- •119991, Москва, гсп-1, Ленинский проспект, 6; Издательство мггу; тел. (095) 236-97-80; факс (095) 956-90-40 «ата»
- •Глава 1. Физические основы динамики
- •Глава 4. Исследование задач плановой
- •Глава 7. Применение принципов и методов динамики подземных вод при гидрогеологических опытных работах и наблюдениях 392
- •Глава 8. Использование методов динамики подземных вод при решении гидрогеологических и инженерногеологических проблем разработки месторождений твердых полезных ископаемых 451
- •Глава 1
- •Элементы гидростатики
- •Гидростатический напор
- •Элементы гидродинамики идеальной жидкости
- •Элементы гидродинамики реальной жидкости
- •О режимах движения
- •Общая физическая характеристика водонасыщенных горных пород
- •Геометрия пор и трещин в горных породах
- •Виды воды в горных породах с позиций задач динамики подземных вод
- •Водонасыщенные горные породы как сплошная среда
- •Подземная гидростатика (напряжения в водонасыщенных горных породах)
- •Емкостные свойства горных пород
- •Гравитационная емкость
- •Упругая емкость
- •Основной закон фильтрации и проницаемость горных пород
- •Коэффициент фильтрации и коэффициент проницаемости
- •Ограничения на закон Дарси
- •Общие представления о статистической теории фильтрации
- •О напряженном состоянии горных пород в фильтрационном потоке (гидродинамическое давление)
- •Общая физическая характеристика
- •Физические основы моделирования геофильтрационных процессов
- •Глава 2 | математические основы теории
- •Гидродинамическая типизация условий движения подземных вод
- •Построение основных дифференциальных уравнений геофильтрации и математические основы моделирования фильтрационных процессов
- •Дифференциальные представления исходных физических закономерностей
- •Расчетная модель жесткого режима фильтрации
- •Расчетная модель упругого режима фильтрации
- •Основные дифференциальные уравнения плановой фильтрации
- •Плановая фильтрация в изолированном напорном пласте
- •Плановая напорная фильтрация при наличии перетекания
- •Плановая фильтрация в безнапорном пласте
- •Раздел 1.4), выражением р
- •Математическая модель плановой фильтрации — условия применимости и основные расчетные схемы
- •Об условиях применимости расчетной модели плановой фильтрации
- •Основные расчетные схемы плановой фильтрации
- •Глава 3
- •Плоскопараллельная (одномерная) стационарная фильтрация
- •0 Формуле Дюпюи и промежутке высачивания
- •Безнапорная фильтрация в слоистом пласте между двумя бассейнами (реками) при отсутствии, инфильтрации
- •Напорно-безнапорная фильтрация между двумя
- •Движение в планово-неоднородном напорном пласте
- •Безнапорное движение между двумя бассейнами (реками) в однородном пласте с наклонным водоупором при отсутствии инфильтрации
- •Плоскорадиальная (одномерная) стационарная фильтрация
- •Задача о фильтрации к скважине в круговом пласте
- •Задача о скважине в пласте с перетеканием
- •Решение задач двухмерной установившейся
- •Метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений
- •Общие принципы моделирования задач плановой стационарной фильтрации
- •Сплошные модели из электропроводной бумаги
- •Дискретные модели - сетки электрических сопротивлений
- •Простейшие одномерные решения и пути
- •Фундаментальное решение (задача о подпоре вблизи водохранилища)
- •Задача о плоскорадиальной фильтрации к скважине
- •О возможностях распространения решений
- •Аналитическое исследование нестационарных фильтрационных процессов методами интегральных преобразований
- •Моделирование нестационарных плановых потоков
- •Конечно-разностная форма дифференциальных уравнений
- •Аналоговое моделирование нестационарной фильтрации
- •Исходные представления о схемах численного
- •I 4 I Записать и объяснить математические выражения для граничных условий на скважинах, работающих с постоянным расходом и с постоянным напором.
