БАЛАНСОВАЯ СТРУКТУРА ( ИСТОЧНИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ) ЭЗ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Это - один из важнейших смысловых вопросов при оценке ЭЗ; необходимость его изучения специально оговаривается в нормативно-методических документах. Для чего?

- Правильное балансовое понимание гидрогеологических условий позволяет избежать логических, формальных ошибок при выборе расчетных формул, схем, при построении расчетных моделей...
- Для обоснованной ориентации разведочных работ на те параметры и процессы, которые имеют основное балансовое значение на конкретном месторождении
- Для расчетов качества подземных вод - нужны долевые составляющие расхода для расчетов химического смешения
- То же - для оценки экологических последствий водоотбора.

Проблема очень непростая, так как чаще всего невозможны прямые полевые измерения; необходимо очень ясное понимание общей гидрогеологической ситуации и балансово-гидродинамических механизмов при естественном и нарушенном режиме фильтрации.

Основные теоретические представления
ДО ЭКСПЛУАТАЦИИ: среднегодовой баланс водоносного горизонта (с осредненными сезонными колебаниями и потому - с некоторым постоянным объемом воды в пласте): объем притока за счет всех видов п итания равен объему оттока за счет всех видов р азгрузки

ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ: водоотбор- новая расходная статья баланса (искусственная разгрузка). Поэтому после включения водозабора начинает формироваться (в полном соответствии с законами систем материального мира) новое равновесное балансовое состояние, т.е. происходят количественные изменения естественных балансовых процессов, стремящиеся компенсировать возникший за счет водоотбора дисбаланс. В совокупности эти изменения таковы:

- всегда уменьшается объем воды в пласте на величину , так как обязательно (по законам гидрогеодинамики) должна образоваться депрессионная воронка;
- может увеличиться суммарный расход питания до величины ;
- может уменьшиться суммарный расход разгрузки до величины .

Почему питание увеличивается, а разгрузка уменьшается?

- Если питание имеет "потенциальный" характер, т.е. происходит под действием разности напоров (перетекание из смежного горизонта, приток из рек), то при эксплуатационном понижении уровней разность напоров может только увеличиваться.
- Если питание имеет инфильтрационный характер, то при понижении свободной поверхности инфильтрация тоже возрастает (до некоторого предела), так как уменьшается испарение.
- Если естественная разгрузка происходит с некоторой разностью напоров на дренирующей границе (разгрузка в русла рек, водоемы, восходящими родниками...), то при эксплуатационном понижении напоров эта разность уменьшается - следовательно, уменьшается и расход разгрузки.
- Если разгрузка происходит путем испарения, то при эксплуатационном понижении свободной поверхности величина испарения всегда уменьшается.

Терминологическое замечание: процесс уменьшения естественной разгрузки при эксплуатации будем называть инверсией; она может быть частичной или полной.

Итак, уравнение баланса водоносного горизонта при работе водозабора приобретает такой принципиальный вид:

или, учитывая, что :

Это основное уравнение баланса эксплуатационного водоотбора.
Его физический смысл: отрицательное (по балансовому знаку) изменение , возникшее в естественной сбалансированной системе, погашается положительными изменениями Эти положительные изменения называются ИСТОЧНИКАМИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЗ и составляют БАЛАНСОВУЮ СТРУКТУРУ эксплуатационного водоотбора (БСЭВ).
Вопрос о долевых соотношениях возможных источников формирования ЭЗ и их изменении во времени в каждом случае очень сложный (от 0 до 100%); для самых простых расчетных схем могут быть применены аналитические решения, для сложных (точнее, реальных) - используются балансовые расчеты по результатам моделирования работы водозабора.
Принципиально важно: величина (или само существование) каждой компоненты БСЭВ определяется конкретной гидрогеодинамической ситуацией, т.е. зависит от параметров, граничных условий, времени, схемы и расположения водозабора и др.

Простые балансовые упражнения: водоносный горизонт в виде сосуда

Рис. 1.5.	I. Водоносный горизонт обладает только емкостью ; питания, стока и разгрузки нет (рис. 1.5) - Режим при водоотборе будет постоянно нестационарным - Водоотбор возможен только в течение некоторого времени:
Рис 1.6.	II. Расход питания не зависит от положения уровня (рис. 1.6) - Вопрос: а расход разгрузки зависит? Да. Варианты соотношения дебита водоотбора и расхода питания: А) - какой режим уровней при водоотборе? В пределе стационарный. - где будет располагаться уровень? Выше уровня разгрузки. - какие произойдут балансовые изменения? Уменьшится расход разгрузки на величину (частичная инверсия разгрузки). - общий вид балансового уравнения при наступлении стационарного режима: , т.е. Б) Все так же, как в предыдущем случае: стационарный режим, но уровень будет располагаться на уровне разгрузки, а разгрузка инверсируется полностью, т.е. Однако, принципиальный вид балансового уравнения сохраняется: В) В случае превышения величины водоотбора над расходом питания режим уровней будет сохраняться нестационарным и после полной инверсии разгрузки. Балансовое уравнение после инверсии разгрузки имеет вид Водоотбор с таким дебитом может сохраняться лишь в течение некоторого времени , после чего дебит водоотбора должен быть уменьшен до величины, не превышающей расход питания.
Рис. 1.7.	II. Расход питания зависит от положения уровня. Реализуем такой механизм добавлением еще одного сосуда с более высоким положением уровня (аналог смежного водоносного горизонта). Питание происходит за счет разности уровней - в ненарушенных условиях при величина питания (рис. 1.7). Варианты соотношения дебита водоотбора и расхода питания: А) - какой режим уровней при водоотборе? Стационарный. - где будет располагаться уровень? Выше уровня разгрузки (но выше, чем в варианте II. Почему?) - какие произойдут балансовые изменения? Уменьшится расход разгрузки на величину (частичная инверсия разгрузки) и, кроме того, увеличится интенсивность питания на величину , так как возросла величина разности уровней . - общий вид балансового уравнения: или Б) Стационарный режим, но уровень будет располагаться выше уровня разгрузки, т.е. разгрузка не инверсируется полностью. Принципиальный вид балансового уравнения сохраняется: В) Наконец, даже в случае превышения величины водоотбора над расходом питания возможно стационарное состояние режима уровней (до некоторого критического значения ). Вид балансового уравнения прежний:

Хотелось бы надеяться, что у внимательного читателя уже возник принципиальнейший балансовый вопрос: а почему же уровень в смежном сосуде -"горизонте" остается постоянным? Действительно, картинка на рис. 1.7 не содержит информации о механизме собственного питания второй емкости. Какие варианты здесь возможны?

- Если питания нет, то даже в естественных условиях не могла бы существовать разность уровней , а при водоотборе уровни в обоих сосудах вели бы себя одинаково.
- А если есть естественное питание, то каков его механизм? Как оно себя поведет при снижении уровней в этой связанной системе?

Таким образом, возникает теоретически бесконечная цепочка балансовой реакции на эксплуатационный водоотбор. Практически же где-то может найтись такая питающая граница, которая выдаст необходимое приращение питания без изменения собственного уровня (точнее, при пренебрежимо малом изменении уровня) - обычно это большие реки, крупные водоемы и т.п.

Итак: стационарный режим фильтрации при работе водозабора может установиться только в том случае, если в области влияния водозабора есть питающие и/или дренирующие границы, на которых в связи с понижением уровней произойдет суммарное изменение естественных величин питания и/или разгрузки, равное величине водоотбора:

где - суммарное изменение расходов через все границы.

Практическое правило: при работе с балансовыми зависимостями надо договориться о знакерасхода:
+ питание, - разгрузка. Чтобы не ошибиться и вообще не думать о знаке, нужно в гидрогеодинамических формулах всегда ставить на первое место уровень на границе :

(всегда больше нуля!)

В этих формулах - это уровни в приграничной области пласта, - некоторое фильтрационное сопротивление границы, через которую происходит водообмен пласта со смежными элементами гидросферы.

Вернемся к общему балансовому уравнению водоотбора и введем генетические названия:

Q э	=	V / t э	+	Q p	+	Q п

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЗАПАСЫ - количество воды в пласте (в принципе масса, но для пресных вод можно пользоваться объемом). Независимо от движения! Величина ЕЗ зависит от размеров водовмещающей толщи (площадь оцениваемой области, мощность пласта) и ее емкостных параметров (водоотдача). В зависимости от природы водоотдачи различают емкостные и упругие естественные запасы. Размерность объема (L ³), но в уравнении баланса представляем их расходом, "размазывая" объем запасов на время водоотбора.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ РЕСУРСЫ (термин и смысл должны быть известны из многих предшествующих учебных курсов) - суммарная величина питания водоносного горизонта в естественных условиях (следовательно, и величина естественной разгрузки). Обратить внимание: в уравнение баланса водоотбора входит не общая величина естественных ресурсов, формирующаяся в пределах некоей водосборной площади, а только изменение расхода разгрузки, т.е. та часть общей величины естественных ресурсов, которая "схвачена" водозабором за счет депрессии напоров в областях разгрузки естественного потока (замена естественной разгрузки на искусственную, техногенную).

