ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

2.1. Понятие о методах оценки эксплуатационных запасов подземных вод

Как было показано в главе 1, основу оценки эксплуатационных запасов подземных вод составляет гидродинамический расчет водозабора. Вместе с тем известно, что оценка эксплуатационных запасов осуществляется следующими методами: гидродинамическим, гидравлическим, численным моделированием и балансовым [1, 2]. Под понятием "гидродинамический метод оценки эксплуатационных запасов" в данном случае понимают способ расчета водозабора, который в зависимости от особенностей структуры и изученности месторождения подземных вод, может осуществляться "собственно гидродинамическим методом" либо численным моделированием. Балансовый метод (см. выше) для расчета водозаборов не применим и поэтому используется лишь для приближенной оценки эксплуатационных запасов подземных вод на стадии поисков и для построения гидрографа эксплуатационных запасов на завершающих стадиях.

Собственно гидродинамический метод основан на использовании типовых расчетных схем потоков и уравнений динамики подземных вод и поэтому может применяться на месторождениях с простой гидрогеологической структурой, которая достаточно просто схематизируется. Согласно Классификации запасов и ресурсов подземных вод [9], эти месторождения относятся как правило к I-й группе cложности. Чем выше сложность месторождения, тем больше погрешность оцениваемых эксплуатационных запасов. Во избежание неоправданных завышений эксплуатационных запасов схематизацию условий стараются проводить таким образом, чтобы расчетная схема была "хуже" природных условий; нетрудно видеть, что этим самым обеспечивается определенный "коэффициент надежности" оцениваемых запасов.

Численное моделирование, с точки зрения его возможностей, по существу, является более совершенной разновидностью гидродинамического метода, так как позволяет воспроизводить природные условия с большей полнотой. Этот метод, подробное описание которого можно найти в работе [7], требует хорошего информационного обеспечения; обычно его применяют на стадиях разведки или эксплуатации подземных вод. К недостаткам моделирования можно отнести необходимость овладения современными программно-вычислительными комплексами, повышенную (в сравнении с собственно гидродинамическим методом) трудоемкость при сборе исходного материала и необходимость иметь в своем распоряжении более полную информацию об особенностях гидрогеологических условий МПВ и условиях его эксплуатации. Этот метод используется для МПВ II-й группы сложности для больших и ответственных по своей значимости водозаборов.

Гидравлический метод расчета водозабора, основанный на использовании эмпирических (опытных) зависимостей понижения уровня подземных вод от дебитов расчетных скважин, применяется на месторождениях с исключительно сложными гидрогеологическими условиями, не поддающимися обоснованной схематизации и согласно Классификации запасов и ресурсов подземных вод [9], относимых к III группе сложности. Обычно в таких условиях дифференцированная оценка источников формирования эксплуатационных запасов становитcя невозможной; повышение надежности в подобных случаях достигается за счет увеличения числа опытных скважин, повышения продолжительности опробований и проведения опытных откачек в "многоступенчатом" режиме, позволяющем устанавливать зависимости Q от S, а иногда и от t.

Разумеется, допустимо одновременное и независимое использование гидравлического и гидродинамического методов, что обеспечивает повышение надежности и точности оценки запасов. Особенно перспективно использование этого приема для месторождений II и III групп по степени сложности. Для тех же целей перспективно использование балансового метода, хотя он и может применяться лишь на месторождениях, имеющих замкнутый баланс (например, мульдах).

Настоящее пособие посвящено изложению основ гидродинамического метода оценки эксплуатационных запасов, имеющего наиболее широкое распространение в практике изысканий на пресные подземные воды. Преимущества этого метода состоят в том, что он является достаточно экономичным в смысле предварительной подготовки и обработки исходных материалов, не требует знания сложных вычислительных программных комплексов и при умелом его использовании обеспечивает высокую надежность результатов.

2.2. Основные ограничения, используемые при расчетах водозаборов

К числу основных ограничений, используемых для поиска оптимального варианта водозабора, относятся расчетный период эксплуатации и допустимые понижения уровня в расчетных эксплуатационных (или что тоже проектных) скважинах. Другие ограничения (например, S_эк) зависят от специфики конкретной задачи и поэтому здесь не рассматриваются.

