Научные стремления 2011-2

Рис. 6. Рассеивающая линза.

Модель может быть использована в теме линзы.

Данная модель демонстрирует принцип действия расеивающей линзы. Притом, что меняя положения фокус, высоту предмета, и расстояние до линзы мы можем получать различные изображения.

Выводы. В ходе работы был изучен теоретический материал из раздела геометрическая оптика, а также среда программирования Delphi.

Были также созданы шесть моделей по данной теме: образование тени,

образования полутени, отражение света, преломления света, собирающая линза, рассеивающая линза.

Данная работа может использоваться при изучении физики, также при решении задач по данной теме, также может быть выложена в Интернете и использоваться как дистанционный материал при изучении данного раздела.

Также имеются перспективы дальнейшего исследования данной темы, модели можно дополнить моделями плоского, сферического зеркал, а также моделью призмы и другими.

Литературные источники:

1.Исаченкова Л.А., Пальчик Г.В. Физика 9 / Л.А. Исаченкова, Г.В. Пальчик Мн. Народная Асвета 2006

2.Гулд Х., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. / Х. Гулд, Я Тобочник М. 2004

Dubin V.I., Klyukin L.V.

WORKING OUT OF COMPUTER MODELS ON PHYSICS IN DELPHI

Secondary School № 4 Zhodino

Summary

Modeling is the powerful tool of comprehension of the difficult physical phenomena. In the conditions of a mass computerization problems of working out of scientific computer models, especially on those sections of a course of physics which are badly provided by demonstrations and laboratory works are rather actual. Insufficient application of pedagogical software with modeling elements in educational process is caused by complexity of programming.

831

УДК 577.486:627 (476)

Жуковская А.И.

МОНИТОРИНГ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСНЫХ ВОД СЛУЦКОГО РАЙОНА МЕТОДОМ

БИОИНДИКАЦИИ

ГУО «Гимназия № 1 г. Слуцка»

Мониторинг экологического состояния поверхностных вод Слуцкого района проводился на протяжении 2007-2010 годов. В последние годы резко увеличилась антропогенная нагрузка на водные экосистемы, что приводит к эвтрофированию водоемов. Водные объекты Слуцкого района не являются исключением в этом процессе.

Вданном исследовании был использован метод биоиндикации. Он интересен тем, что с помощью обитающих в воде организмов мы можем узнать состояние самого водоема, оценить качество воды в нем. Зоопланктонное сообщество характеризуется постоянством видового состава, динамической устойчивостью. Изменения условий существования организмов отражаются на видовом составе, количественных показателях, соотношении отдельных таксономических групп, структуре популяций зоопланктона. Таким образом, зоопланктон может служить характеристикой состояния водной среды.

Впервый год исследования мы изучали гидрохимические и гидробиологические методы, на основе которых затем регулярно проводили отборы проб воды в реке Случь и еѐ притоках для дальнейшего анализа. В процессе обработки данных мы изучали таксономическое биоразнообразие и оценивали изменения видового состава планктонных сообществ с учѐтом пространственного и временного аспектов исследования. На основе данных исследований мы можем провести оценку изменения экологического состояния водных объектов Слуцкого района за период наблюдений. Для оценки гидрохимического состояния вод мы использовали материалы Слуцкой межрайонной инспекции природных ресурсов и охраны окружающей среды и Слуцкого районного центра гигиены и эпидемиологии.

Гидрографическая сеть Слуцкого района хорошо развита и относится к бассейну реки Припять. По территории Слуцкого района протекает река Случь

иеѐ притоки Локнея, Морочь, Сивельга, Весейка, Большая Слива, Берѐзовка. Для проведения исследований были выбраны 3 станции на реке Случь и 3

станции на ее притоках. Станция 1 находится выше города Слуцка в 500 м вблизи моста через реку Случь в направлении Старых Дорог. Станция 2 располагается в центре города в 100 метрах от моста по улице М. Богдановича. Данный участок реки сильно канализирован. Станция 3 находится ниже города в 150 метрах от моста в направлении деревни Новодворцы. Станция 4 находится в пределах города, в 50 метрах от устья на реке Бычок, участок канализирован. Станция 5 находится в 5 км от Слуцка к востоку от города по трассе Слуцк – Старые Дороги в 100 метрах от моста на реке Весейка. Станция 6 находится на реке Локнея юго-западнее Слуцка в 100 метрах от моста по трассе Минск – Микашевичи.

832

Во время проведения исследований в 2007 году общая минерализация воды реки колебалась в пределах от 399,5 до 428,1 мг/л. Максимальное значение минерализации наблюдается в районе станции 2, где значительное влияние на данный показатель оказывают предприятия – завод «Эмальпосуда», котельная Слуцкого ЖКХ, городская ливневая канализация, которые сбрасывают сточные воды в реку Случь в этом районе (рис. 1).

Рис. 1. Динамика общей минерализации (мг/л) воды в р. Случь в течение 2007 и 2008 гг. по станциям.

Второй этап исследований проходил в августе 2008 года. Кроме 3 станций в черте города, на которых отбирались пробы воды в 2007 году, исследования были проведены и на притоках Случи реках Бычок, Весейка, Локнея. Химический состав вод реки Случь и еѐ притоков определялся в лаборатории межрайонной инспекции природных ресурсов и охраны окружающей среды. За год значительных изменений в составе воды реки Случь в пределах города не произошло. Только на станции 1 за данный период минерализация существенно увеличилась (на 24,1 мг/л), по двум другим станциям увеличение минерализации незначительное (около 6 мг/л) Увеличение минерализации на точке 1 связано вероятнее всего с тем, что на водосборе реки, примыкающем к точке, возделывались зерновые культуры и по данным СПК «Весейский покров» под посевы вносились удобрения, и проводилась их химическая обработка.

Вода в притоках Случи также относится к гидрокарбонатно-кальциевому классу. Наименьшая минерализация наблюдается в реке Весейка (станция 5, 335,7 мг/л), наибольшая же – в реке Бычок (станция 4, 582 мг/л). Наименьший уровень минерализации в реке Весейка связан вероятнее всего с тем, что, в районе точки исследования в 2008 году располагались пастбища (земли не распахивались и смыва с полей не происходило). Более высокий уровень минерализации в реке Бычок, по-видимому, связан с выбросом в реку сточных недоочищенных вод с предприятий города Слуцка, расположенных на водозаборе реки (котельная № 2 ЖКХ, хлебозавод, макаронная фабрика).

Чтобы оценить видовое разнообразие в реках Слуцкого района, было проведено исследование зоопланктона реки Случь и ее притоков в осенний период 2007 года и летние периоды 2008 и 2009 годов. В зоопланктоне реки

833

Случь в пределах Слуцкого района в осенний период 2007 года идентифицировано 11 таксонов водных беспозвоночных, из которых 8 относятся к коловраткам, 2 – к ветвистоусым и 1 – к веслоногим ракообразным. Столь малое видовое разнообразие объясняется низкими температурами воды, которые в период проведения исследований не превышали +5 – +8 0С, вследствие чего из планктона исчезли редкие и теплолюбивые виды.

Численность зоопланктона в реке Случь выше и ниже города Слуцка (станции 1 и 3) составляла 6 экз/л, в то время как в самом городе, где русло реки зарегулировано, ее значения достигли 50 экз/л. Основу биомассы, которая колебалась в пределах от 0,01 до 0,5 мг/л, составляли коловратки – 73 % общего видового богатства зоопланктона реки Случь. Число видов ветвистоусых и веслоногих ракообразных составляет 18 и 9 % соответственно. Максимальное количество видов обнаружено на станции 2, где скорость течения реки ниже и вода имеет более высокую температуру вследствие сброса отработанных вод городской котельной. Минимальное количество видов установлено ниже города Слуцка (4 вида), что вероятно, связано с изменением условий обитания

– уменьшением трофности вод в связи с увеличением скорости течения и понижением температуры вод.

По результатам обработки проб за 21 августа 2008 года в зоопланктоне реки Случь и еѐ притоках в летний период идентифицировано 17 таксонов водных беспозвоночных, из которых доминирующим являются nauplii Copepoda (81 экз.), Bosmina longirostris (21 экз.). Количество таксонов за летний период 2008 года больше на 6, чем в осенний период 2007 года. Общее же число экземпляров составило 142. Сравнивая полученные данные, мы увидели, что доминировавшие в осенний период коловратки, летом при более благоприятных условиях заметно сократились. Это можно объяснить тем, что коловратки требовательны к условиям существования и при уменьшении содержания кислорода в воде из-за разложения сине-зелѐных водорослей они погибают или размножаются менее интенсивно. И наоборот, веслоногие и ветвистоусые ракообразные (роды Copepoda и Bosmina), которые составляли осенью соответственно 11 % и 22 % общей численности зоопланктона, в летнее время стали доминировать – веслоногие составляли 57 %, ветвистоусые – 15 % зоопланктона. Это можно объяснить тем, что лучшие условия для их жизни и размножения наблюдаются при концентрации бактерий не менее 1 млн. в 1 см3 воды, т.е. в грязной воде. Также большинство этих рачков могут существовать при неблагоприятных условиях, например в условиях недостаточного содержания кислорода. Кроме того, веслоногие и ветвистоусые рачки составляют основную массу зоопланктона там, где течение реки замедленно. Ухудшаются условия обитания ветвистоусых и веслоногих ракообразных при понижении температуры (осенью их было меньше – 18 и 9 % соответственно).

По результатам обработки проб за 15 августа 2009 года в зоопланктоне реки Случь и еѐ притоках в летний период идентифицировано 13 таксонов водных беспозвоночных, из которых доминирующим являются nauplii Copepoda (73 экз.) и Bosmina longirostris (27 экз.). Количество таксонов за

834

летний период 2009 года меньше на 4, чем в летний период 2008 года. Общее же число экземпляров составило 125. Уменьшение количества видов и общей численности зоопланктона в летнее время 2009 года можно объяснить тем, что

вреке Случь (особенно в центре города) и еѐ притоках произошло интенсивное зарастание водорослями и высшей водной растительностью (приложения). В жаркие дни июля и август шло интенсивное разложении избыточной биомассы, выделялся сероводород или другие токсичные вещества. Это привело к исчезновению некоторых видов зооценозов водоема и уменьшению их общего количества. Количество веслоногих ракообразных в 2009 году практически не изменилось. Увеличение количества ветвистоусых рачков можно объяснить тем, что июль и август 2009 года были жаркими и относительно сухими и условия их обитания были очень благоприятными. И наоборот, уменьшение числа коловраток (20 % против 28 % в 2008 году) свидетельствуют об ухудшении условий их существования – при уменьшении содержания кислорода в воде из-за разложения сине-зелѐных водорослей они погибают или размножаются менее интенсивно.

Таким образом, можно сделать вывод, что зоопланктон очень быстро реагирует на антропогенное эвтрофирование водоѐмов. Сначала поступление дополнительной пищи стимулирует его развитие: увеличивается численность планктона, его биомасса и видовое разнообразие, становится больше ветвистоусых ракообразных. Но очень скоро наступает деградация сообщества

– уменьшается число видов и особей, остаются в основном виды, устойчивые к загрязнению. И если в реку поступают стоки с промышленных предприятий, ферм, заводов, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию, угнетение зоопланктона наступает, и весьма заметное. В результате можно сделать вывод, что река Случь в районе исследований находится в разном экологическом состоянии. Максимальный уровень эвтрофикации наблюдается

вцентре города, где влияние антропогенных факторов наибольшее.

Оценка и прогноз состояния равнинных рек в настоящее время крайне затруднены в связи с недостатком информации об экологических процессах, происходящих в бассейнах рек в их естественном состоянии и при воздействии антропогенных факторов. Необходимость рационального использования и охраны внутренних водоемов и водотоков очевидна. И в будущем мы решили продолжить мониторинг экологического состояния реки Случь в черте города и провести исследования на притоке Случи реке Большая Слива.

Выражаем благодарность преподавателям кафедры геоэкологии географического факультета БГУ Зарубову А.И. и Галай Е.И. за консультации и практическую помощь в процессе обработки проб воды и определении видового состава биоценозов.

