книги из ГПНТБ / Боревский Б.В. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек

на прямую линию. Этот участок отвечает периоду времени, когда логарифмическая зависимость между понижением уровня и временем не действует. Второй (II), прямолинейный, участок графика отра­ жает закономерности изменения понижения при квазистационарном режиме. Продолжительность первого периода в напорных водонос­ ных горизонтах обычно невелика (при расположении наблюдатель­ ных скважин на расстоянии до 100 м от центральной она не превы­ шает 0,5—1,0 суток и достигает нескольких суток при расстоянии, превышающем 300—500 м).

Режим подземных вод при опытных откачках из безнапорных водоносных горизонтов в рыхлых отложениях

При откачках из безнапорных водоносных горизонтов понижения уровней формируются под влиянием осушения пласта и для них в целом характерны те же закономерности, что и для напорных изолированных горизонтов. Однако в первые периоды откачки режим движения подземных вод осложняется некоторыми специфи­ ческими факторами, из которых основными являются изменение действующей водоотдачи во времени и проявление вертикальных составляющих скорости фильтрации у скважины. В связи с этим зависимость между приведенным понижением уровня S * и логариф­ мом времени имеет более сложный вид, чем для напорных вод.

гой водоотдачей. Строго говоря, этот участок должен состоять из двух периодов — периода, который соответствует экспоненциальной зависимости, и периода, когда понижение связано со временем лога­ рифмической зависимостью. Однако на практике продолжительность этого участка измеряется минутами, поэтому первый участок может или совсем не выделяться, или может выделяться только его лога­ рифмическая часть.

Во второй период откачки происходит резкое выполаживание графика, вызванное замедлением темпа снижения уровня в про­ цессе формирования гравитационной водоотдачи. Этот эффект, кото­

практическая стабилизация уровня к его концу. В связи с этим вто­ рой период получил название периода ложностационарного режима. Продолжительность этого периода зависит от коэффициента филь­

показывает опыт откачек из безнапорных горизонтов, составляет в большинстве случаев несколько суток. Наличие периода ложностационарного режима предъявляет особые требования к методике опытных откачек. Если откачка будет закончена до начала третьего периода, то могут быть сделаны качественно неверные выводы о прак­ тической стабилизации движения, вызванной, например, влиянием взаимосвязи подземных и поверхностных вод.

Последний третий участок графика S = / (lg t) соответствует логарифмической аппроксимации уравнения Тейса при гравитацион­ ной водоотдаче. Таким образом, в безнапорных водоносных гори­ зонтах в рыхлых отложениях, в отличие от напорных пластов, ква­ зистационарный режим при гравитационной водоотдаче формируется с определенным запаздыванием.

Следует отметить, что физическая сторона процессов, осложня­ ющих закономерности изменения уровня подземных вод во времени, изучена совершенно недостаточно. Анализ фактических данных пока­ зывает, что первые два участка графика формируются далеко не во всех случаях. В то же время неизученность процессов изменения водоотдачи, отсутствие строгих теоретических решений не позволяют заранее предсказать условия, в которых могут возникать эти ослож­ нения.

Режим подземных вод при опытных откачках из водоносных горизонтов в трещиноватых породах

Процессы движения подземных вод в трещиноватых породах как в напорных, так и безнапорных условиях характеризуются рядом специфических особенностей по сравнению с фильтрацией в зерни­ стых породах. Наибольшее влияние на закономерности изменения понижения уровня в трещиноватых породах оказывает так назы­ ваемый эффект «двойной пористости», связанный с различным влия­ нием двух типов пустот (пор и трещин, крупных и мелких трещин). Наличие эффекта «двойной пористости» объясняется изменением дей­ ствующей водоотдачи во времени и приводит к деформациям гра­ фика S = / (lg t), на котором в общем случае выделяется два участка (не считая участка, связанного с влиянием внешних границ пласта). Первый участок (см. рис. 1 , в) пологий или практически горизон­ тальный (иногда с крутой левой ветвью 1а) возникает в результате проявления эффекта «двойной пористости» трещиноватых пород и связанного с ней характерного времени запаздывания. Второй уча­ сток более крутой, обычно практически прямолинейный, соответст­ вует периоду, когда движение подземных вод в трещиноватых поро­

Режим подземных вод при опытных откачках при двухслойном строении водоносной толщи

Двухслойная толща, состоящая из двух пластов, характеризую­ щихся различными фильтрационными и емкостными свойствами, довольно характерна для артезианских бассейнов платформенного типа и месторождений, приуроченных к речным долинам. Можно выделить два типа строения двухслойных толщ. Первый тип харак­ теризуется обычно неглубоким залеганием основного водоносного горизонта, который перекрывается другим водоносным горизонтом, содержащим безнапорные воды. Перекрывающий горизонт предста­ влен, как правило, разнородными по составу отложениями (супеси, суглинки, пески) и отличается меньшей водопроницаемостью, но значительно большей водоотдачей по сравнению с основным напор­ ным пластом. Двухслойная толща второго типа характеризуется наличием основного напорного водоносного горизонта, перекрытого мощной толщей глинистых отложений.