Величина прогнозного понижения уровня S_р определяется на расчетный период эксплуатации t_э, принимаемый равным 25 годам (9125 суток); эту величину обычно принимают равной 10000 сут., обеспечивая тем самым некоторое завышение расчетного понижения уровня. Расчет выполняется для наиболее неблагоприятной точки исследуемой области, где понижение уровня ожидается максимальным. Обычно такой точкой является центральная скважина водозабора; при кольцевом расположении скважин можно выбирать любую скважину:

,

здесь r_o – радиус скважины; Т – водопроводимость; а – уровне- или пьезопроводность; ГУ – граничные условия.

Проектируемый расход водозабора Q_э считается обеспеченным, если

где – допустимое понижение уровня подземных вод.

При невыполнении этого условия необходимо либо увеличить число скважин, уменьшив дебит каждой из них, либо рассредоточить скважины на большей площади. При условии

S_доп>2S_р

должно быть сокращено количество скважин или уменьшено расстояние между ними.

Величину допустимого понижения уровня следует принимать равной (для безнапорных вод):

, где

H_e – глубина воды от уровня до подошвы водоносного пласта (нижнего водоупора); DН_н – глубина погружения насоса под динамический уровень воды в скважине, обычно принимается от 3 до 10 м.

Для напорных вод (при равномерной обводненности интервала залегания) мощностью m следует пользоваться приближенной зависимостью

, где

m – мощность водоносного пласта; Н_изб – избыточный напор над кровлей.

При наличии зон активной фильтрации внутри пласта мощностью m – , где Н_изб – избыточный напор над кровлей зоны активной фильтрации.

2.3.Схематизация и типизация гидрогеологических условий

Схематизация – это обоснованное упрощение природных условий и действующих техногенных факторов с целью получения математической модели (расчетной схемы) исследуемого потока. Схематизация осуществляется в направлении, обеспечивающем получение так называемой типовой расчетной схемы, т.е. такой схемы, для которой имеется готовое математическое решение в виде уравнения, выражающего зависимость между дебитами водозаборных скважин и понижениями уровней. Схематизация гидрогеологических условий производится на основе учета характерных особенностей потоков подземных вод, а именно: режима движения воды, структуры и мерности потока, гидравлического состояния пласта, изменчивости свойств среды, интенсивности вертикального и горизонтального водообмена, воздействия внешних границ пласта [5].

В типовых расчетных схемах особенности потоков могут принимать следующие конкретные формы:

Режим фильтрации

Структура потока

Определяется в основном конфигурацией границ области фильтрации и условиями взаимодействия этих границ с водоносным пластом (степенью совершенства границ). Различают следующие виды структур фильтрационных потоков:

Мерность потока

Гидравлическое состояние пласта

1. Безнапорный пласт Свободная поверхность уровня. При снижении уровня уменьшается мощности потока, высвобождаются гравитационные запасы

2. Напорный пласт Сверху ограничен водоупором, уровень воды поднимается выше кровли пласта. При снижении уровня мощность потока не изменяется, высвобождаются статические («упругие») запасы, причем <<

Строение фильтрационной среды

Интенсивность вертикального и горизонтального водообмена

Воздействие внешних границ пласта

(только для нестационарного режима фильтрации)

2.4. Принципы схематизации и её критерии

Схематизация гидрогеологических условий проводится применительно к выполняемым задачам. В нашем случае - применительно к прогнозу работы водозаборного сооружения. Выполняется на основе определенных критериев позволяющих проводить упрощения таким образом, чтобы возникающие при этом ошибки в прогнозных расчетах не превышали определенной величины [11]. Обычно принимается, что такие ошибки не должны превышать 10% от значений прогнозных решений. Цель схематизации – получение типовой расчетной схемы, имеющей аналитическое решение.

Упрощение режима фильтрации

Возможность перехода нестационарной фильтрации к стационарной или квазистационарной.