- •Особенности задач, связанных
- •Общая гидродинамическая характеристика
- •Изменения в подземной гидростатике и гидродинамике при опытной откачке
- •Особенности фильтрационных процессов при опытных откачках
- •Основные расчетные схемы
- •Специфика геофильтрационных процессов в различных типовых условиях проведения опытных опробований
- •О некоторых гидрогеоиеханических эффектах
- •Особенности фильтрационного процесса при откачках из планово-ограниченных и планово-неоднородных пластов
- •Анализ влияния технических факторов
- •Значение несовершенства центральной скважины по степени вскрытия пласта
- •Значение несовершенства наблюдательных скважин по степени вскрытия пласта
- •Значение непостоянства расхода откачки
- •Роль скин-эффекта центральной скважины
- •Роль скин-эффекта центральной скважины
- •Инерционность наблюдательных скважин
- •Принципы диагностики данных офр
- •Глава 6 I теория миграции подземных вод 1и основы теории влагопереноса
- •Конвективный перенос в подземных водах
- •Конвективный перенос, осложненный физико-химическими процессами
- •6.1.4. Задача об определении скорости фильтрации скважинной резистивиметрией (термометрией)
- •Молекулярная диффузия и гидродисперсия
- •0 6.2.2. Задана о диффузион
- •Конвективно-дисперсионный перенос в однородных водоносных пластах
- •Фундаментальное решение
- •Задача о запуске пакета индикатора
- •Особенности массопереноса в гетерогенных водоносных системах
- •Общие представления о макродисперсии
- •Макродисперсия в гетерогенных системах упорядоченного строения
- •Макродисперсия в гетерогенных системах неупорядоченного строения
- •Процессы теплопереноса в подземных водах — общие представления и простейшие задачи
- •Об аналогии между процессами тепло- и массопереноса
- •Определение миграционных параметров лабораторными методами
- •Опыты с относительно хорошо проницаемыми грунтами
- •Опыты с относительно слабопроницаемыми грунтами
- •Полевые опытно-миграционные работы
- •Общие вопросы индикаторного опробований водоносных пластов
- •Методика полевого индикаторного опробования
- •11 Мгновенный подъем концентрации индикатора и
- •3 Импульсный ввод — создание больших концентрации индикатора за весьма малый промежуток времени, в течение которого весь индикатор поступает в пласт.
- •Физические основы влагопереноса в горных породах при неполном водонасыщении
- •Общая энергетическая характеристика процесса влагопереноса
- •Закон движения влаги*
- •Постановка и решение простейших задач вертикального влагопереноса
- •Дифференциальное уравнение и граничные условия
- •(Третье равенство); тогда
- •Простейшая задача вертикального просачивания
- •Особенности движения влаги при опробовании пород зоны аэрации наливами в шурфы
- •Глава 7
- •Методика постановки и проведения опытно-фильтрационных работ
- •Виды офо и области их применения
- •Постановка опытных опробований
- •Конструкция и расположение опытных скважин при откачке
- •Режим опытной откачки
- •Продолжительность опытной откачки
- •Определение фильтрационных параметров по данным режимных геофильтрационных наблюдений1
- •Общие представления
- •Прямое определение параметров
- •Прямое определение параметров на основе
- •Об интерпретации данных режимных наблюдений на эвм методами целенаправленного поиска
- •На модели проводится прогнозный расчет первоочередного водоотбора;
- •Методика опытно-миграционных работ1
- •Планирование миграционных опытов
- •Конкретные примеры
- •Общие положения
- •Геофильтрационные наблюдения вблизи бассейнов промышленных стоков
- •Наблюдения за качественным составом подземных вод
- •Общие принципы гидрогеологической схематизации в связи с постановкой опытных работ и наблюдений
- •Принцип непрерывности ггс
- •Принцип адаптации
- •Принцип обратной связи
- •Анализ деформаций и устойчивости пород при горных разработках
- •Осадка толщ горных пород при глубоком водопонижении