На рис. 1 , г показаны закономерности изменения понижения уровня во времени при откачках из двухслойной толщи первого

лизе откачек из безнапорных горизонтов в рыхлых отложениях при наличии эффекта Болтона. В течение первого периода движение про­ исходит практически так же, как в изолированном напорном гори­ зонте, второй период характеризуется так называемым ложностационарным режимом, при котором происходят очень незначительные изменения, и, наконец, в течение третьего периода фильтрация происходит так же, как в изолированном пласте с коэффициентом водопроводимости нижнего слоя и коэффициентом водоотдачи верх­ него. Продолжительность отдельных периодов зависит главным образом от коэффициента фильтрации, мощности и водоотдачи верх­ него слоя, а также от расстояния между наблюдательной скважиной и центральной.

Во многих случаях, особенно для дальних наблюдательных сква­ жин, первый период вообще не фиксируется, и на графике выде­ ляется только второй или второй и третий периоды. Расчеты по второму периоду без учета влияния верхнего слоя, так же как и при наличии эффекта Болтона или двойной пористости в трещино­ ватых породах, могут привести к резкому завышению водопроводи­ мости и даже к качественно неверным выводам (например, о практи­ ческой стабилизации движения).

Как показывает анализ фактического материала и теоретических закономерностей движения подземных вод в двухслойной толще, в реальных природных условиях, когда коэффициенты фильтрации верхнего горизонта превышают 0,1 м/сутки, третий период откачки начинается через 10—15 суток после пуска скважины. В то же время при малых значениях коэффициента фильтрации верхнего слоя это время может измеряться сотнями суток.

При откачках из двухслойной толщи второго типа теоретически вид графиков S = f (lg t) должен быть аналогичен соответствующим графикам для двухслойной толщи первого типа. Однако в связи с малыми значениями упругой водоотдачи и коэффициентов филь­ трации перекрывающих глинистых пород период ложностационарного режима при практикуемой продолжительности откачек обычно не наступает. Поэтому закономерности изменения уровня в рас­ сматриваемых условиях практически такие же , как в напорных изолированных пластах, и, как правило, обнаружить перетекание при опытных откачках не удается.

Режим подземных вод при опытных откачках при многослойном строении водоносной толщи

Случай многослойного строения водоносной толщи (чередование водоносных и слабопроницаемых слоев) является наиболее типич­ ным для артезианских бассейнов платформенного типа, а также для месторождений, приуроченных к конусам выноса. В этих усло­ виях при раздельной эксплуатации отдельных водоносных горизон­ тов в формировании эксплуатационных запасов подземных вод большую роль могут играть процессы перетекания через разделяю­ щие слабопроницаемые отложения. Масштаб влияния этих процес­ сов на режим подземных вод при опытных откачках можно просле­

понижения уровня в эксплуатируемом водоносном горизонте в усло­ виях постоянства напора в питающем пласте, а на рис. 1, е — в усло­ виях изменяющегося напора.

иего последующая стабилизация. Продолжительность первого

периода откачки, при котором снижение уровня происходит как в неограниченном изолированном пласте, зависит от фильтрацион­ ных и емкостных свойств опробуемого водоносного горизонта, коэф­ фициента фильтрации и мощности разделяющего слабопроницае­ мого слоя, а также от расстояния между центральной и наблюдатель­ ной скважинами.

Численный анализ зависимостей, определяющих закономерности движения подземных вод к скважинам в слоистых системах с посто­ янным уровнем в питающем слое, показал, что в реальных природ­ ных условиях продолжительность этого периода измеряется десят­ ками и сотнями суток и значительно превышает обычную продол­ жительность опытных откачек. Исключение составляют главным образом многослойные системы, в которых разделяющие слабопро­ ницаемые отложения представлены суглинками или песчаными гли­ нами с коэффициентом фильтрации 10"2 —10~3 м/сутки и мощностью не более 20—30 м. В этих условиях уже через несколько суток после начала откачки происходит выполаживание графика S — l g t и

