Бурение скважин | Технология | Цены | Фото и видео | Техническая литература
    
   

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод с учетом их искусственного восполнения
 






Техническая литература



Станок для бурения БУР-50:
Бурение скважин
  Оценка эксплуатационных запасов подземных вод с учетом их искусственного восполнения

Выше отмечалось, что искусственное- восполнение эксплуатационных запасов подземных вод непосредственно на действующих водозаборах является наиболее эффективным средством удовлетворения возрастающей потребности в воде, а также защиты подземных вод от истощения и сохранения их качества. Источником искусственного восполнения эксплуатационных запасов подземных вод служат поверхностные воды рек, озер, водохранилищ, каналов.

В практике разведочных гидрогеологических работ чаще всего могут быть два наиболее распространенных способа искусственного восполнения эксплуатационных запасов на участках действующих водозаборов: а) строительство на водозаборе специальных инфильтрационных сооружений (инфильтрационных бассейнов, траншей и нагнетательных скважин); б) постоянное и периодическое затопление площади депрессии водозаборного сооружения поверхностными водами с помощью специальных сооружений (направляющих дамб и др.).

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод в условиях их искусственного восполнения выполняется главным образом гидродинамическим методом (аналитическими расчетами) или методом математического моделирования. Реже применяются гидравлический метод и метод аналогии. Рассмотрим оценку эксплуатационных запасов подземных вод гидродинамическим методом на действующем водозаборе с учетом искусственного их восполнения путем питания из открытых инфильтрационных сооружений. Оценку можно выполнить по двум вариантам. По первому варианту общая площадь искусственной инфильтрации поверхностных вод и количество инфильтрационных бассейнов на водозаборном участке определяются заранее. Решение такой задачи можно выполнить исходя из заданной общей производительности сооружений (с учетом искусственного восполнения) и наличия на водозаборном участке необходимой площади для размещения проектируемых инфильтрационных бассейнов.

Исходя из этих условий оценка запасов сводится к определению возможного дебита водозабора с учетом намечаемой системы искусственного питания (с учетом общей производительности инфильтрационных сооружений). По второму варианту заранее принимается общая производительность действующего (или разведываемого) водозабора с учетом дополнительной заявленной потребности в воде, которую необходимо обеспечить с помощью системы сооружений искусственного питания.

В этом варианте оценка эксплуатационных запасов подземных вод сводится к определению общей производительности инфильтрационных сооружений (их числа, общей площади, примерных размеров бассейнов), которая может обеспечить искусственным питанием заданную новую производительность водозабора. Аналитические расчеты запасов целесообразно выполнять для двух наиболее часто встречающихся условий: 1) для гидрогеологических условий, отвечающих расчетной схеме неограниченного в плане пласта, когда водозаборное сооружение на участке представлено в виде линейного ряда скважин и параллельно ему располагается ряд инфильтрационных бассейнов для искусственного питания (рис. 47); 2) для гидрогеологических условий, отвечающих расчетной схеме, при которой кап- тажное сооружение располагается между рекой и рядом инфильтрационных бассейнов (см. рис. 47).

Рассмотрим аналитические расчеты по первому варианту оценки запасов с искусственным восполнением. Опыт эксплуатации инфильтрационных сооружений при искусственном восполнении запасов подземных вод показывает, что в приемной части бассейна (фильтрующий слой бассейна) всегда происходит формирование слабопрони- - цаемой среды (за счет кольматации и заиления), изменение характера взаимосвязи поверхностных и подземных вод. Как показано В. М. Шестаковым [32], в этих условиях ин- фильтрационный поток из бассейна (река, канал) можно представлять в виде линейного стока с единичным расходом, равномерно распределенным по длине бассейна.

