Антонов В.В. Поиски и разведка подземных вод Уч пос 2006

интегральный метод В.Б.Георгиевского, методы, основанные на решении обратных задач с использованием аналогового моделирования и ЭЦВМ.

Перечисленные выше методы интерпретации данных опытных откачек являются примерно равноценными, если расчетная схема точно соответствует природной и, кроме того, отсутствуют осложняющие технические факторы. Однако в действительности эти условия не выполняются. Поэтому разные методы интерпретации данных откачек могут давать отклонения, связанные с чувствительностью метода к различным погрешностям расчетной схемы. Более надежные результаты обычно дают интегральные методы (графоаналитический, метод эталонной кривой). В настоящее время интерпретация результатов ОФР графоаналитическим методом является обязательной при утверждении эксплуатационных запасов подземных вод.

Методику интерпретации опытных откачек графоаналитическим методом рассмотрим для случая неограниченного однородного полностью изолированного пласта (схема Ч.Тейса).

В этих условиях опытные данные обрабатываются на основании логарифмической аппроксимации формулы Тейса – Джейкоба:

S	Q	ln	2,25at	.	(66)
	4 T
			r2

Для оценки гидрогеологических параметров формула (66) преобразуется в виде уравнения прямой в полулогарифмических координатах – понижение как функция логарифма времени lnt или расстояния lnr, или комплексного показателя ln(t/r2). В зависимости от выбранных координат различают три способа графоаналитической обработки данных опытных откачек.

1. Способ временного прослеживания. В этом случае фор-

мула (37) представляется в виде

S = At + Ct lnt,

(67)

где At Ct ln2,25atr2 ; Ct Q4 T .

81

2. Способ площадного прослеживания. Обработка опытной информации проводится на основе модификации (66) в виде полулогарифмической прямой вида

S = Ar + Cr lnr,

(68)

	где A	Cr	ln2,25at ; C	r	Q 2 T .
		2
	r

3. Способ комбинированного прослеживания. Обработ-

ка опытных данных ведется с помощью полулогарифмической прямой вида

S A	C		ln	t	,	(69)
				r2
K		K

где AK CK ln2,25at ; CK Q4 T .

Используя перечисленные выше способы, обработку данных опытных откачек проводят в следующем порядке:

1)результаты наблюдений заносят на соответствующие гра-

фики: S = f(lnt), S = f(lnr) или S = f(lnt/r2);

2)совокупность опытных точек заменяют прямой линией, определяют ее параметры; начальную ординату А и угловой коэффициент С;

3)вычисляют фильтрационные параметры:

при способе временного прослеживания

	T	Q		; lna	At	ln	2,25	;	(70)
		4 C	t		C		r2
					t

при способе площадного прослеживания

T	Q	; lna	2Ar	ln2,25t ;	(71)

2 Cr Cr

при способе комбинированного прослеживания

T	Q	; lna	AK	ln2,25.	(72)

4 CK CK

82

Прямая линия, замещающая всю совокупность точек наблюдения, может быть проведена чисто визуально. Чтобы уменьшить влияние субъективного фактора, данную операцию осуществляют математически с помощью метода наименьших квадратов. В соответствии с этим методом характеристики прямой вида y = a + cx могут быть вычислены по следующим зависимостям:

	n	n	n			n
a	xi2 yi		xi		xi yi
	1	1	1			1		;
		n		n		2
		n xi2	xi
		1		1
		n	n			n
c		n xi yi	xi		yi		,
		1	1			1
		n		n		2
		n xi2	xi
		1		1

где xi, yi – соответственно значения аргумента и функции в i-й точке; n – число замеров.

Для способа временного прослеживания эти формулы примут вид

		n			n	n
C		n Si lnti		lnti Si				;		(73)
		1			1	1
							2
t		n	2			n
		n lnti				lnti
		1				1
	n	n			n	n
A	lnti 2 Si			lnti Si lnti					.	(74)
	1	1			1	1
							2
t		n	2		n
		n lnti			lnti
		1			1
										83

Аналогично могут быть получены расчетные формулы для способов площадного и комбинированного прослеживаний.

Отметим, что одним из недостатков метода наименьших квадратов является наличие заметного влияния на искомые характеристики прямой линии относительно больших случайных отклонений. Для устранения этого влияния необходима предварительная отбраковка опытных точек.

Для повышения информативности ОФР целесообразно комплексирование их с геофизическими работами (термометрия, резистивометрия, расходометрия и др.), а также со специальными миграционными запусками. При этом важно, чтобы результаты одиночных откачек обязательно контролировались данными кустовых или групповых откачек.

7.2. Режимные стационарные наблюдения

Режимные стационарные наблюдения (мониторинг подземных вод) целесообразны для изучения режима подземных вод, т.е. изменений во времени основных характеристик подземных потоков, а также состава и свойств самих вод. Наиболее часто наблюдают режимы уровней (напоров), дебитов, температуры, химического и газового состава и прочих показателей состава и свойств подземных вод на специально построенной сети скважин.

По результатам режимных наблюдений изучают условия формирования подземных вод, закономерности их питания и разгрузки, а также определяют (или уточняют) расчетные гидрогеологические параметры.

На режим подземных вод влияют следующие факторы: космогенные, эндогенные, метеорологические, климатические, гидрологические, литологические, биогенные и искусственные.

Среди космогенных факторов могут быть отмечены солнечная активность, характер перемещения магнитных полюсов, лунные и солнечные приливы.

На изменение режима уровней подземных вод через изменение уровня воды в Мировом океане существенно влияют лунные

84

приливы. Приливные явления сказываются как на грунтовых, так и на артезианских подземных водах.

При наличии гидравлической взаимосвязи изменение уровня в грунтовом водоносном горизонте происходит вслед за изменением уровня океанических вод. Однако колебания уровня подземных вод несколько смещены по фазе и меньше по амплитуде. Максимальный подъем уровня в грунтовом водоносном горизонте при синусоидальном изменении уровня морских вод может быть оценен по зависимости

		x		t0
	h		2Khcp		(75)
		h e		,
	max	0

где hmах – максимальный подъем уровня грунтовых вод; h0 – отклонение от среднего уровня воды в океане; x – расстояние от береговой линии до рассматриваемой точки; – водоотдача пород; К – коэффициент фильтрации; hср – средняя мощность грунтовых вод; t0 – полупериод колебания уровня воды в океане, t0 = 6 ч.

Величина запаздывания tз прохождения максимума подъема воды в грунтовом горизонте

tз x		t0 .	(76)
	4 Kh
	cp

На напорные подземные воды приливные явления влияют за счет изменения нагрузки на водоупорные породы, залегающие в кровле водоносного горизонта.

Для количественной оценки изменения напоров под действием приливов вводится понятие о приливной эффективности

C h в / h0 м ,

(77)

где h – изменение воды в водоносном горизонте; в – плотность подземных вод; h0 – подъем уровня воды в океане; м – плотность морских вод.

Эндогенные режимообразующие факторы в основном связаны с вулканической деятельностью и проявлением сейсмической активности.

85

Подземные воды весьма чутко реагируют на проявления эндогенных факторов. Наиболее ярким примером отметим особенности характера температурного режима подземных вод в районах современного вулканизма, изменения режима родников после землетрясений и повышение содержания радона в подземных водах как предвестник землетрясений.

Режим подземных вод весьма существенно зависит также и от атмосферных осадков, давления атмосферы, температуры и влажности воздуха.

Атмосферные осадки влияют на характер питания подземных вод за счет изменения инфильтрации или инфлюации. Причем важную роль играет не только общее количество осадков, но и их характер. В частности, мелкий моросящий дождь вызывает более интенсивный подъем уровня грунтовых вод, чем ливневые осадки.

Весьма специфично влияние давления атмосферы на режим уровня подземных вод. В напорных водоносных горизонтах изменение атмосферного давления приводит к изменению давления на водоупорные породы, залегающие в кровле водоносного горизонта. При этом наблюдается изменение давления в самом водоносном горизонте, причем в закрытом пьезометре давление меняется синхронно вслед за атмосферным, в открытом пьезометре наоборот.

Для количественной характеристики реакции наблюдательных скважин на изменения атмосферного давления вводится показатель барометрической эффективности

B = h в / p,

(78)

где h – изменение уровня воды в наблюдательной скважине; p – изменение атмосферного давления.

Обычно параметр В меняется от 0,2 до 0,8, среднее значение 0,5-0,6. Повышение значений В отмечается вблизи участков подземных вод, содержащих большее количество свободного газа.

Влияние режима поверхностных вод на режим подземных вод зависит от степени их взаимосвязи. Как правило, поверхностные водотоки являются областями обеспеченного питания для подземных водоносных горизонтов, поэтому любые изменения в режиме

86

уровня поверхностных вод непосредственно сказываются на подземных потоках.

Касаясь литологических режимообразующих факторов можно отметить, что литологические характеристики пород определяют главные особенности питания, транзита и разгрузки подземных вод, которые в свою очередь влияют на их режим. Например, уровень подземных вод в трещиноватых и закарстованных породах меняется более интенсивно, чем в раздельно зернистых породах.

Влияние биологических факторов (характера жизнедеятельности растений и организмов) на режим уровня подземных вод, как правило, незначительно. Например, за счет интенсивной транспирации влаги растениями уровни подземных вод могут понизиться на несколько (до десятка) сантиметров. В то же время биологические процессы во многом определяют гидрохимический режим подземных вод.

Возникновение искусственных режимообразующих факторов связано с инженерной деятельностью человека. Наиболее активно эти факторы действуют в районах интенсивного водоотбора (системы осушения карьеров и шахт, крупные водозаборы подземных вод и пр.).

Режимные наблюдения за естественными колебаниями уровней под влиянием изменения атмосферного давления позволяют определить емкостные характеристики водоносных горизонтов.

В работах Ч.Джейкоба показано, что параметр барометрической эффективности

B = n в /(n в + п),

(79)

где в и п – коэффициенты сжимаемости воды и горной породы, в среднем в = 4,5 10–5 см2/кг; n – пористость.

Коэффициент упругоемкости

* = n в + п.

(80)

При оценке значений барометрической эффективности по результатам режимных наблюдений * = n в/B.

Режимные наблюдения за изменением уровня в водоносном горизонте при подъеме (спаде) уровней воды в реке (т.е. на границе

87

обеспеченного питания) позволяют определить коэффициент уровне- или пьезопроводности.

При мгновенном повышении уровня на реке («быстрый» паводок) коэффициент уровнепроводимости может быть определен по двум наблюдательным скважинам:

H1 H0erfc 1;

H2 H0erfc 2;

(81)

где H1, H2 – подъем уровней в скважинах 1 и 2 на моменты вре-

мени t1

и t2; H0 – подъем

воды

в реке;

1 x1 /2

;

at1

2 x2 /2

; x1 и x2 – расстояние от наблюдательных скважин до

at2

реки. Разделив первую формулу на вторую, получим

H1

erfc 1

,

(82)

erfc 2

H2

откуда коэффициент уровнеили пьезопроводности может быть найден подбором.

Для оценки коэффициентов водоотдачи и инфильтрации широко применяется метод конечных разностей (впервые для этих целей был предложен Г.Н.Каменским). Рассмотрим использование этого метода на примере одномерного безнапорного потока.

Исходное дифференциальное уравнение одномерного безнапорного потока имеет вид

	H				H
				Kh			W ,	(83)
	t
			x		x

где – гравитационная водоотдача; h – мощность водоносного горизонта; W – инфильтрация.

Переходя от дифференциалов к конечным разностям, можно получить, например, выражение

Hit 1 Hit xi 1 xi

2 t

88

Kh ti 12 Kh ti Hit 1xi 1Hit

Kh t		Kh t		Ht Ht				t
	i	i 1		i	i 1		Wi		,	(84)
		2			x
					i

где Hit – напор в i-й точке в момент времени t. По формуле (84) при наличии режимных наблюдений по трем скважинам и сведений о коэффициенте фильтрации можно определить и W. Для повышения точности оценки данных величин коэффициент водоотдачи обычно вычисляют при W = 0.

Результаты режимных наблюдений позволяют определить параметры L, характеризующие степень взаимосвязи поверхностных и подземных вод.

В условиях установившегося одномерного потока при наличии замеров в реке и двух наблюдательных пьезометрах

L	H1 Hр	(x		x ) x ,	(85)
	H2 H1		2	1 1

где H1, H2 – уровни (напоры) подземных вод в скважинах 1 и 2; Hр – уровень воды в реке; x1 и x2 – расстояние от реки до наблюдательных пьезометров.

В условиях нестационарного движения при мгновенном подъеме воды в реке величина L может быть определена с помощью зависимости (85). При синхронном замере уровней в реке и на-

блюдательном пьезометре H/ H0 = erfc , где (x L)/2at .

Величину по отношению H/ H0 находят по таблицам функции erfc ; затем рассчитывают

L 2 at x.

(86).

В условиях нестационарного движения L изменяется во времени от нуля до постоянного значения, характерного для усло-

89

вий стационарной фильтрации. При выполнении соотношения t > x2/1,15a значения L, определенные в условиях установившегося и неустановившегося движения, совпадают.

Наиболее надежно расчетные значения гидрогеологических параметров могут быть получены по результатам режимных наблюдений на стадии эксплуатационной разведки. Оценка параметров производится по данным наблюдений за дебитом работающего водозабора и режимом уровня подземных вод. В этих условиях для определения параметров целесообразно использовать методы математического моделирования.

Для проведения режимных наблюдений необходима специальная сеть наблюдательных скважин. Режимная сеть должна охватывать по площади практически всю зону влияния, создаваемую проектируемым водозабором. Для изучения естественного режима подземных вод желательно иметь один-два пьезометра за пределами данной зоны. Изучение естественного режима возникает, например, при необходимости его выделения среди искусственных режимообразующих факторов.

Глубина наблюдательных скважин зависит от глубины залегания водоносного горизонта, намечаемого к эксплуатации. Для изучения процессов перетекания подземных вод желательно сооружение наблюдательных скважин на соседние выше- и нижележащие водоносные горизонты.

Наблюдательные скважины располагают по отдельным лучам так называемым гидрогеологическим створам. Наиболее рационально совмещать лучи наблюдательных скважин с линиями тока подземных вод. Учитывая, что в направлении к водозабору поток подземных вод носит преимущественно радиальный характер, лучи наблюдательных пьезометров целесообразно направлять радиально к центру проектируемого водозабора. При изучении взаимосвязи подземных и поверхностных вод, а также гидрогеологической роли зон литологического выклинивания и тектонических контактов в дополнение к радиальной системе лучей необходимы гидрогеологические створы, идущие перпендикулярно к контурам изучаемых границ. В некоторых случаях целесообразно сооружать гидрогеологические створы наблюдательных скважин по линиям максимальной

90