Методические рекомендации по выполнению гидродинамических расчетов

Под гидродинамическим расчетом водозабора понимают изучение потока подземных вод, формирующегося в зоне его влияния под воздействием возмущения, которое создается в пласте в течение длительного времени (обычно 25 лет) эксплуатации. При этом решаются как практические задачи, позволяющие оценивать возможность водоотбора в заявленном количестве в пределах данной области фильтрации, обосновать рекомендации по выбору рациональной схемы водозабора, конструкции скважин, их количества, интервалы перфорации, так и задачи исследовательской направленности. Исследование гидродинамического режима предполагает разработку расчетной схемы, установление факторов формирования и размеров зоны нарушенного режима подземных вод в плане и в гидрогеологическом разрезе с учетом возможности вовлечения в разработку смежных горизонтов, оценку обеспеченности эксплуатационного водоотбора естественными источниками и ресурсами подземных вод, оценку ущерба родниковому и речному стоку.

При гидродинамическом расчете водозабора гидрогеолог определяет величину допустимых понижений уровня подземных вод S_доп.Величина допустимого понижения принимается с учетом следующих зависимостей: в напорных водах S_доп =h_изб, в некоторых ситуациях дефицита водных ресурсов S_доп =h_изб+0,5m; в грунтовых водах S_доп = 0,5h_ср. При этом принимается во внимание положение интервалов максимального водопритока для обоснования конструктивных особенностей фильтра. Так, например, в напорных водах значительной мощности (боле 45-50 м), интервалы перфорации устанавливают в зонах максимального водопритока, выявленных по результатам резистивиметрии и других видов геофизических исследований

Сфера влияния водозабора определяется по формуле

. (1)

Основными факторами, которые определяют расчетные схемы и формулы для определения понижения, служат:

1. Режим фильтрации -определяется параметрами водоносного горизонта, наличием и характером границ и их удаленностью, гидравлическим характером и условиями залегания водоносного горизонта. В напорных водах, получающих питание из смежных горизонтов, особенно если это грунтовые воды, имеющие связь с поверхностным водотоком, проверяют возможность и время установления стационарного режима фильтрации за счет вертикального водообмена. В безнапорных водах стационарный режим может наступить в результате притока со стороны реки. В обоих случаях определяют радиус контура питания и время наступления стационарного режима:

• для пластов с напорными водами: , (2)

• для пластов в безнапорными водами с ГУI рода: ,(3)

• в обоих случаях (4)

• сопоставлением t_ст с временем эксплуатации водозабора t_э определяют, какой режим установится и по каким формулам считать понижение (при t_ст>t_эрежим фильтрации в районе водозабора будет нестационарным или квазистационарным).

2. В зависимости от режима фильтрации выбирают формулы для расчета:

• При нестационарномрежиме фильтрации для расчета понижения отодиночного водозабора в любой точке напорногопласта используется формула Тейса:

, (5)

где – аргумент, значение его определяется расстоянием r до точки, в которой определяется понижение уровня и временем прогноза t, а – величина пьезопроводности пласта;

E_i(α) – интегрально-экспоненциальная функция, табулированная в широком диапазоне.

ɛ - показатель несовершенства скважины по степени вскрытия;

r – расстояние до точки, в которой определяют понижение уровня, при расчете понижения в самом водозаборе r = r₀.

• При квазистационарнойфильтрации(α≤0,1) для одиночного водозабора в напорных водах используется преобразованная формула Тейса . (6)

• При стационарномрежиме фильтрации для одиночного водозабора используется формула Дюпюи, также для напорных вод:

, (7)

При расчете понижения в грунтовых водах при условии, что оно не превышает 25% мощности потока в естественных условиях (s≤0,25h), допускается пользоваться решениями, полученными для напорных вод (формулы 5, 6, 7). В противном случае делают пересчет понижения в грунтовых водах по формуле:

, (8)

где S_H – решение, полученное по формулам для напорных вод; S_г – искомое решения для грунтовых вод; h_e = m– средняя мощность грунтового потока в естественных условиях.

