ГЛАВА 6. РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРОВ В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РЕЧНЫХ ДОЛИНАХ

6.1. Особенности эксплуатации месторождений

Подземные воды в аллювиальных отложениях современных и древних речных долин, выполненных рыхлообломочными породами, играют большую роль в водоснабжении населенных пунктов и промышленных предприятий. К ним приурочены многочисленные водозаборные сооружения нередко весьма значительной производительности (порядка 50-100 тыс.м³/сут).

Речные долины, по характеру формирования в них подземного стока подразделяют на два типа: долины рек горных областей и долины рек равнинных областей. Подземные воды речных долин горных областей образуют подрусловые потоки с направлением движения вдоль речной долины. При этом отмечаются значительные уклоны поверхности грунтовых вод. В речных долинах равнинных рек, в силу незначительного их уклона и их дренирующей, но отношению к подземным водам, роли - поток подземных вод направлен поперек речной долины, от водоразделов к области дренирования. Водоносные горизонты, приуроченные к аллювиальным отложениям речных долин, характеризуются рядом гидрогеологических особенностей, позволяющих объединить этот тип подземных вод в определенную группу месторождений.

Речные долины сложены хорошо водопроницаемым мелко- и среднеобломочным (равнинные речные долины) и крупнообломочным (межгорные впадины) материалом, обычно небольшой мощности (10-30 м). Однако мощность отложений крупных речных долин (таких как Волга, Кама и др.) может быть значительной – до 40-50 м.

Подземные воды аллювиальных отложений речных долин по условиям залегания относятся к грунтовым, безнапорным. Лишь на некоторых участках, где водоносные породы прикрыты относительно водоупорными, наблюдаются небольшой избыточный напор (до нескольких метров). По условиям взаимосвязи подземных и поверхностных вод месторождения в речных долинах можно подразделить на два типа:

1) река обладает постоянным водотоком и гидравлическая связь поверхностных и подземных вод сохраняется в течение всего расчетного периода эксплуатации (в условиях наличия или отсутствия заиленных русловых отложений);

2) водоток, протекающий в речной долине, носит временный характер. Его наличие приурочено ко времени обильного снеготаяния или выпадения осадков. В этот же период возможна гидравлическая взаимосвязь поверхностных и подземных вод и полное (или частичное) восполнение запасов подземных вод в пределах месторождения.

Ниже рассмотрим особенности расчетов водозаборов подземных вод для выделенных двух типов месторождений.

6.2. Месторождение подземных вод в долинах с постоянно действующим водотоком

Эксплуатационные запасы подземных вод в месторождениях этого типа формируются в основном за счет привлечения вод, фильтрующихся из поверхностных водотоков, с которыми гидравлически связаны водоносные аллювиальные отложения. Водозаборы инфильтрационного типа, как правило, располагаются вдоль уреза реки. Наиболее распространенным типом водозабора является линейный ряд скважин. Расстояние от водозабора до реки – L₁, выбирается с учетом требований создания зон санитарной охраны II-го пояса и должно обеспечивать отмирание болезнетворных бактерий, продолжительность жизни которых в анаэробной среде достигает 400 суток. Для зернистых коллекторов оно обычно принимается равным 50-200 м, для трещиноватых пород 200-500 м. Последнее обусловлено худшими условиями очищения поверхностных вод в трещиноватых породах. Расстояние от реки до водозабора может быть оценено на основе балансового уравнения:

=2 ,

из которого следует, что

,

где Q – расход водозабора, м/сут; – полурасстояние между соседними скважинами водозабора, м; n – число скважин; m – мощность водоносного горизонта, м; – водоотдача водоносных пород; t – продолжительность жизни бактерий в анаэробных средах, cут.

Расстояние между cкважинами 2σ принимается обычно в диапазоне от 50 до 200 м (cм. табл. 1). В начальный период эксплуатации водозабора вблизи него формируется депрессионная воронка, которая очень быстро достигает уреза реки. С этого момента начинается привлечение речных вод в зону влияния водозабора. Это время определяется из равенства радиуса влияния откачки расстоянию до реки:

Начиная со времени , водоотбор обеспечивается за счет притока вод фильтрующихся из реки. С этого момента времени эксплуатация подземных вод происходит в условиях стационарного режима фильтрации.

В зависимости от геометрических размеров речных долин, фильтрационных свойств аллювиальных и коренных отложений возможны следующие гидрогеологические ситуации в соответствующие им расчетные схемы [1].

1. Водопроницаемость коренных отложений близка по значению к водопроницаемости аллювия (k₁/k₂<10, где k₁ – коэффициент фильтрации аллювиальных отложений, а k₂ – коэффициент фильтрации коренных отложений). Такая ситуация позволяет рассматривать речную долину, как полуограниченный (только со стороны реки) пласт (рис. 6 а, б). При этом на урезе реки условия устанавливаются в зависимости от ее уровенного режима. В большинстве случаев необходимо учитывать «несовершенство» речных русел, т.е. неполную их врезку в водоносный горизонт и заиленность русловых отложений.

2. Водопроницаемость коренных отложений значительно меньше водопроницаемости аллювиальных (k₁/k₂ > 10), т.е. водоприток c их сторон практически отсутствует (рис. 7 а, б). Если расстояние от водозабора до реки меньше или равно расстоянию от водозабора до контакта аллювия с коренным породами L/2L₁>1, то при оценке запасов влиянием второй непроницаемой границы можно пренебречь и рассматривать пласт, как полуограниченный (см. выше рассмотренный случай, рис.6) [1].

а) б)

Рис.6. Гидрогеологический разрез (а) и расчетная схема (б) к расчету водозабора в условиях широких речных долин (L/2L₁>1)

а) б)

Рис.7. Гидрогеологический разрез (а) и расчетная схема (б) к расчету водозабора в условиях узких речных долин (L/2L₁<1)

Поскольку удаление водозабора от контура питания на значительное расстояние L₁нецелесообразно, то полуограниченный пласт с контуром постоянного напора S= const на границе - типичная расчетная схема для данной разновидности месторождений подземных вод. Расчетная схема пласт-полоса с разнородными условиями на контурах S=f(t) или S=const и q=0или q=const может рассматриваться только для узких речных долин L/2L <1 (см. рис. 7а, б).

Для работы водозаборов, у реки характерна быстрая стабилизация уровней подземных вод, что позволяет вести расчеты эксплуатационных запасов гидродинамическим методом по формулам уcтановившейся фильтрации.

Понижение уровня подземных вод в одиночной скважине при длительных откачках (при < 0.05÷0.1) определяется, как

, (18)

где r₀ – радиус скважин; – расстояние от скважины до ее зеркального отображения; ξ – параметр несовершенства скважин.

В случае безнапорных вод, при понижении уровня, превышающем 25% мощности пласта, формула (18) перепишется в виде:

, (18а)

где H – начальная мощность горизонта грунтовых вод.

Для ряда скважин ограниченной длины, работающих рядом с контуром питания понижение уровня в его центре может быть определено по формуле Форхгеймера [1, 4]:

,

где Q_i – расход i-й скважины при условии равенства расходов во всех скважинах); r₁, r₂, … r_n – расстояние от центральной скважины до 1, 2, ... i-й скважины водозабора; ρ₁, ρ₂, … ρ_n – расстояние от центральной скважины до зеркальных отображений других скважин водозабора; x – параметр несовершенства центральной скважины.

При одинаковом водоотборе и равных расстояниях между скважинами может быть использован метод обобщенных систем [4].

Для определения понижения уровня подземных вод в центральной части ряда протяженностью вдвое превышающей расстояние скважин до реки (s·n>L₁), целесообразно пользоваться формулой Маскета-Лейбензона [4]:

(19)

где Q₀ – расход центральной скважины; L₁ – расстояние от реки до водозабора; s – половина расстояния между скважинами; x – параметр несовершенства скважины.

При значительных расстояниях водозабора от реки (L₁ > s·n)понижение уровня в центральной скважине определяется по формуле для водозаборного ряда ограниченной протяженности:

(20)

Гарантированность восполнения запасов подземных вод за счет поверхностных, оценивается пропускной способностью заиленного (кольматированного) русла реки по формуле [11]:

, (21)

где h₀ – высота слоя воды в реке; m₀ – мощность подземного слоя в русле реки; k₀ – коэффициент фильтрации заиленного слоя; b – ширина реки; 2sn – длина водозаборного ряда (n – число скважин).

Расход водозабора Q_вод должен быть меньше Q_р, иначе подпертый режим фильтрации может быть нарушен и произойдет отрыв уровня подземных вод от дна реки. В целях предотвращения этого явления следует увеличить расстояние между скважинами 2s или количество скважин n. При определении расчетного понижения в скважинах, расположенных вблизи заиленного русла реки, необходимо учитывать несовершенство гидравлической взаимосвязи подземных вод с поверхностными путем увеличения в расчетной схеме расстояния скважин от реки L₁на величину DL_н. Тогда новое расстояние L_p записывается, как L_p=L₁+DL_н, где параметр несовершенства реки DL_н определяется по следующей зависимости [1, 11, 18, 19]:

где k и m – коэффициенты фильтрации и мощность основного водоносного горизонта (остальные обозначения см. выше).

Значение DL_н в зависимости от можно определить по графику (рис.8). Наиболее надежна величина DL_н может быть получена путем решения обратных задач по результатам кустовых откачек. При этом L₁+DL_н принимается как один из неизвестных параметров составляющих ρ в формулах 18 и 18а.

6.3. Месторождения подземных вод в долинах с периодически действующим водотоком

Основной особенностью этого типа месторождений подземных вод является истощение их запасов в период, когда поверхностный водоток отсутствует. Дебит водозабора в этот период будет обеспечиваться сработкой гравитационных статических запасов и интенсивным снижением уровней подземных вод в аллювиальных отложениях. В период половодья начинается инфильтрация воды из реки. Оценить гарантированность восполнения запасов в период наличия инфильтрации можно по формуле (21). При достаточно интенсивной инфильтрации и длительном периоде половодья может произойти полное восполнение гравитационных статических запасов, сработавшихся за безводный период года.

Рис.8. К определению параметра ∆L_н

Таким образом, расчетное снижение уровня вода в скважинах в процессе эксплуатации будет складываться из двух величин:

понижения уровня обусловленного работой водозабора вблизи реки, как у контура постоянного напора в период наличия водотока в русле;

дополнительного понижения, обусловленного сработкой гравитационных запасов в течение года, когда поверхностный сток в реке отсутствует.

В последнем случае необходимо оценить влияние внешних границ пласта на работу водозаборных скважин. Здесь возможны два варианта граничных условий (при отсутствии питания со стороны внешних границ):

неограниченный пласт, когда влияние от водозабора не доходит до внешних границ пласта (R_пp>0.5L);

пласт-полоса, когда ширина речной долины L превышает длину водозаборного ряда не более чем в 2 раза (L /2L < 2).

Таким образом, при работе водозабора в долине с периодически действующим водотоком следует рассматривать два варианта сочетаний из двух расчетных схем.

Первый вариант:

● работа водозабора вблизи контура постоянного напора реки (рис. 9а);

● работа водозабора в неограниченном водоносном пласте (рис. 9б).

а) б)

Рис.9. К расчету водозабора, расположенного в речной долине с периодически действующим водотоком (первый вариант сочетания расчетных схем):

а) водозабор расположен вблизи контура постоянного напора реки;

б) водозабор расположен в неограниченном водоносном пласте

Второй вариант:

● работа водозабора вблизи контура постоянного напора-реки (рис. 10а);

● работа водозабора в пласте-полосе (рис. 10б).

Используя метод суперпозиций, прогнозное понижение уровня воды в центральной скважине водозабора можно определить, как сумму понижений, рассчитанных для каждой из выделенных расчетных схем:

где S₁– понижение уровня в полуограниченном пласте с контуром постоянного напора, определяемое в зависимости от соотношения по формулам (19) или (20); S₂ – понижение уровня в неограниченном пласте, определяемое по формула Тейса или в пласте-полосе, в которых t – период между паводками в реке; - параметр несовершенства центральной скважины водозабора.

а) б)

Рис.10. Второй вариант сочетания расчетных схем:

а) водозабор расположен вблизи контура постоянного напора-реки;

б) водозабор расположен в пласте-полосе.

6.4. Построение гидрографа эксплуатационных запасов подземных вод

Гидрограф эксплуатационных запасов подземных вод для случая работы водозабора рядом с контуром постоянного напора (рекой) выглядит, как показано на рис.5.

Время достижения влияния от работы водозабора до уреза воды в реке t₁ – определяется из формулы:

L₁=1.5 ,

откуда t₁= . (22)

Время, начиная с которого эксплуатационные запасы будут обеспечиваться за счет фильтрации из реки t₂, найдем из критериев наступления стационарного режима фильтрации (см. формулу 7).

Определить долю участия речных вод в формировании эксплуатационных запасов в районе водозабора Q'_р, Q''_р ... в периоды t', t'', ... можно по формуле:

Q_р'^, ''^,… = Qerfc ( ), (23)

где F = - безразмерное время.

При длительной эксплуатации и наличии бытового потока (q_б >0) выражение для определения расхода из реки имеет вид:

Q =

где y – половина ширины захвата потока подземных вод со стороны реки; L – расстояние от водозабора до реки (рис. 11б)

y = .

Отсюда можно перейти к прогнозу изменения качества подземных вод, отбираемых водозабором. При условии постоянства качества воды в водотоке и в подземном горизонте (соответственно М_р=const и M_n=const), текущее значение минерализации подземных вод, полученных из скважин водозабора в момент времени t, равно

.

Значения притока из реки и с водораздела могут быть получены по гидрографу эксплуатационных запасов.

6.5. Расчет параметров третьего пояса санитарной охраны

Здесь целесообразно рассмотреть два случая. В первом случае запасы формируются только за счет фильтрации речных вод. Тогда положение нейтральной линии тока определяется следующими параметрами (см. рис.11):

а)

б)

Рис.11. К построению гидрографа эксплуатационных запасов подземных вод и обоснованию ЗСО-III

а – в условиях отсутствия бытового потока подземных вод со стороны водораздела; б – в условиях наличия бытового потока подземных вод со стороны водораздела.

Расстояние от водозабора до реки L₁ c учетом срока выживания болезнетворных бактерий, оценивается по формуле 22.

В случае, если расход водозабора обеспечивается подтоком подземных вод со стороны водораздела (q_б> 0) и фильтрацией из реки (см. рис. 11б), тогда ширина ЗСО на урезе реки равна [8, 12]:

X₀=-L₁

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 1152; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!