- •Оползни бортов карьеров, вызыванные напорными водами
- •Фильтрационные деформации пород вблизи горных выработок
- •Изучение деформаций горных пород над выработанным пространством
- •Обоснование дренажа как метода борьбы
- •Влияние дренажа на напряженное состояние пород в откосах
- •Раздел 8.3.3), нетрудно свести такой расчет к простейшей одномерной задаче о бесконечной цепочке скважин. Для этого используется метод эквивалентных фильтрационных сопротивлений (см. Раздел
- •Дренаж как метод борьбы с фильтрационными деформациями откосов
- •8.2.3. Водопонижение при проходке шахтного ствола
- •8.3.1. Обцая характеристика прогнозной ситуации
- •Прогноз процессов загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах
- •Цели прогноза и элементы предварительной схематизации
- •Прогнозные оценки процессов загрязнения подземных вод аналитическими методами
- •Основные представления о математическом ¥ моделировании процессов загрязнения подземных вод
- •Краевые условия фильтрации
Инерционность наблюдательных скважин
Зададим себе элементарный вопрос: что нужно, чтобы открытая наблюдательная скважина зафиксировала понижение S в пласте? Ответ прост: необходимо, чтобы из
скважины вытек объем воды V — nr^S. Если поступление
этой воды в пласт затруднено сравнительно невысокой проницаемостью пород, то уровень воды в скважине будет снижаться с некоторым отставанием от пьезометрической поверхности пласта, т.е. наша измерительная система - скважина оказывается инерционной. Очевидно, значение инерционности максимально на ранних этапах понижения напора в данной точке пласта, когда скорости изменения уровня максимальны, причем время существенного ее проявления tn будет расти с увеличением поперечного сечения (ос скважины и с падением проницаемости водоносных пород. Так, для совершенных скважин погрешность, обусловленная инерционностью, оказывается меньше 10% при времени [23]
0)
f. ~ (15+20) (5 14)
ВОПРОС. Как влияет на инерционность длина фильтра несовершенного пьезометра?
Отсюда нетрудно видеть, что в типичных супесчаных и суглинистых грунтах, например, измерения понижений оказываются сильно искаженными инерционностью скважин в течение нескольких часов. Тот же порядок имеет время tn и для скважин в песчаных или трещиноватых породах, прифильтровая зона которых существенно затронута процессами кольматации (см. раздел 5.4.4).
Для учета влияния инерционности необходима предварительная тарировка наблюдательных скважин, для чего проще всего использовать кратковременные наливы воды в скважину [23 ]. В слабопроницаемых суглинистых и глинистых грунтах правильнее стремиться к
ный в координатах IgS, lg(t/r2), то эти графики должны иметь одинаковую форму. Параллельным перемещением по осям координат можно добиться совпадения графиков, причем они будут сдвинуты по вертикали на величину
lg -г^-Ьр , а по горизонтали — на величину lg(4a*), как
это1 иллюстрируется рис. 5.17. Снимая с совмещенного графика эти величины, определяем параметры Гид*.
Рис. 5.17. Совмещение опытных точек ( показаны кружками ) с эталонной кривой
Способ прямой линии, ввиду его особой важности, уже освещен в разделе 5.1 применительно к временному прослеживанию. Это, в частности, основной способ обработки данных одиночных откачек (как правило, обрабатывается кривая восстановления уровня — см. раздел
. Подчеркнем, что он годится только для времени- наступления квазистационарного режима, т.е. при выполнении условия (4.29). При этом, следовательно, упускается информация о начальном участке кривой прослеживания. Используя структуру формулы (4.30), нетрудно показать возможности способа прямой линии и для пространственного прослеживания — в координатах S — Igr, что для двух наблюдательных скважин, находящихся в зоне квазистационарного режима (см. условие (4.29)), равносильно применению формулы (4.31). Наконец, при комбинированном прослеживании график спрямляется в координатах S — lg(t/г2).
Точечные способы основаны на использовании отдельных замеров, либо никак не объединяемых друг с другом в интерпретационной схеме, либо увязанных, согласно той или иной аналитической зависимости, еще с одной замерной точкой (так, только что упомянутый расчет по формуле Дюпюи может рассматриваться и как двухточечный способ).
Способы, основанные на интегральных преобразованиях,чаще всего используют операционный метод (см. раздел 4.2). Для этого по замеренным значениям понижений в наблюдательной скважине вычисляются их изображения У для ряда значений параметра преобразования tp (см. формулы (4.53) и (4.53а)), после чего для интерпретации используется соответствующее решение в изображениях, рассматриваемое как график связи $=f( tp). Если при этом справедлива, например, логарифмическая связь 5 и t (см., в частности, формулу (4.57а), то используется соответствующая модификация способа прямой. При данном способе обработки легко учитывается непостоянство расхода откачки (см. формулы (4.56) и (4.57)).
Способ совмещения кривых прослеживания предполагает последовательный подбор параметров, исходя из требования совмещения фактического и расчетного графиков временного прослеживания. По этому способу, определив предварительно параметры, строят расчетную кривую прослеживания и сопоставляют ее с фактической, после чего, учитывая характер зависимости хода процесса от параметров, их изменяют, добиваясь наилучшего совмещения расчетной и фактической кривых; при этом могут эффективно использоваться специально ориентированные алгоритмы для «автоматического» подбора параметров на ЭВМ.
Сопоставительная оценка способов обработки. Все упомянутые здесь способы обработки являются равноценными, если принятая расчетная схема точно отражает природные и технические условия эксперимента, а замеры понижений и расходов при откачке сделаны без погрешностей. Поскольку на практике всегда бывает иначе, разные способы оказываются существенно различающимися с точки зрения их чувствительности к погрешностям расчетной схемы и замеров, а следовательно, и надежность получаемых по ним параметров может оказаться существенно различной.
С этих позиций ясно, что способы, объединяющие информацию, оказываются, при прочих равных условиях, эффективней, чем точечные способы, если, конечно, при такой свертке не допускается больших дополнительных погрешностей (усреднения, интерполяции, экстраполяции и т.д.). Последнее требование обычно справедливо для временного прослеживания и относительно реже выполняется при площадном прослеживании - ввиду ограниченного числа замерных точек (наблюдательных скважин).
При относительно хорошем соответствии расчетной схемы условиям эксперимента наиболее удобным из способов, свертывающих информацию, является способ прямой линии для временного прослеживания (в обычной или операционной модификации), который широко и успешно используется на практике. В частности, график S = / (In t) служит важнейшим основанием для проведения диагностики откачек (см. раздел 5.5.2). При большом числе наблюдательных скважин способ прямой линии может эффективно применяться при комбинированном (площадном и временном) прослеживании.
Широкое распространение в практических расчетах получили также различные модификации способа эталонной кривой, позволяющего провести обработку и диагностику данных по всей имеющейся информации временного или комбинированного прослеживания (включая начальный этап нестационарного режима). Однако совмещение опытной кривой с эталонной всегда привносит в расчет повышенную долю субъективизма.
Способ совмещения кривых прослеживания можно применять для обработки крупномасшатбных откачек в сложных геофильтрационных условиях.