При таких условиях величину единичного расхода свободной фильтрации из бассейна или реки можно оценить как произведение ширины их водного зеркала на среднюю скорость фильтрации:
q6 = 2b6v6, (17.1)
где qe — единичный расход свободной инфильтрации воды из бассейна; 2Ьб — ширина бассейна; ve— скорость инфильтрации из бассейна.
Если инфильтрационные бассейны располагаются в виде линейного ряда общей протяженностью X, меньшей, чем длина линейного ряда водозаборных сооружений 21, при расчете единичного расхода необходимо учитывать поправочный коэффициент Х/2 I, т. е. При определении единичного расхода инфильтрационного потока для расчетов принимается средняя скорость инфильтрации из бассейна (рис. 48). Этот параметр необходимо оценивать по данным опытно-фильтрационных исследований [26].
Изменение скорости инфильтрации во времени (от начала работы бассейна до предельно допустимого ее значения) определяет так называемый фильтроцикл бассейна. После завершения фильтроцикла бассейн обычно ставят на ремонт для очистки от илистой пленки и закольматированного слоя. В порядке примера рассмотрим наиболее общий случай искусственного восполнения эксплуатационных запасов подземных вод, когда в пласте, не ограниченном в плане, работают водозабор в виде горизонтальной совершенной дрены и параллельно ему линейный контур инфильтрационных бассейнов (каналов, траншей) в виде поглощающей галереи.

При этих условиях, чтобы оценить дебит водозабора, обеспеченный только-за счет искусственной инфильтрации, понижение уровня воды по линии водозабора SQ следует компенсировать его подъемом на величину Ah, при искусственном восполнении. Следовательно, для того чтобы избежать истощения запасов в результате непрерывной их сработки, необходимо постоянно соблюдать условие So = Ah.

Коэффициент эффективности характеризует долю искусственно формируемых запасов в общей производительности водозабора. Численно он равен отношению расхода воды, дополнительно поступающей к водозабору, к общему расходу водозабора. Аналогичным образом с использованием метода сложения фильтрационных течений К. И. Сычевым [27] были получены 276 расчетные гидродинамические зависимости для оценки общей производительности линейного ряда взаимодействующих скважин водозабора, питание которого кроме естественных ресурсов осуществляется из специальных систем искусственного восполнения с различными характеристиками граничных условий (взаимосвязи подземных и поверхностных вод). В табя. 19 рассмотрены четыре наиболее распространенные схемы расположения инфильтрационных бассейнов на водозаборных сооружениях. Таким образом, оценка эксплуатационных запасов подземных вод на водозаборном участке с учетом их искусственного восполнения по условиям первого варианта (см. выше) должна производиться в следующей последовательности.
1. По данным обработки режимных наблюдений за эксплуатацией водозабора и результатам дополнительных опытно-фильтрационных работ (на участках расположения инфильтрационных- бассейнов) необходимо обосновать выбор средних значений гидрогеологических параметров: проводимости пласта km, уровнепроводности а, гидравлического сопротивления русловых отложений AL, средней скорости инфильтрации воды из бассейнов va.
2. Затем надо произвести преобразование гидрогеологических условий водозаборного участка в расчетную схему с учетом искусственного восполнения запасов.
3. Исходя из местных геоморфологических условий водозаборного участка следует выбрать тип инженерных сооружений (бассейнов) и задать их число и размеры (длину /б, ширину 2Ьб и общую протяженность).

4. С учетом конструктивных данных действующего водозабора (расстояние между скважинами, их радиус) необходимо сделать расчет показателя гидродинамического несовершенства водозабора L КС
5. Затем по данным гидрогеологических параметров V6 и а, выбранных размеров инфильтрационных» бассейнов и 2Ьб и общей длины водозабора 21 следует произвести определения: единичного расхода искусственной инфильтрации из бассейнов приведенного радиуса действия водозабора LB, приведенного радиуса действия инфильтрационных бассейнов LQ и расстояния от водозабора с учетом значения гидравлического сопротивления AL.
6. При завершении расчетов производится прогнозная оценка дебита водозабора с учетом искусственного восполнения по соответствующим уравнениям, отвечающим расчетной схеме (см. табл. 23). Принято, ЧТО Значение 5доп должно быть не более 0,5—0,7 Н0, где Н0 — мощность продуктивного водоносного горизонта. Методику оценки эксплуатационных запасов подземных вод на действующем водозаборе с учетом их искусственного восполнения по условиям второго варианта задачи (см. выше) целесообразно рассмотреть на конкретном примере [27].
На участке действующего водозабора естественные ресурсы подземных вод обеспечивают его постоянный дебит в количестве 30 тыс. м3/сут. Согласно дополнительной заявке, необходимо довести общую производительность водозабора до 80 тыс. м3/сут. Дополнительный дебит водозабора 2Оби в количестве 50 тыс. м3/сут может быть получен только путем искусственного восполнения запасов. Действующий водозабор состоит из 20 эксплуатационных скважин (п = 20) и имеет общую длину Ьб — Ь(п—1), где расстояние между скважинами 6=100 м. Дебит одной скважины при использовании естествен ных ресурсов подземных вод составляет 1,5 тыс. м3/сут. Гидрогеологические параметры продуктивного безнапорного водоносного горизонта водозаборного участка' характеризуются следующими значениями: мощность Я0 = 20 м, коэффициент фильтрации k = 50 м/сут, коэффициент уровнёпроводности а — = 5000 м2/сут. Для решения поставленной задачи на водозаборном участке были проведены дополнительные исследования: а) гидрологические — с целью изучения источника искусственного восполнения и его качества; б) опытно-фильтрационные работы на участках возможного размещения инфильтрационных сооружений с целью определения значения скорости инфильтрации; в) бурение .скважин с целью уточнения гидрогеологических условий. В результате этого для последующих расчетов были приняты следующие параметры: скорость инфильтрации 1,2 м/сут, расстояние от линии инфильтрационных бассейнов до водозабора х0 — 100 м; допустимое понижение уровня — половинные мощности водозаборного горизонта 5доп=10 м.

Имея, таким образом, все необходимые гидрогеологические данные, требуется определить общую площадь инфильтрации для искусственного восполнения запасов при заданных условиях работы водозабора, количество и размеры инфильтрационных бассейнов, а также дебит каждой водозаборной скважины в условиях дополнительного одностороннего искусственного питания. Решение поставленных задач целесообразно выполнить в следующей последовательности. Вначале необходимо определить дебит одной водозаборной скважины Qc в условиях одностороннего искусственного восполнения запасов подземных вод. Для последующих расчетов дебит одной скважины принимаем равным 4 тыс. м3/сут. Следовательно, имеющиеся на водозаборе эксплуатационные скважины (п — 20) могут обеспечить суммарный заданный отбор подземных вод в количестве 80 тыс. м3/сут. Однако для этого потребуется переобррудование скважин более производительными насосами.

Далее для условий непрерывного режима искусственного восполнения запасов подземных вод необходимо определить значение единичного расхода искусственной инфильтрации из бассейнов.

В данном рассмотренном примере при искусственном восполнении запасов подземных вод величина понижения уровня 5рас на водозаборе принята равной значению SHon и основные гидрогеологические параметры инфильтрационных бассейнов определены непосредственно опытным путем. При таких условиях общую оценку эксплуатационных запасов подземных вод с учетом их искусственного восполнения можно считать в высшей степени достоверной. Для рассмотренного примера категоризацию эксплуатационных запасов можно выполнить следующим образом: а) общий дебит действующего водозабора, определенный по данным "многолетних режимных наблюдений за его эксплуатацией, можно отнести к запасам категории А (30 тыс. м3/сут); б) суммарный дебит искусственного восполнения запасов с помощью инфильтрационных бассейнов, учитывая надежный режим источника питания и достоверные результаты разведочных опытных работ, можно отнести к запасам категории В (50 тыс. м3/сут).