Глава 6. Расчеты водозаборов в условиях месторождений подземных вод в речных долинах

6.1. Особенности эксплуатации месторождений

Подземные воды в аллювиальных отложениях современных и древних речных долин, выполненных рыхлообломочными породами, играют большую роль в водоснабжении населенных пунктов и промышленных предприятий. К ним приурочены многочисленные водозаборные сооружения нередко весьма значительной производительности (порядка 50-100 тыс.м³/сут).

Речные долины, по характеру формирования в них подземного стока подразделяют на два типа: долины рек горных областей и долины рек равнинных областей. Подземные воды речных долин горных областей образуют подрусловые потоки с направлением движения вдоль речной долины. При этом отмечаются значительные уклоны поверхности грунтовых вод. В речных долинах равнинных рек, в силу незначительного их уклона и их дренирующей, но отношению к подземным водам, роли - поток подземных вод направлен поперек речной долины, от водоразделов к области дренирования. Водоносные горизонты, приуроченные к аллювиальным отложениям речных долин, характеризуются рядом гидрогеологических особенностей, позволяющих объединить этот тип подземных вод в определенную группу месторождений.

Речные долины сложены хорошо водопроницаемым мелко- и среднеобломочным (равнинные речные долины) и крупнообломочным (межгорные впадины) материалом, обычно небольшой мощности (10-30 м). Однако мощность отложений крупных речных долин (таких как Волга, Кама и др.) может быть значительной – до 40-50 м.

Подземные воды аллювиальных отложений речных долин по условиям залегания относятся к грунтовым, безнапорным. Лишь на некоторых участках, где водоносные породы прикрыты относительно водоупорными, наблюдаются небольшой избыточный напор (до нескольких метров). По условиям взаимосвязи подземных и поверхностных вод месторождения в речных долинах можно подразделить на два типа:

1) река обладает постоянным водотоком и гидравлическая связь поверхностных и подземных вод сохраняется в течение всего расчетного периода эксплуатации (в условиях наличия или отсутствия заиленных русловых отложений);

2) водоток, протекающий в речной долине, носит временный характер. Его наличие приурочено ко времени обильного снеготаяния или выпадения осадков. В этот же период возможна гидравлическая взаимосвязь поверхностных и подземных вод и полное (или частичное) восполнение запасов подземных вод в пределах месторождения.

Ниже рассмотрим особенности расчетов водозаборов подземных вод для выделенных двух типов месторождений.

6.2. Месторождение подземных вод в долинах с постоянно действующим водотоком

Эксплуатационные запасы подземных вод в месторождениях этого типа формируются в основном за счет привлечения вод, фильтрующихся из поверхностных водотоков, с которыми гидравлически связаны водоносные аллювиальные отложения. Водозаборы инфильтрационного типа, как правило, располагаются вдоль уреза реки. Наиболее распространенным типом водозабора является линейный ряд скважин. Расстояние от водозабора до реки – L₁, выбирается с учетом требований создания зон санитарной охраны II-го пояса и должно обеспечивать отмирание болезнетворных бактерий, продолжительность жизни которых в анаэробной среде достигает 400 суток. Для зернистых коллекторов оно обычно принимается равным 50-200 м, для трещиноватых пород 200-500 м. Последнее обусловлено худшими условиями очищения поверхностных вод в трещиноватых породах. Расстояние от реки до водозабора может быть оценено на основе балансового уравнения:

=2 ,

из которого следует, что

,

где Q – расход водозабора, м/сут; – полурасстояние между соседними скважинами водозабора, м; n – число скважин; m – мощность водоносного горизонта, м; – водоотдача водоносных пород; t – продолжительность жизни бактерий в анаэробных средах, cут.

Расстояние между cкважинами 2σ принимается обычно в диапазоне от 50 до 200 м (cм. табл. 1). В начальный период эксплуатации водозабора вблизи него формируется депрессионная воронка, которая очень быстро достигает уреза реки. С этого момента начинается привлечение речных вод в зону влияния водозабора. Это время определяется из равенства радиуса влияния откачки расстоянию до реки:

Начиная со времени , водоотбор обеспечивается за счет притока вод фильтрующихся из реки. С этого момента времени эксплуатация подземных вод происходит в условиях стационарного режима фильтрации.

В зависимости от геометрических размеров речных долин, фильтрационных свойств аллювиальных и коренных отложений возможны следующие гидрогеологические ситуации в соответствующие им расчетные схемы [1].

1. Водопроницаемость коренных отложений близка по значению к водопроницаемости аллювия (k₁/k₂<10, где k₁ – коэффициент фильтрации аллювиальных отложений, а k₂ – коэффициент фильтрации коренных отложений). Такая ситуация позволяет рассматривать речную долину, как полуограниченный (только со стороны реки) пласт (рис. 6 а, б). При этом на урезе реки условия устанавливаются в зависимости от ее уровенного режима. В большинстве случаев необходимо учитывать «несовершенство» речных русел, т.е. неполную их врезку в водоносный горизонт и заиленность русловых отложений.

