для однородной среды Rк =рп. Измерение Rк производится четырехэлектродным зондом, питающие электроды которого расположены на глубинах 90 и 99 м. Верхний электрод зонда находится ниже минимального сезонного уровня воды в скважине на 30 м, что обуславливает стабильность измеряемого параметра от различных помех экзогенного характера.

Измерения Rк производятся непрерывно с помощью специально разработанной установки, которая предназначена для высокоточных режимных наблюдений. Данная установка состоит из платы сбора данных, программного обеспечения, стабильного генератора тока и долговременных свинцовых электродов, приспособленных для установки их в скважине. Для анализа используются среднесуточные данные Rк, относительная погрешность которых не превышает 0,1% и данные ежедневных измерений уровня воды в верхнем бьефе плотины, которые осуществляются службой дирекции Чиркейской ГЭС.

Методика анализа получения исходных данных

Графики исходных рядов Нвдхр и Rк за период 2010-2014 гг. показаны на рис. 1.
 

 

ris-1-grafiki-1-nvdhr-2-rk-3-365_-rk
Рис. 1. Графики: 1- Нвдхр; 2- Як; 3- 365_ Rк

 

Как для Нвдхр, так и для Rк характерен сильный сезонный ход. Для любых рядов, содержащих регулярную вариацию с общим периодом очень высока вероятность совпадения этих составляющих в фазе мили в противофазе. Нулевая корреляция между такими рядами будет наблюдаться только в исключительных случаях. Поэтому целесообразно отдельно рассматривать сезонные и остаточные компоненты вариаций.

Остаточная компонента вариаций по свойствам довольно близка к стационарному случайному процессу. Для выяснения наличия связи между такими сигналами можно использовать обычные статистические методы - такие, как корреляционный анализ (с учетом возможной задержки во времени). То есть, статистические методы могут применяться независимо от наличия или отсутствия физической модели, объясняющей влияние атмосферных эффектов на Rк (либо отсутствие такого влияния). Затем результаты расчетов можно пытаться интерпретировать в рамках тех или иных физических моделей.

Для сезонной компоненты формальный анализ малополезен, так как в общем случае гипотеза об отсутствии связи для таких сигналов обычно не может быть отклонена с приемлемым уровнем значимости. Поэтому при анализе сезонных вариаций надо исходить преимущественно из физических, а не статистических соображений.

Оценка сезонной компоненты вариаций для Rк

Для ряда Rк при построении сезонной модели надо учесть два момента.

Во-первых, в начальный период наблюдений (до середины 2012 г.) наблюдения выполнялись реже, чем во вторую половину срока. Поэтому при формальном суммировании данных за первую и вторую часть срока сравнительный «вес» первых наблюдений будет занижен. Очевидно, что это не совсем правильно, т.к. сезонный ход Rк имеет довольно плавную форму и наблюдения с периодичностью раз в три дня аппроксимируют сезонный ход практически так же хорошо, как и ежесуточные. Чтобы выровнять вклад первой и второй части срока в сезонную функцию, целесообразно поэтому интерполировать пропуски в наблюдениях, по крайней мере короткие.

Во-вторых, в ряде Rк периодически прослеживаются высокочастотные флуктуации (как, например, в мае-июне 2013 г.) Чтобы уменьшить возможное искажение формы среднесезонной функции (ССФ), их лучше отфильтровать перед расчетом ССФ. Поскольку продолжительность таких экскурсов не превышает 1-3 суток, для фильтрации можно использовать медианное сглаживание в окне шириной 7 суток.

Таким образом, для оценки сезонной вариации Як были выполнены следующие действия:

  1. Сглаживание скользящей медианой в окне 7 суток с заполнением пропусков в ряде тренда.
  2. Расчет ССФ по методу со сглаживанием 30 суток (рис. 1, №3).

На рис. 2 показана взаимнокорреляционная функция (ВКФ), рассчитанная не по исходным рядам, а по среднесезонным функциям 365_Нвдхр и 365_ Як, так как для них ВКФ получается более гладкой.

 

ris-2-vzaimnokorrelyacionnaya-funkciya-dlya-srednesezonnyh-ryadov-365_nvdhr-i-365-rk
Рис. 2. Взаимнокорреляционная функция для среднесезонных рядов 365_Нвдхр и 365 Rк

 

Максимальная корреляция -0,94 получается при сдвиге 12 суток. Сопротивление отстает от уровня воды. Этот результат нуждается в комментариях.

Во-первых, факт запаздывания на 12 суток говорит о том, что уровень воды в водохранилище не влияет на сопротивление напрямую (если бы это было так, то задержка бы отсутствовала).

Во-вторых, корреляция все-таки довольно высокая: -0,94, а задержка не очень большая. Это означает, что полностью исключать физическое влияние уровня на сопротивление нельзя. Однако такое влияние может проявляться только опосредственно, через какой-то третий процесс, который развивается в течение нескольких суток и с некоторым запаздыванием проявляется в изменении сопротивления.