и нижнем горизонтах для случаев, когда в питающем водоносном пласте происходит изменение напора. В целом в первый период откачки закономерности изменения понижения уровня в опробуе­ мом горизонте такие же, как для условий постоянства уровня. Однако, в отличие от предыдущего случая, в рассматриваемых усло­ виях стабилизации движения при откачке не происходит, хотя наблюдается уменьшение темпа падения уровня по сравнению с изо­ лированным пластом. Величина снижения уровня в водоносном горизонте, из которого происходит перетекание, в период времени, соответствующий опытным работам, как правило, незначительна. При этом увеличение понижения в этом горизонте происходит при

уменьшении сопротивления разделяющего слоя ( величины

и уменьшении водоотдачи горизонта, из которого происходит пере­ текание.

Таким образом, постановка опытных работ для изучения взаимо­ связи водоносных горизонтов в многослойных толщах целесооб­ разна только в редких случаях, когда имеются геологические пред­ посылки к перетеканию, например гидравлические окна. При про­ ведении таких опытных работ необходимо организовать наблюдения за уровнем и в горизонте, из которого может происходить перетека­ ние. В то же время, так как процессы перетекания сказываются только через значительное время после начала откачки, для опреде­ ления основных гидрогеологических параметров могут быть исполь­ зованы зависимости, не учитывающие перетекания из смежных водоносных горизонтов.

Режим подземных вод при откачках из водоносных горизонтов, связанных с поверхностными водотоками и водоемами

Основными факторами, определяющими режим подземных вод

части естественных запасов подземных вод (осушение пласта) и привлечение поверхностного стока. В первый период откачки опре­ деляющим является первый процесс (осушение пласта) со всеми закономерностями, описанными в предыдущих разделах. В это время

Режим подземных вод при откачках из водоносных горизонтов, ограниченных непроницаемыми контурами

При откачке из скважины, расположенной вблизи от непроница­ емой границы (границ) пласта, через определенное время после ее начала на закономерности изменения уровня начинает оказывать влияние граница пласта. При этом в зависимости от количества действующих границ, их взаимного расположения, размещения цент­ ральной и наблюдательных скважин, влияние границ проявляется по-разному, но во всех случаях приводит к увеличению темпа паде­ ния уровня по сравнению с предшествующим периодом и к деформа­ циям конечных участков графиков S — lg t. Время, при котором влияние непроницаемой границы (границ) практически не сказы­ вается, зависит от расстояния скважин до границы и коэффициента пьезопроводности (уровнепроводности).

Вид деформируемых участков зависит от количества границ пласта и их взаимного расположения. Так, в тех случаях, когда понижение формируется в результате влияния только одной непро­ ницаемой границы пласта, на графике S — l g it будет отмечаться конечный прямолинейный участок, уклон которого вдвое больше, чем уклон предыдущего участка. Если в области влияния откачки ока­ жутся две непроницаемые взаимно перпендикулярные границы («пласт — квадрант»), то также сохранится прямолинейность послед­ него участка, но темп падения уровня будет уже в четыре раза боль­ шим, чем в неограниченном пласте.

В том случае когда на понижение уровня начинают оказывать влияние две параллельные непроницаемые границы («пласт — по­

характер будет иметь конечный участок графика S — lg t и при наличии кругового непроницаемого контура, в условиях которого понижение со временем связано прямолинейной зависимостью.

Так как влияние границ значительно осложняет определение гидрогеологических параметров, при проектировании откачек сле­ дует стремиться так назначать местоположение опытного куста и продолжительность откачки, чтобы можно было получить представи­ тельный участок графика S — lg t без влияния границы. Однако следует помнить, что во многих случаях, когда исключить влияние границ 'практически невозможно, при обработке данных откачек необходимо пользоваться зависимостями, полученными с учетом влияния границ.

В то же время для оценки роли границы (установления ее непро­ ницаемости или слабой проницаемости) продолжительность откачки должна быть достаточной для получения участка, на котором ска­ зывается влияние границы.

Режим подземных вод при откачках из водоносных горизонтов, состоящих из отдельных зон с различными водопроводимостью и (или) водоотдачей

В случае если опытная откачка проводится из скважины, распо­ ложенной вблизи границы с зоной, характеризующейся другими по сравнению с опробуемой водопроводимостью или водоотдачей, то, пак и в рассмотренных ранее ограниченных пластах, происходит изменение темпа падения уровня в связи с влиянием этой границы.

чающихся по водопроводимости, но с примерно равной водоотдачей.

водопроводимостью, но существенно отличающихся по водоотдаче. Такие случаи встречаются при откачках вблизи области выхода пласта на поверхность, когда водоносный горизонт в области выхода приобретает безнапорный режим. В этих условиях в напорной части пласта действует упругая водоотдача, а в безнапорной — гравита­ ционная, которая на несколько порядков может отличаться от упругой.

Закономерности изменения уровня в первом из рассматриваемых случаев, когда откачка происходит из зоны с более высокой водо­ проводимостью, практически аналогичны закономерностям при от­

прямолинейный участок, уклон которого превышает уклон предыду­ щего участка и зависит от соотношения водопроводимостей обеих зон. Время, при котором влияние границы практически не сказы­ вается, как и прежде, зависит от расстояния до границы и коэффици­

ной скважины по отношению к центральной и к границе пласта на графике S — lg t могут выделяться одинили два прямолинейных участка.

Если наблюдательные скважины расположены на небольших расстояниях от центральной, то при небольшой продолжительности откачки может быть только один участок, отвечающий параметрам опробуемой зоны без влияния границы. При большей продолжи­ тельности откачек и для более удаленных наблюдательных скважин на графике выделяются оба прямолинейных участка. Если же наблю­ дательная скважина расположена ближе к границе раздела, чем к центральной скважине, на графике может выделяться только один прямолинейный участок, уклон которого зависит от параметров обеих зон.

Закономерности изменения уровня во времени при наличии гра­

зоне вблизи границы с безнапорной, приведен на рис. 1, з. На гра­ фике выделяются три участка, аналогичные соответствующим участ­ кам графиков для двухслойной толщи или безнапорных горизонтов при эффекте Болтона. В течение первого периода движение проис­ ходит так же, как в неограниченном напорном пласте. Продолжи­ тельность этого периода зависит от расстояния скважины до гра­ ницы и коэффициента пьезопроводности опробуемой зоны. При рас­ положении скважины в 1—2 км от границы это время обычно не превышает нескольких суток. Второй период характеризуется так называемым ложностационарным режимом, при котором темп сни­ жения уровня значительно замедляется. Продолжительность этого периода составляет сотни и тысячи суток. И, наконец, третий период характеризуется увеличением темпа снижения уровня. На этом отрезке времени темп изменения уровня становится таким же, как и на первом участке. При близком расположении опытной скважины от границы безнапорной зоны продолжительность первого периода может быть очень маленькой и на полулогарифмическом графике отмечается только участок, соответствующий второму периоду.

Режим подземных вод при опытных откачках из водоносных горизонтов с локальными очагами питания и разгрузки

При откачках из водоносных горизонтов с локальными очагами питания и разгрузки закономерности изменения уровня во времени осложняются процессами привлечения дополнительного питания.

Взависимости от соотношения величины естественной разгрузки

идебита скважины, а также расстояния скважины от контура раз­ грузки дополнительное питание за время откачки может или пол­ ностью компенсировать водоотбор, или только его определенную часть.

Впервом случае будет отмечаться нарушение прямолинейности графика S — lg і, постепенное выполаживание графика и в некото­ рых условиях стабилизация движения подземных вод. Во втором случае — прямолинейная форма конечного участка графика сохра­ няется, но темп падения уровня уменьшается по сравнению с перво­

начальным периодом, когда дополнительное питание практически

должны обязательно учитываться при проектировании опытных откачек и их проведении, а также при интерпретации данных опыт­ ных работ. Анализ режима подземных вод при опытных откачках показывает, что одни и те же закономерности изменения уровня во времени могут быть вызваны самыми разнообразными причинами. Так, наличие периода ложностационарного режима может быть вы­ звано и эффектом Болтона в безнапорных горизонтах, и осушением пласта в безнапорной зоне в области его выхода на поверхность, и перетеканием в двухслойной толще, и эффектом «двойной пористости»

и т. д. К одним и тем же последствиям может привести и наличие зоны с большей водопроводимостью в плане, и перетекание из смеж­ ных водоносных горизонтов, и привлечение поверхностных вод.

Анализ графиков изменения уровня подземных вод при откачках во времени показывает также, что в различных гидрогеологических условиях влияние отдельных природных факторов, формирующих понижение уровня при постоянном дебите, проявляется по-разному. Некоторые факторы проявляются практически сразу после начала откачки, другие факторы начинают влиять через очень продолжи­ тельное время и практически не могут быть изучены в процессе опытных работ. Меняются закономерности изменения уровня под­ земных вод и в зависимости от положения наблюдательных скважин по отношению к опытным скважинам и плановым границам горизон­ тов. Все эти обстоятельства необходимо учитывать как при проекти­ ровании опытных работ, так и при обработке их данных.