2. Водопроницаемость коренных отложений значительно меньше водопроницаемости аллювиальных (k₁/k₂ > 10), т.е. водоприток c их сторон практически отсутствует (рис. 7 а, б). Если расстояние от водозабора до реки меньше или равно расстоянию от водозабора до контакта аллювия с коренным породами L/2L₁>1, то при оценке запасов влиянием второй непроницаемой границы можно пренебречь и рассматривать пласт, как полуограниченный (см. выше рассмотренный случай, рис.6) [1].

а) б)

Рис.6. Гидрогеологический разрез (а) и расчетная схема (б) к расчету водозабора в условиях широких речных долин (L/2L₁>1)

а) б)

Рис.7. Гидрогеологический разрез (а) и расчетная схема (б) к расчету водозабора в условиях узких речных долин (L/2L₁<1)

Поскольку удаление водозабора от контура питания на значительное расстояние L₁ нецелесообразно, то полуограниченный пласт с контуром постоянного напора S= const на границе - типичная расчетная схема для данной разновидности месторождений подземных вод. Расчетная схема пласт-полоса с разнородными условиями на контурах S=f(t) или S=const и q=0 или q=const может рассматриваться только для узких речных долин L/2L <1 (см. рис. 7а, б).

Для работы водозаборов, у реки характерна быстрая стабилизация уровней подземных вод, что позволяет вести расчеты эксплуатационных запасов гидродинамическим методом по формулам уcтановившейся фильтрации.

Понижение уровня подземных вод в одиночной скважине при длительных откачках (при < 0.05÷0.1) определяется, как

, (18)

где r₀ – радиус скважин; – расстояние от скважины до ее зеркального отображения; ξ – параметр несовершенства скважин.

В случае безнапорных вод, при понижении уровня, превышающем 25% мощности пласта, формула (18) перепишется в виде:

, (18а)

где H – начальная мощность горизонта грунтовых вод.

Для ряда скважин ограниченной длины, работающих рядом с контуром питания понижение уровня в его центре может быть определено по формуле Форхгеймера [1, 4]:

,

где Q_i – расход i-й скважины при условии равенства расходов во всех скважинах); r₁, r₂, … r_n – расстояние от центральной скважины до 1, 2, ... i-й скважины водозабора; ρ₁, ρ₂, … ρ_n – расстояние от центральной скважины до зеркальных отображений других скважин водозабора;  – параметр несовершенства центральной скважины.

При одинаковом водоотборе и равных расстояниях между скважинами может быть использован метод обобщенных систем [4].

Для определения понижения уровня подземных вод в центральной части ряда протяженностью вдвое превышающей расстояние скважин до реки (·n>L₁), целесообразно пользоваться формулой Маскета-Лейбензона [4]:

(19)

где Q₀ – расход центральной скважины; L₁ – расстояние от реки до водозабора;  – половина расстояния между скважинами;  – параметр несовершенства скважины.

При значительных расстояниях водозабора от реки (L₁ > ·n) понижение уровня в центральной скважине определяется по формуле для водозаборного ряда ограниченной протяженности:

(20)

Гарантированность восполнения запасов подземных вод за счет поверхностных, оценивается пропускной способностью заиленного (кольматированного) русла реки по формуле [11]:

, (21)

где h₀ – высота слоя воды в реке; m₀ – мощность подземного слоя в русле реки; k₀ – коэффициент фильтрации заиленного слоя; b – ширина реки; 2n – длина водозаборного ряда (n – число скважин).

Расход водозабора Q_вод должен быть меньше Q_р, иначе подпертый режим фильтрации может быть нарушен и произойдет отрыв уровня подземных вод от дна реки. В целях предотвращения этого явления следует увеличить расстояние между скважинами 2 или количество скважин n. При определении расчетного понижения в скважинах, расположенных вблизи заиленного русла реки, необходимо учитывать несовершенство гидравлической взаимосвязи подземных вод с поверхностными путем увеличения в расчетной схеме расстояния скважин от реки L₁ на величину L_н. Тогда новое расстояние L_p записывается, как L_p=L₁+L_н, где параметр несовершенства реки L_н определяется по следующей зависимости [1, 11, 18, 19]:

где k и m – коэффициенты фильтрации и мощность основного водоносного горизонта (остальные обозначения см. выше).

Значение L_н в зависимости от можно определить по графику (рис.8). Наиболее надежна величина L_н может быть получена путем решения обратных задач по результатам кустовых откачек. При этом L₁+L_н принимается как один из неизвестных параметров составляющих ρ в формулах 18 и 18а.