Таким образом, выбор эффективного способа обработки ОФР — задача не из легких. Поэтому попытаемся дать хоть какие-то общие ориентиры для ее решения. Будем исходить здесь из того, что при отсутствии существенного влияния плановых границ пласта или плановой неоднородности (см. раздел 5.3) и несовершенства опытных скважин (см. раздел 5.4) важнейшим показателем качества интерпретации является совпадение значений проводимости, полученных временным и площадным прослеживанием. Отсюда можно рекомендовать такую последовательность расчетных операций при обработке данных кустовой откачки:
|~Г| используя одновременные замеры по двум ближним наблюдательным скважинам на заключительном этапе откачки1, определяют проводимость из формулы (4.31), предполагающей квазистационарный режим:
т - 0,37 Qc IsТг ■ ы S(r,) - s(ri) ri ' (5.16)
при откачках вблизи реки, имеющих конечный стационарный этап, вместо (5.16) используется формула (3.47);
[Т] по графикам временного прослеживания способом прямой линии определяют проводимость Твр. Если ~ Твр, то выполняются следующие этапы расчета (в противном случае приходится искать какие-то важные просчеты в принятой интерпретационной схеме или — для планово-однородных пластов — отнестись с большим до- верием к величине Т^);
оценивают коэффициент пьезопроводнсоти
(уровнепроводности) способом прямой (если результаты
расчетов проводимости этим способом признаны удовлетворительными) или точечным способом;
ПГ| проверяют выполнение условия квазистационарности (4.29) для расчетных диапазонов, принятых в операциях 1 и 2 (если оно не выполнено, то проводят дополнительные уточнения);
~5~| проводят более детальные расчеты, максимально использующие расчетные точки графиков и временного, и площадного прослеживания; при этом могут широко присменяться способы эталонной кривой или способы, основанные на интегральных преобразованиях;
[~6 | достоверность найденных расчетных параметров оценивают путем сопоставления получаемых по ним расчетных графиков с фактическими. Для этого, как уже отмечено, можно эффективно использовать ЭВМ.
В то же время следует очень осторожно относиться к широкой передаче ЭВМ всех функций по интерпретации опыта, особенно с учетом многочисленных сложностей диагностики.
Важнейшим моментом при оценке надежности полученных параметров является анализ чувствительности расчетной модели. Для этого поочередно меняют значения параметров в тех или иных диапазонах и сравнивают полученные таким образом новые расчетные кривые с ранее построенной расчетной (или опытной) кривой. Если большие изменения параметра вызывают лишь малые расхождения в кривых, то это свидетельствует о малой надежности расчетного значения параметра, о слабой чувствительности к нему выбранного расчетного алгоритма. Такой анализ позволяет часто выделить те (более чувствительные) участки опытных кривых, по которым предпочтительнее оценивать данный параметр. В противном случае желательно строить или изменять расчетный алгоритм таким образом, чтобы мало надежные параметры не использовались (как промежуточные данные) для расчета других параметров.
ВОПРОС. В каких точках области влияния откачки — ближних или дальних — одинаковые изменения проводимости окажут более заметный эффект на понижение в центральной скважине? Почему?
ЗАДАНИЕ. Попытайтесь объяснить, исходя из смысла и структуры формул (5.16) и (4.30), почему результаты площадного прослеживания наиболее чувствительны к изменениям проводимости в зоне, охваченной наблюдательными скважинами ; почему, наоборот, результаты временного прослеживания по способу прямой на эти изменения почти не реагируют? (для ответа на эти вопросы еще раз уясните физический смысл понятия квазистационарного режима (см. раздел 4.1.2), которому только и отвечают упомянутые зависимости, лежащие в основе площадного (4.31) и временного (4.30) прослеживания).
В целом анализ чувствительности подтверждает практические представления о том, что даже ОФР, проведенные на высоком качественном уровне, могут давать весьма ощутимые погрешности в определяемых параметрах. Причина этому — различные неучтенные отклонения от расчетной схемы (например, фоновые колебания напоров или площадная изменчивость фильтрационных свойств). Так, для водопроводимости, определенной качественными кустовыми откачками, характерны погрешности порядка 10%, возрастая до нескольких десятков процентов для качественных одиночных опробований. В этой связи нет смысла настаивать на излишне высокой точности алгоритмов интерпретации ОФР, считая во всех случаях вполне допустимыми для них погрешности порядка первых процентов для кустовых откачек и 5-10% — дли одиночных.