книги из ГПНТБ / Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов

in

Для определения величины понижения уровня в зоне влияния

2

скважины при / Ю— можно использовать приближенную фор- X

мулу:

In

где г — расстояние до точки, в которой определяется понижение уровня.

Г Л А В А X

ПРИМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД К ГИДРОЕЕОЛОГИЧЕСКИМ РАСЧЕТАМ

ВОДОЗАБОРНЫХ И ДРЕНАЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ

ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ

ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Водозаборные и дренажные сооружения, создаваемые для целей эксплуатации подземных вод, состоят, как правило, из, скважин, реже горизонтальных галерей. Гидрогеологическое обо­ снование таких сооружений выполняется на основе проведения рас­ четов по оценке условий их работы. В результате расчетов устанав­ ливаются дебиты водозаборных и дренажных сооружений, условия их взаимодействия и влияние на снижение естественных уровней подземных вод, дается прогноз условий работы проектируемых сооружений во времени. Технико-экономическая оценка обоснован­ ных гидрогеологическими расчетами вариантов водозаборных и дренажных сооружений позволяет выбрать наиболее рациональный из них, обеспечивающий решение задач водоснабжения, осушения территорий, водопонижения при строительстве и разработке полез­ ных ископаемых с минимальными затратами труда и средств.

Гидрогеологические расчеты выполняются на основе расчетной схемы, учитывающей конкретные гидрогеологические условия и осо­ бенности работы проектируемых водозаборных сооружений. Прин­ ципы схематизации и учета природных условий при обосновании расчетных схем изложены в гл. III. Для расчета одиночных водо­ заборных и дренажных сооружений, действующих в различных при­ родных условиях, можно использовать полученные в предыдущей, IX главе основные уравнения движения подземных вод к грунтовым и артезианским скважинам. Там же изложены и основные принци­ пы расчета взаимодействующих скважин в условиях установившей­ ся фильтрации.

Ниже разобраны методы расчета взаимодействующих водоза­ борных и дренажных сооружений, действующих, главным образом, в условиях неустановившейся фильтрации применительно к оценке эксплуатационных запасов подземных вод и проектированию дре­ нажных сооружений.

Важно подчеркнуть, что подземные воды в Советском Союзе состоят в исключительной собственности государства и являются

носного пласта в естественных условиях (сюда же входят и упругие запасы воды); t — время эксплуатации водозаборных сооружений; Qu — искусственные ресурсы, характеризуемые расходом воды, по­ ступающей в эксплуатационный пласт вследствие инженерной дея­ тельности человека (питание из специальных инфильтрационных бассейнов, каналов, водохранилищ, площадей орошения и т. д.); Qn — ресурсы, привлекаемые в процессе эксплуатации водозабора и развития создаваемой им депрессионной воронки (питание за счет притока поверхностных вод, усиления интенсивности инфильт­ рации атмосферных осадков, перетекания из соседних водоносных горизонтов); Ѵи — искусственные запасы подземных вод.

Как показывает анализ уравнения (Х,1), естественные ресурсы в зоне влияния водозабора характеризуют минимальные размеры эксплуатационных запасов. Использование естественных запасов (сработка упругих запасов или осушение пласта), а также привле­ чение искусственных ресурсов и перевод поверхностного стока в подземный позволяют значительно увеличить производительность водозаборных сооружений. Если при этом отбор воды сооружением будет полностью компенсироваться поступлением воды из области питания (Qe) или других источников восполнения (искусственные и привлекаемые ресурсы Q„ и Qn), то водозабор будет работать при режиме установившейся фильтрации, а выявленные в таких услови­ ях эксплуатационные запасы являются обеспеченными на неогра­ ниченный срок. В качестве примера действия таких инфильтрацион­ ных водозаборов служат водозаборы, расположенные вблизи рек и других контуров постоянного питания. Возможность искусственного перевода поверхностного стока в подземных и пополнения запасов подземных вод путем создания инфильтрационных бассейнов, во многом увеличивает перспективы организации водоснабжения за счет использования подземных вод.

При отсутствии дополнительных источников восполнения запа­ сов подземных вод (Qn= 0 и Qn= 0) расход водозаборов формиру­ ется за счет естественного расхода потока Qe и сработки естествен­ ных запасов подземных вод. В таких условиях (при Q 3> Q e) вели­ чина эксплуатационных запасов предопределяется возможной интенсивностью сработки естественных запасов и ресурсов подзем­ ных вод (Qe и Ее), а работа водозаборов происходит в условиях не­ стационарной фильтрации. При таком режиме эксплуатации запасы подземных вод оказываются обеспеченными на ограниченный по времени срок.

Производительность водозаборов в зависимости от степени изу­ ченности гидрогеологических условий и методов ее определения

может быть установлена с разной степенью достоверности. В зави­ симости от этого эксплуатационные запасы подразделяются услов­ но на четыре категории: А, В, Q и С2 [53].

Категории А и В устанавливаются на основе проведения де­ тальных гидрогеологических и разведочных работ и являются промышленными (проектирование крупных водозаборов разреша­ ется только при условии выполнения оценки запасов подземных вод по категориям А и В). Категории Сі и С2 являются перспектив­ ными, ориентировочными и оцениваются по результатам поисковых и предварительных исследований. Требования к изученности при­ родных условий и достоверности обоснования запасов подземных вод по различным категориям узаконены и охарактеризованы в ин­ струкции г к з [53].

Задачи гидрогеологических расчетов при оценке эксплуатацион­ ных запасов подземных вод, как уже отмечалось, связаны с опре­ делением возможной производительности водозаборных сооруже­ ний в определенных условиях работы (срок эксплуатации, обеспе­ чение надлежащего качества воды, экономическая эффективность). Обычно на практике расход водозаборных сооружений принимается известным и равным проектируемому водопотреблению. В отдель­ ных случаях требуется определение максимально возможной про­ изводительности водозаборных сооружений. Расчетная величина понижения уровня воды в скважинах проектируемого водозабора Sc, достигаемая к концу периода его эксплуатации, не должна пре­ вышать максимально допустимого в конкретных природных усло­ виях понижения SÄOn. При Sc^ S ÄOn, производительность водозабо­ ра, а соответственно и эксплуатационные запасы, считаются обеспе­ ченными на принятый в расчетах срок.

Величина допустимого понижения 5Д0П устанавливается в кон­ кретной природной обстановке исходя из возможностей водоподъем­ ного оборудования и характера залегания водоносных горизонтов. Обычно величина допустимого понижения уровня принимается равной:

под уровень воды в скважине; Аhc— потери напора при входе воды в скважину, предопределяемые сопротивлением фильтра и приза­ бойной зоны. При малых значениях Яе (мощность грунтового пото­ ка и напор над водоупором для напорных вод) величины Д/іІіас и Аhc обычно не учитывают.

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод осуществля­ ется гидродинамическими, гидравлическими и балансовыми мето­ дами, а также методами моделирования. В зависимости от сложно­ сти гидрогеологических условий и степени их изученности практи­ куется комплексное применение различных методов, что, как

правило, обеспечивает более успешную и надежную оценку эксплу­ атационных запасов.

Гидродинамические методы заключаются в расчетах водозабо­ ров по соответствующим формулам, полученным на основе уравне­ ний математической физики и теоретической гидродинамики. Мате­ матическая строгость и точность формул, учет условий питания и возобновления запасов подземных вод, возможность прогноза усло­ вий работы во времени и незначительная трудоемкость расчетов привели к тому, что он стал одним из наиболее эффективных и ши­ роко распространенных на практике методов оценки эксплуатаци­ онных запасов. Вместе с тем следует отметить, что этот метод тре­ бует определенной схематизации и упрощения природных условий для приведения их к схеме, для которой существует решение. При этом точность расчетов зависит как от степени соответствия расчет­ ной схемы природным условиям, так и от точности используемых в расчетах гидрогеологических параметров. Для определения послед­ них требуется проведение специальных гидрогеологических иссле­ дований (опытно-фильтрационных работ или режимных наблюде­ ний). Полученные значения параметров для целей расчетов осредняются с распространением их значений на большие по размерам площади области фильтрации. Расчеты по оценке запасов заключа­ ются в прогнозе понижений уровня подземных вод применительно к работе водозаборов с проектным дебитом либо в определении де­ битов при заданных понижениях уровня.

Гидродинамические методы оценки эксплуатационных запасов следует сочетать с применением моделирования, которое отдельны­ ми исследователями рассматривается как наиболее совершенная разновидность гидродинамических методов [89].

Рекомендуемые для расчетов формулы и методы расчетов ос­ вещены в предыдущей, IX главе, и в последующих параграфах на­ стоящей главы.

Гидравлические методы оценки эксплуатационных запасов под­ земных вод основываются на использовании данных опыта и их по­ следующей экстраполяции. Получая в результате осуществления опытных полевых работ фактические графики зависимости дебита от понижения уровня, на их основе можно давать прогноз условий работы водозаборных скважин, применительно к проектной их про­ изводительности. Для взаимодействующих скважин фиксируются срезки уровня, наблюдаемые в процессе опытных работ и являющи­ еся надежной основой для прогноза условий работы взаимодейст­ вующих скважин при последующей эксплуатации.

Достоинством гидравлических методов является комплексный учет всего многообразия факторов, предопределяющих работу сква­ жин, поэтому их целесообразно использовать в сложных гидрогео­ логических условиях (трещинно-карстового и трещинно-жильного типов воды, сложная тектоника), где затруднительно использование других методов, а также в районах действующих водозаборов на основе данных их эксплуатации. Гидравлические методы требуют проведения длительных опытных полевых работ для получения ос­

ным дебитом. Общая схема последовательности расчета при реше­ нии этой задачи следующая.

1.Исходя из опытных данных, возможностей насосного обору­ дования и опыта эксплуатации, задаются производительностью оди­ ночной скважины.

2.Располагая данными о размерах водопотребления (проект­

ном дебите), определяют общее количество водозаборных скважин и на основе учета природных и технических факторов намечают схе­ му их расположения (здесь может быть несколько вариантов).

3. На основе приведения природных условий к типовой расчет­ ной схеме выбирают соответствующие расчетные формулы и вы­ полняют расчеты по определению понижения уровня на конец пе­ риода эксплуатации для скважин, находящихся в наименее благо­ приятных условиях их работы.

4. На основе сопоставления расчетных понижений уровней с до­ пустимым понижением даются выводы об обеспеченности эксплуа­ тационных запасов. При необходимости выполняются гидрогеоло­ гические расчеты по прогнозу качественного состава подземных вод.

Нередко водозаборы проектируются в виде определенным обра­ зом расположенных взаимодействующих скважин. При ограничен­ ном их количестве возможно выполнение расчетов с точным учетом взаимодействия всех скважин. Как в условиях установившегося, так и в условиях неустановившегося движения общая величина по­ нижения уровня в той или иной точке области фильтрации опреде­ ляется на основе учета понижений уровня от действия каждой от­ дельной скважины в соответствии с принципом суперпозиции. Об­ щее выражение для определения величины расчетного понижения Зрасч для охарактеризованных условий имеет вид:

П

где 2 — знак суммы, показывающий, что суммируются понижения

І = 1

уровня от действия всех п скважин; Д— безразмерное гидравличес­ кое сопротивление, обусловленное действием рассматриваемой сква­ жины с номером і( і= 1, 2, 3, ..., п). Значение Д принимается в зави­ симости от условий работы скважин и принятой расчетной схемы.

Обычно величина понижения Spa04 определяется непосредствен­ но в одной из скважин пласта, тогда выражение (Х,4) удобнее представить в виде:

которой определяется величина понижения; £— дополнительное

при следующих исходных данных: мощность горизонта Яе= 30 ж; коэффициент фильтрации £=Л5 м/сут\ дебиты скважин при эксплуа­ тации Qi = 1 0 0 0 , Q 2 = Q 3 = IQ 4 = 8 0 0 и Qs = 5 0 0 м3/сут; расстояния от скв. 5 до взаимодействующих с нею скважин г5_і = 100, г5_2=100;

=1 5 м, фильтр примыкает к водоупору).

Ре ше н и е . Предварительно определяем коэффициент уровне­

проводности, принимая /іср= Яе:

kh cp 1 5 X 3 0 = 3000 м2/сут.

ц0,15

Далее опрёделяем величину понижения уровня для скв. 5, как находящейся в наименее благоприятных условиях работы (цент­ ральная) по формуле (Х,7), которую для рассматриваемых условий

Подставляя в это уравнение исходные данные, получаем: