Глава 7. РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРОВ В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД_ В АРТЕЗИАНСКИХ БАССЕЙНАХ

7.1. Особенности эксплуатации месторождений

Артезианские бассейны значительных размеров приурочены обычно к платформенным синклинальным структурам (Московский, Западно-Сибирский, Тунгусский, Якутский). Менее крупные располагаются в пределах авлакогенов, в краевых частях платформ (Днепровский, Азово-Кубанский, Терско-Кумский). Несмотря на различие в геологическом строении, условиях залегания водоносных пород, тектонических особенностях районов, существует совокупность гидрогеологических признаков, объединяющая подземные воды артезианских бассейнов в определенную группу месторождений.

1. Месторождения подземных вод артезианских бассейнов отличаются от других типов месторождений прежде всего своими значительными размерами (большие площади месторождений в сочетании с большими мощностями водоносных пород обеспечивают наличие крупных статических запасов подземных вод).

2. В вертикальном разрезе артезианского бассейна выделяют этажную систему водоносных пластов, разделенных слабопроницаемыми глинистыми слоями, через которые обычно осуществляется гидравлическая взаимосвязь между водоносными пластами.

3. Для целей централизованного водоснабжения чаще всего используются первые от поверхности горизонты напорных вод, т.к. вышележащие грунтовые воды обычно по количеству не могут обеспечить крупного потребителя, кроме того, всегда существует опасность их загрязнения стоками различного происхождения. Расположенные глубоко по разрезу напорные воды имеют обычно повышенную минерализацию.

4. В средней части Русской платформы, где верхние горизонты артезианских структур тесно связаны с поверхностными водотоками, проблема эксплуатации артезианских вод неотделима от экологической ситуации в конкретном регионе. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод здесь должна вестись с учетом возможного ущерба существующему речному стоку, который выступает как одно из главных ограничений при выборе оптимальных условий эксплуатации. Правильный выбор расчетной схемы в такой ситуации играет решающее значение. Мы ниже останавливаемся лишь на решениях, полученных для условий сохранения постоянного уровня в питающем горизонте.

5. В формировании эксплуатационных запасов принимают участие
главным образом статические упругие запасы, а так же дополнительные поступающие в виде перетока из соседних горизонтов и гравитационные, вовлекаемые в зону влияния эксплуатации, при ее распространении до области выхода водоносных пород на поверхность.

6. В процессе эксплуатации артезианских водоносных горизонтов формируются депрессионные воронки больших размеров, достигающие нескольких десятков километров и понижения уровня, исчисляемые десятками, а иногда и сотнями метров. По прошествии существенного периода эксплуатации с Q=const режим фильтрации стабилизируется вследствие привлечения дополнительных запасов в виде перетекания из вышезалегающих питающих пластов. В исключительных случаях, вследствие отсутствия источников пополнения запасов подземных вод, стационарная фильтрация не наступает. Самая распространенная схема размещения водозаборных скважин – линейный ряд (при расстоянии между скважинами – 2σ, в диапазоне от 200 до 2000 м).

В пределах артезианских бассейнов выделяют три типа месторождений подземных вод:

1. Месторождения, приуроченные к однопластовым, изолированным в разрезе гидрогеологическим структурам.

2. Месторождения, приуроченные к многопластовым толщам, в условиях взаимосвязи между водоносными горизонтами (или водоносного горизонта с атмосферой через слабопроницаемый водоносный слой).

3. Месторождения в краевой части артезианского бассейна.

7.2. Месторождения, приуроченные к однопластовым изолированным гидрогеологическим структурам

Из основных гидрогеологических особенностей месторождений этого типа является отсутствие дополнительных источников питания (привлекаемых запасов). Эксплуатационные запасы в районе действующих водозаборов формируются за счет сработки упругих запасов и область влияния водозаборов достигает значительных размеров. Если литологические особенности водовмещающих пород характеризуются фильтрационной неоднородностью в плане, она обычно может быть сведена к хаотической и, в целом пласт "приводится" к однородному путем осреднения параметров [1, 4].

Рассмотрим методику расчета водозабора, для случая линейной схемы расположения скважин на месторождениях рассматриваемого типа. Расчетная схема приведена на рис.12.

Рис.12. К расчету водозабора в однопластовой изолированной структуре

Понижение в центральной части водозаборного ряда S_j, согласно методике расчета обобщенных систем скважин [4, 11], выражается формулой:

S_j=S_wj+∆S_скв+ξ

здесь ∆S_j определяется по методике, изложенной в разделе 3.2.; ξ – параметр несовершенства скважины (см. рис.5), а для S_wj используется выражение:

где Q_сум – суммарный дебит водозабора; R_w – безразмерное гидравлическое сопротивление при действии линейной системы скважин.

Возможность использования метода обобщенных систем скважин обуславливается наступлением квазистационарного режима фильтрации к концу расчетного срока эксплуатации.

Для любой точки водоносного пласта в зоне влияния эксплуатации водозабора R_w может быть определено по соответствующим номограммам, приведенным в работе [4]. Для центральной скважины водозаборного ряда R_w определяется по следующей зависимости:

.

7.3. Месторождения, приуроченные к многопластовым толщам, эксплуатирующиеся в условиях взаимосвязи между водоносными горизонтами

В работе [4] показано, что при расчетах водозаборов в слоистых толщах влияние соседних пластов, как источников питания, может быть весьма существенным даже в тех случаях, когда эти пласты отделены от эксплуатируемого значительными по мощности и слабопроницаемыми глинистыми слоями. Неучет этого факта может привести к существенному занижению величины расчетного понижения уровня и созданию неоправданно завышенного инженерного «запаса» при оценке условий работы водозабора. Необходимость учета перетекания из соседних горизонтов при работе водозабора в слоистой толще определяется критерием: ,

где R_вл – приведенный радиус влияния водозабора ; В – параметр перетекания, который в свою очередь определяется выражением:

, где

km – водопроводимость эксплуатационного горизонта;

k₀, m₀ – коэффициент фильтрации и мощность разделяющего водоупора.

В случае, если эксплуатируемый пласт рассматривается как изолированный и все расчеты выполняются в соответствии с методикой, изложенной в разделе 7.2. В настоящем разделе приводится методика расчета водозабора для показанных на рис.13 расчетных схем, при постоянном напоре в соседних с эксплуатируемым горизонтах и без учета водоотдачи разделяющих слоев.

а) б)

в)

Рис.13. Типовые расчетные схемы (а, б, в) для расчета водозабора в многопластовой структуре в условиях взаимосвязи между водоносными горизонтами

Критерием возможности такого допущения служит соотношение:

Оно получено путем сопоставления объема воды в питающем горизонте и возможного дополнительного питания этого горизонта из поверхностных водотоков или инверсии разгрузки. Понижению уровня в горизонтах, питающих основной эксплуатационный, может возникнуть при продолжительной эксплуатации с большой производительностью. Детально этот случай разобран в работе [4] и в настоящей работе не рассматривается.

Понижение уровня в одиночной скважине при откачке из нее в условиях любой из расчетных схем, приведенных на рис.13, определяется по зависимости:

где – безразмерное сопротивление, для определения которого в общем случае используют функцию ,

.

При длительных откачках, соизмеримых с расчетным сроком эксплуатации водозабора , понижение уровня стремится к постоянной величине, определяемой формулой:

В самой скважине, с учетом того, что ( – радиус скважины) и при этом ,

(24)

Переходя к линейной системе взаимодействующих скважин ограниченной протяженности ,работающих в слоистой водоносной толще, по методу обобщенных систем скважин в центре систем, получим

(25)

где В определяется по табл.3.

Таблица 3. К расчету коэффициента в формулах (24) – (26)

Схема на рис. 13	ai	bi

Для линейного ряда значительной длины определение понижения уровня на линии водозаборных скважин может быть выполнено по формуле [4]:

(26)

где – единичный расход водозабора

Ф(Z) – функция Крампа, "интеграл вероятности", табулирована в работе [4].

Непосредственно в самой скважине понижение можно определять по формуле (9) с учетом зависимости (7). Первый член суммы в (9) не учитывается, если расстояние до соседнего водозабора больше В.

Формирование эксплуатационного расхода до начала поступления воды из соседних горизонтов происходит в условиях сработки упругих запасов. Начиная со времени t_вл=0.11В²/а в формировании эксплуатационных запасов принимают участие подземные воды соседних горизонтов. Доля перетекающих вод в общем балансе месторождения на период t₁ и t₂ может быть определена, как и .

Объем воды, поступающий в основной пласт из питающих горизонтов V_пер, определяется по формуле [4]:

,

где V – объем воды, получаемый водозабором за время t; Q – расход водозабора.

Через период эксплуатации t_с=3В²/а наступает стационарный режим фильтрации и весь расход водозабора на 100% формируется за счет перетекания.

Используя рассчитанные значения расходов перетекания Q₁, Q₂, …Q_n представляется возможным построить гидрограф эксплуатационных запасов, оценить минерализацию отбираемых подземных вод на любой прогнозный период.

7.4. Месторождения в краевых частях артезианских бассейнов

Наиболее оптимальной схемой расположения водозаборных скважин в рассматриваемых гидрогеологических условиях, является линейный ряд, расположенный параллельно области выхода водоносных пород на поверхность. При этом следует помнить, что в условиях отсутствия дополнительного питания водоносных пород на поверхности (аридные районы), водозаборный ряд нецелесообразно располагать близко к области выхода пласта (т.к. это закрытая граница). Чрезмерное удаление скважин от выходов водоносных пород на поверхность связано с увеличением их глубины и приводит к удорожанию строительных работ. Поэтому окончательное решение об удаленности водозаборного ряда L принимается после проведения сопоставительных расчетов.

Расчетная схема для оценки работы водозабора в полуограниченном пласте с осушением на выходах отложений на дневную поверхность приведена на рис.14.

Рис.14. К расчету водозабора в краевых частях артезианских бассейнов: план и разрез

Ниже рассмотрим два варианта в зависимости от протяженности водозаборного ряда [4]:

1)линейный ряд ограниченной протяженности (2l < L );

2)неограниченный линейный ряд скважин (L < 2l).

Для первого случая (L>2l) формула для определения величины расчетного понижения уровня в центральной части водозаборного ряда имеет вид:

,

здесь

(27)

; (28)

, ,

R₁ – безразмерное гидравлическое сопротивление при действии скважины в пласте, ограниченном прямолинейным непроницаемым контуром; R₂ – часть безразмерного сопротивления, учитывающая осушение плаcта в области выхода его на поверхность. Формула для R₂ применима при условии

При малых значениях b рассматриваемая расчетная схема трансформируется в схему с постоянным напором на внешней границе. В этом случае R₂=0.

В случае неограниченного линейного ряда (при 2l>L) расчетная формула для определения понижения уровня подземных вод в центре линейного ряда согласно [4] выглядит следующим образом:

,

где q₀ – единичный расход водозабора; L – расстояние от водозабора до области выхода водоносных пород на поверхность; R₁ и R₂ гидравлические сопротивления для точек, расположенных на линии водозаборных скважин, определяемые по формулам (27) и (28).

Формирование эксплуатационного расхода за период с начала эксплуатации до времени t₁ обеспечивается за счет сработки упругих запасов в зоне влияния водозабора. Продолжительность этого периода может быть определена из соотношения:

(29)

Начиная со времени t₁ в формировании эксплуатационного расхода водозабора принимают участие гравитационные запасы области выхода водоносных пород на поверхность. В общем виде доля эксплуатационных запасов, формирующихся за счет притока из области питания (на любой момент времени t₂, t₃. . . , t_n ) может быть оценена по формуле:

Q_{2,3, . . . , n} = (30)

где Q – расход водозабора; R – безразмерное гидравлическое сопротивление.

В случае линейного ряда ограниченной протяженности, для схем с осушением пласта в области выхода его на поверхность R определяется следующим образом:

(31)

Для линейного ряда неограниченной длины:

(32)

Формулы (29)-(32) могут быть использованы при построении гидрографа эксплуатационных запасов для условий работы водозабора рядом с областью выхода водоносного горизонта.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 781; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!