ПРИВЛЕКАЕМЫЕ РЕСУРСЫ - специфическая балансовая категория, возникающая только при работе водозабора. Это - суммарный расход дополнительного питания эксплуатируемого горизонта (дополнительного к чему? к естественной интенсивности питания). Две возможности возникновения ПР:

- в областях естественного питания - оно может усилиться при эксплуатационном понижении уровней (раньше уже говорили об этом явлении - например, усиление перетекания из смежного горизонта; увеличение интенсивности инфильтрации при возрастании глубины залегания свободной поверхности...); разность между эксплуатационной и естественной величиной и есть привлекаемые ресурсы;
- в областях естественной разгрузки - вначале инверсия (это использование ЕР!), а после полной инверсии на границе возникает обратное соотношение напоров и поток обратного направления, которого не было в естественных условиях; его полный расход и есть привлекаемые ресурсы.

Важнейшее положение: СТРУКТУРА БАЛАНСА ВОДООТБОРА СПОСОБНА К СУЩЕСТВЕННОМУ ПРЕОБРАЗОВАНИЮ ВО ВРЕМЕНИ,
а возможная направленность этих преобразований во многом зависит от положения водозабора по отношению к действующим балансово-гидрогеодинамическим границам пласта.
Характерная иллюстрация (рис. 1.8): если водозабор расположить близко к реке (или к другой дренирующей границе), то достаточно быстро, при небольших еще понижениях уже возникает сначала , а затем и . Поэтому может быстро установиться стационар. Если же водозабор далеко от дренирующей границы, то воронка достигнет ее через весьма значительное время (или вообще не "успеет" это сделать за расчетный срок), либо в принципе не сможет ее достичь в пределах допустимых понижений в водозаборе. Величина естественного потока в этих условиях не имеет никакого значения для формирования баланса водоотбора; основным источником формирования ЭЗ будут являться только естественные запасы пласта и темп развития воронки будет таким же, как и в условиях бассейна подземных вод; соответственно - постоянный нестационар.

Рис. 1.8. Характер развития депрессионных воронок при расположении водозабора на удалении и вблизи реки

В этой связи вспомним о гидрогеологической/гидродинамической рациональности водозабора. Выходит, что существуют такие места, где водозабор располагать выгоднее, чем где-то рядом: лучше параметры, легче проявляется благоприятное балансовое действие граничных условий. Такие участки прежде всего можно рассматривать как " МЕСТОРОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ".

Теперь познакомимся с МЕТОДАМИ ОЦЕНКИ ЭЗ ПОДЗЕМНЫХ ВОД, используемыми в современной разведочной гидрогеологии. При этом важно понимать, что применение того или иного метода, во-первых, диктуется степенью сложности гидрогеологических условий месторождения, а также стадией работ (т.е. достигнутой степенью изученности), и, во-вторых, определяет "свой", особый набор необходимых гидрогеодинамических параметров, чтопредопределяет и направленность поисково-разведочных работ.

БАЛАНСОВЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ЭЗ

Принципиальный смысл и формальный механизм его применения - раздельная оценка всех потенциальных составляющих баланса водоотбора: в первую очередь, естественных запасов и естественных ресурсов, а при наличии общих гидрогеологических предпосылок - и привлекаемых ресурсов. Они оцениваются в целом для месторождения (или другой расчетной площади), без определения той водозаборной системы, с помощью которой они могут быть извлечены. Таким образом, по сути это - "потенциальные" ЭЗ; система их отбора должна рассчитываться особо, какими-либо другими способами, которые мы рассмотрим позже.
Возникает вопрос - а для чего же нужен такой "неполноценный" метод?