а) Стационарная фильтрация при водоотборе может наступить только при наличии дополнительно привлекаемых запасов подземных вод, причем по своей величине они должны сравниваться с расходом водозабора. Основными факторами дополнительно привлекаемых запасов являются следующие:

перетекание из питающего пласта, имеющего запасы воды значительно превышающие величину перетекания. Это обстоятельство позволяет считать уровни в питающем пласте неизменными (Н= const);

инверсия испарения или родниковой разгрузки, рассредоточенной по площади, причем суммарная величина испарения или родникового стока превышает расход водозабора;

приток воды поверхностного источника (реки) или инверсия сосредоточенной родниковой разгрузки, аппроксимируемой линейной разгрузкой по разлому, на контакте с породами низкой проницаемости и т.п.

Время наступления стационарного режима фильтрации (с точностью 10%) в водозаборных скважинах – t определяется из соотношения:

, где (2)

а – пьезопроводность.

Здесь R_к – радиус контура питания.

При инверсии рассредоточенной разгрузки R_к определяется по формуле:

, где (3)

Q –расход водозабора, м³/сут; W – модуль разгрузки, м/сут.

При поступлении воды из реки R_к=2 , где расстояние до реки.

При перетекании из питающего пласта , где km – водопроводимость пласта, из которого ведется откачка, k₀ и m₀ – коэффициент фильтрации и мощность глинистого относительного водоупора через который осуществляется перетекание.

б) Область наступившего квазистационарного режима распространяется от источника возмущения (водозабора). В пределах этой области снижение уровня подземных вод подчиняется логарифмическому закону от расстояния и времени, что позволяет использовать метод расчета обобщенных систем скважин (см. раздел 3.2). Размеры области наступившего квазистационарного режима фильтрации или время его наступления для фиксированного расстояния определяются по формуле:

, где

r – расстояние от водозабора до границы области наступившего квазистационарного режима фильтрации; t – период эксплуатации.

Уменьшение мерности и упрощение структуры потока

Выполняется на основе анализа гидродинамической сетки потока подземных вод к скважинам.

а) В слоистых толщах при соотношениях коэффициентов фильтрации больше 100 принимается предпосылка Митяева-Гиринского о том, что в хорошо проницаемых пластах направление фильтрации только горизонтальное, а в слабопроницаемых – только вертикальное. В соответствии с этим, двухслойное строение может быть сведено к одно- пластовой системе с коэффициентом проводимости проницаемого слоя и суммарной водоотдачей двух слоев.

б) Пространственная фильтрация, возникающая вблизи несовершенных по степени вскрытия водоносного пласта границ, упрощается путем введения показателя гидродинамического несовершенства. Этот показатель эквивалентно учитывает дополнительные потери напора, которые возникают в связи с искривлением линий тока во фрагменте потока, непосредственно примыкающем к границе пласта. Для линейных несовершенных границ (река) вводится показатель DL, показывающий на какое расстояние на расчетной схеме надо переместить границу, увеличив область фильтрации, для эквивалентной замены несовершенного уреза реки на совершенный. Для несовершенных скважин вводится показатель дополнительного гидравлического сопротивления x, как величина удельных (т.е. приведенных к Q =1м³/сут) потерь напора за счет искривления линий тока, либо величина a, показывающая во сколько раз надо уменьшить на расчетной схеме радиус фильтра скважин, чтобы эквивалентно учесть замену искривленных в радиусе линий тока на параллельные [17].

Уменьшение мерности потока достигается переходом от ортогональной декартовой системы координат к полярной, цилиндрической или сферической.

Гидравлическое состояние пласта

а) В субнапорных потоках закрытых структур (малые величины избыточных напоров над кровлей пласта в мульдах) необходимо определить раздельно упругие и гравитационные статические запасы пласта. В том случае, если упругие запасы не превышают 5-10%гравитационных, т.е. соблюдается неравенство:

μm ≥ 20 H_изб, где

m – мощность водоносного пласта; H_изб – избыточный напор над кровлей пласта, величиной упругих запасов можно пренебречь и статический уровень горизонта принять на отметках кровли водоносного пласта. Поток рассматривается как безнапорный [11].

б) В субнапорных потоках открытых структур зона напорно-безнапорной фильтраций может возникнуть вблизи водозаборных скважин. При этом начинается сработка гравитационных запасов, что резко замедляет дальнейший темп снижения уровней. Уменьшение мощности а, следовательно, и водопроводимости пласта, имеет обратный эффект. Поэтому при условии:

r_s ≤ r_n , (4)

где r_s – расстояние, на котором на расчетный момент времени понижение уровня равно избыточному напору над кровлей пласта; r_n – приведенный радиус водозабора как обобщенной системы скважин, характеризующий область быстрого наступления квазистационарного режима фильтрации, весь поток может рассматриваться как напорный.

Из выражения (4) следует соотношение:

(5)

где R – радиус влияния водозабора на расчетный период эксплуатации. Учитывая, что обычно для неограниченных в плане пластов r_n£(0.02÷0.05)R, неравенство (5) будет иметь вид:

(6)

То есть при выполнении этого условия пласт считается напорным и зоной безнапорного потока вблизи скважины можно пренебречь.

В пластах, ограниченных контуром питания (рекой) цифровой коэффициент в формуле (6) уменьшается до 0.1– 0.2.

в) Сработкой гравитационной емкости в области распространения грунтовых вод в краевой части артезианских бассейнов пренебрегать не следует. Несмотря на то, что площадь выходов водоносного пласта, где распространены грунтовые воды, обычно в сотни раз меньше всей области распространения влияния от водозабора, величина гравитационной емкости μ на 2-3 порядка превышает упругую водоотдачу μ^*. В связи с этим величины упругих и гравитационных статических запасов, обеспечивавших эксплуатационный водоотбор оказываются соизмеримыми, причем гравитационные запасы на определенные периоды эксплуатации могут превосходить упругие [11].

Строение фильтрационной среды

Среда считается однородной, если изменение водопроводимости пласта (km) не превышает двух раз. Среда считается условно однородной, если изменение km не превышает 5-10 раз. При незакономерном хаотическом изменении km следует определять его среднее арифметическое значение изо всей совокупности частных определений. При кусочно-однородном строении пласта расчетное значение km может быть определено как средневзвешенное по площадям. При этом следует выделить расчетное значение km в районе непосредственного размещения водозаборных скважин для определения срезок уровня за счет их взаимовлияния и дополнительного понижения, формирующегося в самой скважине, а также среднее значение km для периферии месторождения, используемое для расчета водозабора, как обобщенной системы скважин.

При уменьшении водопроводимости пласта в 100 и более раз границу неоднородности в плане следует считать непроницаемой (Q=0). При увеличении водопроводимости в 100 и более раз границу неоднородности в плане следует принимать с условием Н=const [11].

Интенсивность горизонтального и вертикального водообмена

Сопоставление интенсивности горизонтального и вертикального водообмена позволяет оценить интенсивность дополнительного питания пласта за счет перетекания или инверсии разгрузки при эксплуатации водозабора. В этом случае, если перетекание или инверсия разгрузки оказываются небольшими, необходимо оценить размеры площади, в пределах которой может быть получено дополнительное питание, обеспечивающее эксплуатационный водоотбор, и сравнить эту площадь с областью влияния от эксплуатации, в предположении, что дополнительного питания нет. Необходимо сопоставить величину и значение радиуса контура питания R_к,определяемого по зависимости (3). В том случае, если , дополнительно привлекаемым питанием можно пренебречь.

Воздействие внешних границ пласта

Схематизация имеет смысл только в условиях нестационарного режима фильтрации. При наступлении стационарного режима фильтрации на работу инженерного сооружения оказывают воздействие только те границы, которые располагаются ближе радиуса контура питания R_к.

Внешние границы пласта влияют на процесс водоотбора не сразу, а только после достижения сферы воздействия водозабора этих границ и отражения от них. Период времени, в течение которого влиянием внешней границы можно пренебречь, определяется соотношением:

, где

L – расстояние до внешней границы пласта.