Литературные источники

1.Гагина Н.В., Федорцова Т.А. Методы геоэкологических исследований. – Мн:

БГУ, 2002. – 98 с.

2.Зарубов А.И. Общая экология. – Мн: БГУ, 2002. – 124 с.

835

3. Определитель пресноводных беспозвоночных Европейской части СССР

(планктон и бентос)//под ред. Кутиковой Л. А. и Старобогатова Я. И. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977

Zhukovskaya A.I.

MONITORING OF ENVIRONMENTAL CONDITIONS OF SLUTSK REGION WITH USING THE METHOD OF BIOLOGIKAL INDIKATION

Summary

The purpose of the research is monitoring studies of the environmental situation of surface waters in Slutsk region.

Conclusions of hydrochemical and hydrobiological characteristics of the river Sluch and its tributaries were made as a result of researching and analysis of data from Slutsk Interdistrict Inspectorate of Natural Resources and Environment and Slutsk District Centre of Hygiene and Epidemiology. The ecological condition assessment of water objects in Slutsk region was made.

As a result, it is found out that the river Sluch and its tributaries, which are located at the territory of the research, are in different environmental conditions. Sluch and Bychok within the city are the most polluted, Veseyka and Lokneya are the cleanest. Monitoring researches of the ecological conditions of rivers in Slutsk region are continuing.

Materials of this work can be used not only for teaching geography, extra-curricular activities with students, but it can be useful for people, who are interested in our region.

836

УДК 004.94

Камлюк С.Е., Пальчунов Н.В.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН БУРОВЫХ СКВАЖИН

ГУО «Гимназия № 36 г. Минска»

Одним из важнейших этапов процесса бурения является закрепление ствола скважины. Качественное цементирование обсадных колонн в нефтяных скважинах – основа дальнейшей их длительной, безаварийной и эффективной эксплуатации. Сложность цементирования обусловлена тем, что этот процесс производится в сложных геолого-физических условиях, на больших глубинах (в РБ – до 5000 м.), при высоких давлениях, в условиях отсутствия возможности визуального наблюдения за процессом. Для расчета цементирования и построения модели необходимо проводить сложные расчеты, которые зависят от большого количества взаимосвязанных параметров.

Ввиду этих сложностей процесс цементирования должен быть изначально спроектирован таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность, и предотвратить разрыв геологических слоев.

Мы предлагаем исключить участие человека в управлении процессом цементирования, обеспечить обратную связь, используя датчики глубины погружения. Это позволит контролировать процесс цементирования и при возникновении аварийной ситуации снизить расходы на ее устранение. Построенная нами модель может быть использована как на стадии проектирования, так и в реальном времени.

Для решения данной задачи мы поставили перед собой следущие цели:

Построить модель процесса цементирования;

Автоматизировать процесс цементирования;

Рассчитать допустимые давления с учетом геологической структуры слоев почвы;

Выбрать оптимальный режим работы цементировочного агрегата с

учетом:

 максимально возможной скорости потока раствора;  плотности, вязкости цементного раствора;  давления гидроразрыва;  гидродинамических сопротивлений;  допустимых давлений;

 показаний датчиков глубины погружения;  времени загустевания раствора.

Реализовать обратную связь между компьютером и скважиной;

Визуализировать процесс цементирования;

Для реализации поставленной задачи потребовалось:

1.Изучить:

основы процесса бурения;

основы процесса цементирования с физической точки зрения.

837

свойства вертикально-направленных скважин;

методы приближенного вычисления значений функции и применение метода интерполирования;

2.Исследовать и проанализировать:

процесс цементирования в реальном времени непосредственно на буровой скважине;

зависимость давлений (статических и гидродинамических) от глубины погружения, геологических слоев, характеристик растворов, возможностей цементировочных агрегатов;

аварийные ситуации, возникающие в процессе цементирования, и пути их устранения;

физические свойства геологических слоев;

методы вычислительной математики для решения поставленной

задачи;

графические возможности языков программирования для визуализации процесса цементирования

характеристики, возможности и принцип работы цементировочных

агрегатов;

методы увеличения производительности процесса цементирования скважин, с наименьшими материальными затратами и временем;

Методы решения. Мы предлагаем установить на цементировочном агрегате специальный механизм, который без участия человека сможет плавно регулировать давление в зависимости от текущей глубины.