3. Количество скважин в водозаборе, схема расположения и режим их работы. Режим работы – непрерывный, прерывистый или со скачкообразно изменяющимся дебитом задается недропользователем на предпроектной стадии, но в гидродинамических расчетах чаще всего принимается непрерывным, т.е. Q=const. Количество скважин обусловлено пропускной способностью скважины Q_пр, которая, в свою очередь, связана с предельной скоростью входа в фильтр v_пр.Оба параметра определяются по формулам Абрамова:

• ; , (9)

где r₀радиус фильтра, l– длина фильтра, k– коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта. Длина фильтра в напорных водах, как отмечалось выше, устанавливается по результатам ГИС и определяется в соответствии с исходными данными, приведенными в таблице 1. В грунтовых водах она принимается равной 0,3 – 0,5h_ср, т.е. 30-50% от средней мощности пласта.

Количество скважин определяется как n=Q_сум/0,_пр, но корректируется по результатам расчета понижения, как правило, в большую сторону. Расстояние между скважинами в напорном пласте принимают равным 0,5 – 1,0 mпласта. В безнапорных водах оно может быть (2-3)h_ср.

Если водозабор состоит из нескольких скважин, он называется групповым водозабором, расчет делают на самую нагруженную из них, в которой понижение будет максимальным, а скважину называют расчетной. Все остальные скважины оказывают на нее воздействие дополнительной срезкой уровня. В расчетной скважине в формулах 5 – 7 в знаменателе принимают значение ее радиуса r₀, срезку от остальных скважин учитывают методом суперпозиции, суммируя понижение в расчетной скважине с понижением от других скважин. При расчете срезок от других скважин в соответствующих формулах в знаменателе проставляют расстояние от самой нагруженной до каждой из взаимодействующих скважин группового водозабора. Схема расположения скважин определяется технико-экономическими и гидрогеологическими показателями. С гидродинамических позиций группу скважин располагают в крест потока, так, например, водозабор в долине реки размещают параллельно руслу реки.

При большом количестве скважин (n ≥3-4) используют метод обобщенных систем (МОС).

Для одиночного водозабора и расчетной скважины в групповом водозаборе учитывается несовершенство по степени вскрытия пласта. Для этого надо знать:

• к какой части пласта примыкает фильтр скважины (к кровле или подошве);

• полную мощность водоносного горизонта (m);

• радиус расчетной скважины (r₀);

• длину фильтровой части скважины (l₀).

Определение выполняют при помощи номограммы, показанной на рис.1.

Рис.1. Номограммы для определения дополнительного сопротивления для несовершенных скважин

а) фильтр пнримыкает у водоупору; б) фильтр расположен в средней части пласта

В понижении, формируемом от целевого водозабора, учитывают также влияние S_vдругих удаленных водозаборов, которое определяют по формуле:

,(10)

где Q_v– дебит удаленного водозабора, r – расстояние между центрами проектируемого и удаленного водозаборов.

Методика обработки результатов кустовых откачек

Ход обработки результатов кустовой откачки рассмотрен на конкретном примере ОФР, выполненных в напорном водоносном горизонте. Откачка обработана методами временного и площадного прослеживания после проведенной диагностики.

Из напорного неограниченного в плане водоносного горизонта в известняках мощностью 65 м проведена кустовая откачка продолжительностью двое суток. Кровля горизонта находится на глубине 140 м от дневной поверхности, глубина до уровня подземных вод – 40 м. Куст однолучевой, расстояния до наблюдательных скважин составляют: 25 м, 50 м, 100 м и 500 м, радиус водоприемной части центральной скважины r₀=0,1 м. Дебит откачки Q=745 м³/сут. Опытные данные представлены в таблице 2. Согласно фондовым материалом по району работ коэффициент пьезопроводности исследуемого пласта составляет около 10⁵ м²/сут.

Таблица 2