При расчетах взаимодействующих водозаборов период времени, в течение которого сфера воздействия одного из них не достигает скважин другого водозабора, определяется выражением:

,

здесь L – расстояние между водозаборами.

Упрощение вида границ пласта

Упрощается конфигурация границ области фильтрации, приводится к правильным геометрическим формам, а именно – прямым линиям или окружностям. При этом должны соблюдаться следующие условия:

а) Эквивалентность расстояний от водозабора до реальной открытой границы и до аппроксимирующего эту границу прямолинейного контура, т.е. реализация условия:

где b_i, l_i – ширина участков реальной границы и расстояние до центров этих участков от водозабора; b_j, l_j – то же для линейного контура, заменяющего реальную границу на расчетной схеме.

б) Эквивалентность площади реального пласта, ограниченного непроницаемыми границами, и закрытого пласта, с правильными геометрическими формами непроницаемых границ. При этом, если длина L и ширина В пласта находятся в соотношении

то возможно реальный пласт заменять круговым закрытым пластом, размеры которого определяются по зависимости:

где F – площадь реального пласта.

При следует принимать схему пласта – прямоугольной, а при пласт имеет форму полосы с закрытыми границами.

2.5. Типовые расчетные схемы для оценки эксплуатационных запасов подземных вод

В разделе 2.3 понятие "типовой расчетной схемы" было определено как некоторая математическая модель исследуемого объекта, для которой существует готовое решение, позволявшее осуществить расчет водозабора с соблюдением всех вышерассмотренных ограничений и требований.

В настоящее время в литературе можно найти описание большого числа типовых расчетных схем, которые охватывают достаточно большое разнообразие природных ситуаций, с которыми приходится встречаться на практике. Характерной особенностью большинства расчетных схем, используемых для расчетов водозаборов (в отличие от схем, применяемых для обработки опытных откачек) является наличие в них границ. Это обстоятельство объясняется большой длительностью расчетного времени, в течение которого влияние от работы водозабора обычно распространяется на всю область пласта, вплоть до его границ; как бы далеко от водозабора они не находились. Исключение могут составлять водозаборы, работающие в условиях артезианских бассейнов платформенных структур, в которых расстояния до границ оказывается слишком большим.

Типовые расчетные схемы отличаются плановой и вертикальной структурой, а также характером граничных условий, реализуемых на их границах [4]. Пo типу вертикальной структуры выделяются однопластовые и многопластовые типовые схемы. Для многопластовых схем характерным является взаимодействие образующих ее элементов. Однопластовая схема характеризуется полной изолированностью продуктивного пласта от смежных пластов.

Наиболее распространенными видами плановой структуры являются следующие схемы: "неограниченного пласта", "полуограниченного пласта", "пласта - полосы", "пласта - квадранта" и т.д. (понятие "пласт" взято в кавычки для того, чтобы подчеркнуть, что продуктивная толща может быть не только одно-, но многопластовой).

Рассматриваемые нами граничные условия подразделяются на два рода. Граничное условие I рода означает, что на соответствующей границе пласта задан напор Н=f(t); в типовых расчетных схемах принимают, что H=const (границы, на которых задается напор, называют также проницаемыми границами).

Граничное условие II рода означает, что заданным является расход: Q=f(t). B типовых условиях обычно принимают на границе пласта Q=0. Такая граница является непроницаемой.

Граничные условия в схемах с большим числом границ могут быть одинаковых, либо различных родов. Так, в схеме "пласта-квадранта" или "пласта-полосы" обе границы могут быть одноименными (Н₁=сonst, H₂=const и Q=0), либо разноименными (Н=const и Q=0).

Наиболее распространенные виды типовых расчетных схем рассматриваются в главах 6-9, посвященных изложению методики гидродинамических расчетов водозаборов в условиях конкретных типов месторождений подземных вод.

Подробную сводку типовых расчетных схем и соответствующих им формул можно найти в работе [4].

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 1343; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!