ГЛАВА 8. Расчеты водозаборов подземных вод в условиях конусов выноса

8.I. Особенности эксплуатации месторождений

1. В строении конусов выноса предгорных областей наблюдаются следующие особенности. В головной части конус сложен мощной (100–300 м) толщей преимущественно гравийно-галечниковых осадков. По мере удаления от гор эти отложения переходят в пески, появляются прослои супесей и суглинков, которые, чередуясь между собой в вертикальном разрезе, образуют слоистую систему. В верховьях конусов выноса подземные воды залегают на глубине 30–100 м. Уклон грунтовых вод в головной части конуса выноса обычно меньше уклона дневной поверхности и глубина залегания уровня воды в средней его части уменьшается до 0. Здесь обычно образуется зона выклинивания, т.е. разгрузки подземных вод в виде родников или путем испарения. Обычно разгрузка приурочена к той части конуса, где песчано-гравийные отложения сменяются суглинками, обусловливающими ухудшение проводимости пласта и создающими подпор подземных вод. При этом разгрузка, как правило, сосредотачивается в узкой зоне, вытянутой перпендикулярно общему направлению потока подземных вод. В некоторых случаях зона разгрузки оказывается рассредоточенной на значительной площади. В этой части конуса выноса глубина до уровня грунтовых вод составляет 1–3 м и в прослоях песков появляются напорные воды, уровень которых может быть ниже или выше уровня грунтовых вод, в зависимости от соотношения отметок поверхности земли и уровней воды в головной части конуса выноса.

2. Проницаемость отложений конусов выноса изменяется не только по направлению от гор к равнине, но и вдоль склона. В боковых периферийных зонах, различимых в рельефе как межконусные понижения, возрастает количество суглинков и проницаемость падает. Поэтому ширина фронта основного потока подземных вод в конусе выноса ограничена несколькими километрами.

3. Месторождения в конусах выноса характеризуются обычно ограниченной площадью распространения (первые десятки кв. км), высокой водообильностью, большой мощностью отложений (более 100 м), приурочены к грунтовым водам. Эти месторождения имеют значительные как статические, так и динамические запасы подземных вод.

4. Основными источниками питания подземных вод конусов выноса являются потери стока рек и оросительной сети (70–85%), меньшее значение имеет подземный переток со стороны горных массивов.

5. Разгрузка подземных вод происходит в средней части конуса выноса в виде родников или испарением.

6. В нижних частях конусов выноса подземные воды залегают на небольшой глубине, в связи с чем происходит их испарение, обуславливающее повышение минерализации или разгрузка в постоянно действующие водотоки (реки). С глубиной минерализации воды уменьшается, т.е. в разрезе по вертикали наблюдается обратная гидрохимическая зональность.

7. Водозаборы целесообразно размещать в виде линейного ряда скважин перпендикулярного направлению естественного потока, обычно параллельно и несколько выше по потоку (первые км) линии родниковой разгрузки. Размещение водозаборов в верхней части конуса выноса нерационально вследствии большой глубины до уровня подземных вод, непосредственно в зоне разгрузки – вследствие появления в разрезе слабопроницаемых прослоев, ухудшения условия водопритока к фильтру скважины и увеличения минерализации воды.

8. Учитывая ограниченность размеров рассматриваемых месторождений, оценке их запасов должно предшествовать рассмотрение баланса подземных вод и сравнение суммарных естественных ресурсов с потребностью в воде.

8.2. Схематизация гидрогеологических условий

Верховая, горная граница конуса выноса обычно принимается бесконечно удаленной, поскольку водозабор располагается на значительном удалении от нее, вблизи зоны разгрузки. Боковые закрытые границы конуса, где происходит резкое ухудшение проницаемости пласта, учитываются методом зеркальных отображений. В результате этого линейный ряд скважин ограниченной протяженности, располагающийся между этими границами, представляется на расчетной схеме бесконечным по длине водозабором. Это позволяет считать и водоносный пласт в этих направлениях неограниченным.

Нижняя граница месторождения обычно проводится по линии замещения песчано-галечниковых отложений глинистыми осадками. Ее гидродинамическое значение зависит от соотношения величины разгрузки подземных вод на этой границе и расхода водозабора. По этому признаку могут быть выделена следующие четыре варианта:

1. Разгрузка значительно превышает дебит водозабора ( >>Q_э). Такое условие позволяет поддерживать на нижней границе условие I рода (Н=const). Расчет водозабора выполняется по схемам, рассмотренным в разделе 6.2. В процессе эксплуатации водозабора наступает режим установившейся фильтрации, эксплуатационные запасы с некоторого времени полностью обеспечиваются ущербом родниковой разгрузки, изменение которой во времени может быть оценено по уравнению (23).

2. Источники практически отсутствуют, так что дебит водозабора превышает разгрузку (Q_p >> Q_э). Для повышения надежности расчетов нижняя граница задается непроницаемой (Q=0). Расчет водозабора выполняется по схеме эксплуатации неограниченного линейного ряда скважин в полуограниченном пласте.

3. Дебит источников соизмерим с расходом водозабора (Q_p><Q_э). При этом возможна полная или частичная инверсия (перехват) источников. Такая схема соответствует заданию на нижней границе условия III рода – Q_p=f(S). Очевидно, что если Q_p>Q_э,водоотбор из скважин может быть полностью обеспечен за счет перехвата разгрузки. Когда это произойдет, наступит стационарный режим фильтрации.

4. Условие Q_p<Q_эпредполагает, что даже при полной инверсии разгрузки водоотбора из скважин частично будет обеспечиваться за счет сработки гравитационной емкости. В этом случае не происходит стабилизации режима фильтрации.

Выбор расчетной схемы зависит от взаимного расположения водозабора и зоны разгрузки. Здесь возможны два варианта.

Вариант 1. Разгрузка сосредоточена в узкой зоне, ряд водозаборных скважин располагается параллельно этой зоне на некотором расстоянии выше по потоку. В этом случае, если Q_p<> Q_эпрактически трудно оценить влияние водозабора на инверсию разгрузки. Поэтому первоначально осуществляются расчеты при условии отсутствия инверсии разгрузки в полуограниченном пласте и определяют понижения уровня в зоне выхода родников. На основании такого расчета вычисляют возможные потери источников, которые будут пропорциональны отношению величины понижения уровня в местах их выхода к величине избыточного напора, обуславливающего разгрузку подземных вод. Затем расчет водозабора проводится повторно уже с учетом источников в местах их выходов. Инверсия источников задается в виде нагнетания воды по величине равного рассчитанным ранее потерям за счет снижения уровня. В том случае, если расчетная величина инверсии разгрузки окажется большей или равной расходу водозабора, по линии выхода источников следует задавать ГУ – I рода (S =0).

Вариант 2. Водозабор располагается внутри рассредоточения по большой площади зоны разгрузки. Интенсивность разгрузки в пределах всей этой территории принимается неизменной и равной отношению общей величины дебита родников к площади их выхода:

W_p= (33)

При условии Q_p > Q_эвлияние от эксплуатации водозабора не выходит за пределы зоны разгрузки. При значительных размерах конуса выноса, если его ширина в два и более раз превышает длину водозабора, выполняется условие Q_p> Q_э,боковые непроницаемые границы практически не оказывают влияния на формирование запасов подземных вод. Ими можно пренебречь и считать пласт неограниченным в этом направлении. Водозабор для такой расчетной схемы имеет ограниченную длину.

Следует иметь в виду, что рассмотренные расчетные схемы являются приближенными. Учитывая, что часто месторождения в конусах выноса по сложности гидрогеологических условий относятся ко второй группе, для расчета производительности водозаборов целесообразно использовать методы моделирования.

8.3. Основные расчетные схемы

Рассматриваются схемы эксплуатации бесконечного линейного ряда скважин в полуограниченном пласте без нагнетательных и с нагнетательными скважинами, располагающимися на линии закрытой границы (Q =0), схемы эксплуатации бесконечного ряда скважин в пласте с инфильтрацией (инверсией разгрузки), при условии, что Q_p>Q_эи Q_p<Q_э,схемы эксплуатации одиночной скважины в этих же условиях.

Неограниченный линейный ряд скважин в полуограниченном пласте.

Понижение уровня на линии рада составит [4]:

где

L – длина водозабора, м; l – расстояние от водозабора до закрытой границы, м.

Запасы подземных вод обеспечиваются сработкой гравитационной емкости пласта.

Неограниченный линейный ряд скважин в полуограниченном пласте с источниками как ГУ–III рода, расположенными на линии закрытой границы (Х=l).

Понижение уровня S_н на линии разгрузки без учета ее инверсии определяется по формуле [3]:

Инверсия линейной родниковой разгрузки в этих условия cоставит

где Н_р – полный избыточный напор, обуславливающий разгрузку подземных вод, м. По методу зеркальных отображений расстояние до нагнетательных скважин, заменяющих тогда инверсию разгрузки равно 2l.

Уменьшение понижения в водозаборных скважинах[4]оценивается по формуле:

,

а раcчетная величина понижения на линии рада с учетом инверсии родников составит

–

где определяется по формуле: =q₀l/km.

Пласт с равномерно рассредоточенной разгрузкой, превышающей расход водозабора (Q_p>Q_э). Понижение уровня на линии водозабора [4] определяется как: , при условии .

Полуограниченный пласт с равномерно распределенной разгрузкой меньшей расхода водозабора (Q_p<Q_э). Понижение уровня на линии водозаборного ряда, расположенного внутри области разгрузки, определяем методом суперпозиций: S_w=S₁+S₂, где

;

.

Одиночная скважина в полуограниченном пласте с источником на линии закрытой границы. При эксплуатации водозабора происходит частичная инверсия источника. Понижение уровня на линии разгрузки без учета ее инверсии составит:

Инверсия разгрузки оценивается по формуле:

Расчетная величина понижения уровня в скважине с учетом инверсии разгрузки может быть определена как: .

Одиночная скважина в пласте с равномерно рассредоточенным питанием (инверсией разгрузки) превышающем водоотбор (Q_P>Q_э). Понижение уровня определяется по формуле:

где

определяется по формуле (33).

Водоотбор обеспечивается статическими запасами и инверсией родников. Стационарная фильтрация наступит через время:

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 905; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!