В качестве такого «третьего процесса» может выступать деформационный процесс или, например, фильтрационный. Однако любая модель, предполагающая физическую зависимость сопротивления от изменений уровня, должна объяснять резкий скачок сопротивления в июне-августе. Ведь на графике сезонного хода уровня нет аналогичной резкой особенности. Это означает, что процесс, инициированный разгрузкой водохранилища, должен развиваться нелинейно и резко менять свои характеристики в тот момент, когда уровень водохранилища достигает минимальной отметки. Например, это может быть резкое изменение минерализации подземных вод в связи с изменением направления фильтрационного потока. Или какой-то скачок в характеристиках породы в момент, когда нагрузка на породу минимизируется. Например, раскрытие трещин и поступление в них воды с более сильной минерализацией, которая до этого была «заперта» в относительно более хорошо растворимых пластах. В общем, с этим надо разбираться.

Конечно, такая интерпретация не является единственно возможной. Вполне может быть, что сезонные вариации уровня и сопротивления вызваны разными, никак не связанными между собой причинами. Однако чтобы обосновано ответить на этот вопрос, необходимо получить и проанализировать дополнительные данные, в первую очередь о минерализации воды и о деформациях.

Выводы

Для сезонных вариаций имеется довольно близкое совпадение фаз, а корреляция составляет -0,94. Однако совпадение фаз все же неточное (по ВКФ задержка около 12 суток), а форма сезонных вариаций не совпадает: на сезонной кривой Rk имеется резкий скачок в июне-августе, которого нет на кривой изменения уровня. Это означает, что прямого влияния уровень в водохранилище на Rk не оказывает. Однако возможно опосредственное влияние через промежуточный третий фактор, действующий с определенной задержкой и генерирующий «пороговый» эффект в период разгрузки водохранилища до минимального уровня.

В качестве такого третьего фактора могут выступать деформационные или фильтрационные процессы. Для построения более конструктивной модели влияния (либо для обоснованного исключения соответствующих гипотез) необходимо привлечение дополнительных данных.

Литература

  1. Идармачев Ш.Г., Черкашин В.И., Алиев И.А., Абдулаев Ш.-С.О., Идармачев А.Ш. Возбужденная сейсмичность в районе Чиркейского водохранилища и ее проявление в геофизических полях. Тр. Института геологии Дагестанского научного центра РАН. Махачкала.: «Akph». 2012. Вып. 59. 103 с.
  2. Идармачев И.Ш. Вариации кажущегося сопротивления массива горных пород верхнего мела в районе плотины Чиркейской ГЭС под воздействием переменной нагрузки водохранилища//Вестник Дагестанского научного центра РАН (науки о Земле). Махачкала. 2014. С. 11-15.
  3. Идармачев Ш.Г., Алиев М.М., Абдулаев Ш-С.О., Хаджи Б.А. Станция для электрического зондирования «Георезистор». Современная геодинамика, глубинное строение и сейсмичность платформенных территорий и сопредельных регионов. Мат. Межд. конф. Воронеж. 2001. С. 86-87.
  4. Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Некоторые вопросы методики оценки среднесезонных функций для геофизических данных. М.: ОИФЗ РАН, 1999б. 40 с.
Автор
Дещеревский А.В
Автор 2
Идармачев И.Ш
УДК
550.34
Summary
The article analyzes the time series of the water level in the Chirkei reservoir and the apparent electrical resistivity of rocks in the borehole located on the starboard side of the high-rise dam of the HPP for the observation period 2010-2014. To calculate the seasonal parameters of the series, the 'tABV software package was used. For short periods (less than a year), the effect of the water level in the reservoir on the apparent resistance is absent. For seasonal variations, there is a fairly close coincidence of phases, and the correlation is -0.94. However, the phase coincidence is still inaccurate; for the apparent resistance, the delay is about 12 days
Аннотация
В статье сделан анализ временных рядов уровня воды в Чиркейском водохранилище и кажущегося электрического сопротивления пород в скважине, расположенной районе правого борта высотной плотины ГЭС для периода наблюдений 2010-2014 гг. Для расчета сезонных параметров рядов использовался пакет программ 'тАБВ. На коротких периодах (менее года) влияние уровня воды в водохранилище на кажущееся сопротивление отсутствует. Для сезонных вариаций имеется довольно близкое совпадение фаз, а корреляция составляет - 0,94. Однако совпадение фаз все же неточное, для кажущегося сопротивления задержка составляет около 12 суток, а форма сезонных вариаций не совпадает: на сезонной кривой кажущегося сопротивления имеется резкий скачок в июне-августе, которого нет на кривой изменения уровня. Это означает, что прямого влияния уровень в водохранилище на кажущееся сопротивление не оказывает. Однако возможно опосредственное влияние через промежуточный третий фактор, действующий с определенной задержкой и генерирующий «пороговый» эффект в период разгрузки водохранилища до минимального уровня. В качестве такого третьего фактора могут выступать деформационные или фильтрационные процессы. Для построения более конструктивной модели влияния (либо для обоснованного исключения соответствующих гипотез) необходимо привлечение дополнительных данных.
Ключевые слова
кажущееся электрическое сопротивление, скважина, среднесезонная функция, взаимнокорреляционная функция.
Название на английском
Study of the relationship between seasonal fluctuations in the level of the Chirkei reservoir and the apparent resistivity of rocks in the well
Организация
Институт физики Земли РАН
Статус автора
Другое
Статус второго автора
Другое