Для плавного регулирования давления механизмом мы использовали метод интерполирования. Такой метод также позволит предупредить аварийные ситуации и, в случаи их возникновения, плавно из них выходить.

Интерполирование состоит в том, что, по известным значениям функции f(x), мы находим функцию F (x), значения которой в любой точке совпадают со значениями исходной функции.

Для этого мы используем интерполяционный многочлен Ньютона n-ой степени. Он может быть использован только для равноотстоящих узлов интерполяции с шагом интерполяции H:

где ∆y0, ∆2y0 … ∆ny0 - конечные разности, ∆nyi=∆n-1yi+1 - ∆n-1yi;

В нашем случае шаг H – высота участка межтрубного пространства, объем которого равен 1 м3, с постоянной геологической структурой. Программа рассчитывает необходимое давление для каждого участка по следующим формулам, а затем при помощи многочлена Ньютона находит давление для любой точки на данном участке:

838

P = Pгс + Pт + Pк, где Pгс –разность гидростатических давлений в трубе и затрубном пространствах (зависит от длины цементируемой колонны, высоты подъема цементного раствора в трубе и затрубном пространствах, характеристик растворов); Pт и Pк – гидродинамические давления в трубе и затрубном пространствах, вычисляются при помощи следующих формул:

Коэффициент гидравлических сопротивлений λ зависит от допустимой производительности из условия предотвращения гидроразрыва слоя, скорости потока раствора в трубе и затрубном пространствах, вязкости и плотности цементного раствора, диаметров трубы и скважины.

Если же участок пересекает несколько геологических слоев, это вызывает необходимость рассчитывать давление для каждого слоя. В результате шаг интерполяции нарушается, что вызывает невозможность использования метода Ньютона. Для решения этой проблемы мы используем метод Гаусса.

В качестве интерполирующей функции можно использовать многочлен n- ой степени: F(x) a0 xn a1 xn 1

Для вычисления значений коэффициентов данного многочлена необходимо решить систему из n+1 линейных уравнений с n+1 переменными методом Гаусса:

Геометрический смысл интерполяция сводится к построению плавной кривой проходящей через заданные точки.

Результаты работы модели позволяют:

оперативно и точно устранять аварийные ситуации и визуализировать сам процесс цементирования;

рассчитать оптимальное давления для данной глубины погружения.

Выбрать необходимое количество материалов и техники для проведения цементировочных работ.

839

Литературные источники

1.Булатов А. И., Аветисов А. Г. Справочник инженера по бурению: В 4 кн. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1996.

2.Горное дело. Терминологический словарь /Л. И. Барон, Г. П. Демидюк, Г. Д. Лидин и др. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1981.

3.Мальцев А. В., Дюков Л. М. Приборы и средства контроля процессов бурения: Справочное пособие. М.: Недра, 1989.

4.Савин А. П. Физические величины, применяемые в разведочной геофизике и их единицы: Справочник. Л.: Недра, 1985.

5.Справочник инженера по бурению / под ред. В. И. Мищевича, Н. А. Сидорова. М.:

Недра, 1973.

6.Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин / А. И. Булатов, Л. Б. Измайлов, В. И. Крылов и др. — М.: Недра, 1981.

Kamluk S.E., Palchunov N.V.

SIMULATION OF THE BOREHOLE CASING COLUMNS CEMENTING PROCESS

SOA «Gymnasium № 36, Minsk»

Summary

One of the most important stage of hole drilling is a shaft fixation. For this purpose column of casing pipes is pulled down in a hole, and a ring space between walls and the column is filled with cement mud. The qualitative cementing of borehole casing columns is a basis of its durable trouble-free and effective exploitation.

Cementing process is labour-consuming and it is connected with complexity of solving problems. Also it demands fine precision during mathematical calculations. The slightest error can be a reason of emergency, which consequences can be nonreversible.

Our research allows quickly and precisely find optimal mode of cementing, make mode changes for each depth meter and considering changes of geological conditions, geometrical form of the hole, speed of cement mud movement, depth of immersing, pressure and density of the cement mud.

840