- Во-первых, он вполне успешно может быть применен для региональных оценок ЭЗ,
- Во-вторых, он очень продуктивен на ранних стадиях работ на месторождениях (поиски и оценка) для предварительной общей оценки потенциальных эксплуатационных возможностей, т.к. позволяет сравнить их с заявленной потребностью и решить, не нужно ли искать дополнительные площади.
- Наконец, следует добавить, что во всех случаях балансовый контроль, балансовое "сопровождение" любых гидрогеологических расчетов при оценке ЭЗ чрезвычайно полезны и даже необходимы во избежание формальных ошибок и грубых промахов.

ОЦЕНКА ЕСТЕСТВЕННЫХ ЗАПАСОВ

Вспомним, что это объем воды, содержащейся в эксплуатируемом пласте в некоторой расчетной области (площадью ). Рассмотрим в общем случае межпластовый водоносный горизонт, обладающий избыточным напором над кровлей (рис. 2.1).

Рис. 2.1. К оценке емкостных и упругих естественных запасов

Очевидно, что полное количество УПРУГИХ запасов можно получить при полной сработке избыточного напора до кровли пласта по всей расчетной площади:

При дальнейшем полном осушении пласта можно дополнительно получить ЕМКОСТНЫЕ запасы в количестве:

Следовательно, в целом полные естественные запасы составляют:

Если пласт ненапорный, то упругого слагаемого в этой формуле нет, только емкостная (гравитационная) составляющая
Это - потенциальные естественные запасы водоносного горизонта; реально же при водоотборе будет использована только некоторая их часть , так как:

- понижение уровня всегда ограничивается тем или иным допустимым значением, т.е. вместо надо использовать ;
- сама форма воронки имеет вид отнюдь не чемодана, поэтому среднее понижение по всей области депрессии заметно меньше, чем .

На практике для балансовых оценок применяют коэффициент использования (извлечения):

, при этом обычно считают ≈ 0.3 ÷ 0.5.

Более точно: принять какое-то среднее понижение уровня в пределах воронки; тогда где - радиус воронки. Приближенно можно доказать, что при понижении в скважине и ее радиусе среднее понижение на площади депрессионной воронки составляет:

Поскольку обычно ×10^2-3 м, ×10^-1 м, то ≈ 3 - 4, откуда

.

Таким образом, при сосредоточенном водоотборе реальная величина коэффициента использования естественных запасов составляет от 0.1 - 0.15 (для напорных условий, где ) до 0.05 - 0.1 (для грунтовых горизонтов, = (0.5 ÷ 0.7) ).
Как добиться увеличения ? Максимально возможным рассредоточением водозабора по площади.

Итак, для балансовой оценки потенциальных естественных запасов месторождения нужно:

- оценить характер водоотдачи в пределах ожидаемой величины понижений, исходя из условий залегания водоносного горизонта и возможной глубины депрессионной воронки;
- задаться значениями .

Из этих величин параметром является водоотдача; оценивается обычно трудно и ненадежно:

- лабораторные методы: точечные определения, невысокая достоверность экстраполяции и интерполяции на больших площадях месторождений;
- откачки (кустовые!): определяется уровне(пьезо)проводность; обычно получаются заниженные величины емкостных оценок, так как из-за "разнокалиберности" порово-трещинного пространства реальная величина водоотдачи проявляется значительно дольше обычной длительности опытных опробований;
- режимные наблюдения: в принципе лучше, так как наблюдаются и обрабатываются длительные периоды относительно медленного природного нестационарного режима.

Напомнить: в курсе "Гидрогеодинамика" рассматривались вопросы оценки гидрогеодинамических параметров (включая водоотдачу) по данным опытно-фильтрационных (режимных) наблюдений с использованием классической методики Г.Н.Каменского - решение конечно-разностного уравнения фильтрации.

Рис. 2.2. К обоснованию методики оценки водоотдачи по данным режимных наблюдений на створе скважин в линейном потоке

ПЕРИОД для расчета - "независимый спад", т.е. пoлное отсутствие питания (истощение горизонта)
СТВОР из 3-х скважин по линии тока (при квазилинейной структуре потока - рис. 2.2) или "конверт" из 5-и скважин, если поток существенно плановый
БАЛАНС РАСЧЕТНОГО БЛОКА 2
Приток:

- расход из блока 1 ()
- уменьшение количества воды в блоке на величину за время (в связи со спадом уровня от до )

Отток: - расход в блок 3 ()

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: