Гидрогеодинамические исследования на участках береговых водозаборов вблизи водохранилища

Глава 1. Гидрогеодинамический мониторинг на участках береговых водозаборов вблизи Воронежского водохранилища.

Проводился анализ фактических материалов мониторинговых наблюдений на трех участках береговых водозаборов у Воронежского водохранилища. Основное внимание уделено вопросам методического обоснования гидрогеодинамического мониторинга на участках береговых водозаборов. Проанализированы полученные результаты и разработаны соответствующие методики интерпретации исходных данных и рекомендации по дизайну сети наблюдательных скважин (НС).

Интерпретация данных режимных наблюдений на участках береговых водозаборов. Гидрогеодинамический мониторинг на участках береговых водозаборов проводится на основе наблюдений за режимом поверхностных и подземных вод, а также замеров расхода водозаборных скважин. На участках береговых водозаборов в соответствии с принципом модельной ориентированности мониторинга требуется определение основных расчетных геофильтрационных параметров - проводимости водоносного горизонта Т и параметра сопротивления ложа водоема ΔL, а также оценка скин-эффекта водозаборных скважин (ВС) ΔH_c, характеризующего их прискважинное сопротивление в системе <пласт-скважина>.

Расчетные геофильтрационные параметры наиболее эффективно определяются в условиях стационарного режима потока. Однако анализ исходных данных режимных наблюдений на участках водозаборов вблизи Воронежского водохранилища показал, что за расчетный период времени уровень поверхностных вод мало колеблется ( 10 см), тем не менее довольно часто проявляется нестационарный режим в НС, по-видимому, связанный с нестабильной и неопределенной динамикой водоотбора. В связи с этим при интерпретации данных режимных наблюдений необходимо проводить диагностику опытных данных, обосновывающую стационарность (квазистационарность) моделируемого потока. Такая диагностика стационарности потока наиболее просто и эффективно осуществляется по критерию стабильности соотношений разности напора в двух парах НС:

(1)

где H₁, H₂, H₃ - напоры в наблюдательных скважинах НС1, НС2, НС3, находящихся на одном створе между водозабором и водоемом (см. рис. 1).

Исходя из необходимости проведения диагностики стационарности потока следует расположить не менее трех НС от уреза берега к линии водозабора.

Тестовым анализом установлено, что периоды с колебанием значений в пределах 5% могут приниматься стационарными (квазистационарными), при котором погрешность расчетных значений геофильтрационных параметров не превышает 5%.

Следует отметить, что после проведения диагностики стационарности потока большую часть исходных данных приходится отбраковывать и в качестве расчетных выделяются лишь отдельные периоды, в которые расчетный режим потока можно считать стационарным.

Обработка исходных данных за каждый расчетный период проводится на основе численного геофильтрационного моделирования с применением современных вычислительных программ для автоматизированного определения расчетных параметров. Для предварительной оценки значений геофильтрационных параметров Т и ΔL расчёты проводятся с использованием аналитических решений.

По такой методике расчетов проведена интерпретация данных мониторинговых наблюдений на трех представительных участках береговых водозаборов вблизи Воронежского водохранилища. Анализ полученных по результатам интерпретации данных позволяет сделать следующие выводы.

1. Проводимость водоносного горизонта Т на участках исследованных береговых водозаборов оказывается достаточно стабильной, некоторое колебание её значения в разные расчетные периоды происходит из-за колебания водоотбора. Вместе с тем наблюдается сезонная изменчивость величины параметра сопротивления ложа водоёма ΔL, которая, возможно, связана с влиянием ледового и температурного режимов, а также с отсутствием данных по режиму уровней воды в водохранилище на конкретных участках береговых водозаборов. В связи с этим следует подчеркнуть необходимость водомерного поста, как необходимого элемента створа наблюдений.

2. На рассматриваемых участках береговых водозаборов скин-эффект в среднем обусловливает до половины понижения напора в ВС, в результате чего существенно уменьшается их производительность. В связи с этим при наблюдениях на водозаборах в водоносных горизонтах, представленных песчаными отложениями, следует обращать особое внимание на оценку величины скин-эффекта ВС.

Отмечаются некоторые аномальные значения скин-эффекта ВС в отдельные расчетные моменты времени, что, вероятно, связано с колебанием водоотбора из этих скважин. Поэтому при проведении специального обследования рабочего состояния водозаборных скважин необходимы синхронные замеры динамических уровней воды и расходов в водозаборных скважинах.

3. Согласно принципам оптимизации наблюдений, НС на участке берегового водозабора следует располагать по створам, нормальным к линии водозабора. В составе створа наблюдений обязательно должен быть водомерный пост, позволяющий фиксировать режим уровней воды в водохранилище. Вместе с тем створ между водозабором и водохранилищем состоит из трех НС, что позволяет провести не только определение параметров, но и диагностику стационарности режима потока. Для определения удельного притока со стороны берега qб, следует расположить две НС с этой стороны (см. рис. 1).

Композиция локальной и региональной геофильтрационных моделей. На исследованных участках береговых водозаборов со стороны берега не имелось НС, из-за чего невозможно было определить величину q_б. В таких условиях целесообразно обосновать величину q_б исходя из общего баланса регионального потока, установленного на региональной модели по всей области влияния водозаборов.

При решении этой задачи рассматривалась композиция локальной и региональной моделей, которая осуществляется следующим образом: полученные в локальной модели значения Т и ΔL на береговых участках могут быть использованы в региональной модели, а установленное по региональному моделированию значение q_б может служить для обоснования береговой границы в локальной модели.

Региональное моделирование проведено путем решения эпигнозной задачи с использованием данных режимных наблюдений стационарного режима, обоснованного на анализе данных многолетних наблюдений, и, соответственного расхода водозаборов. В региональной модели проводимость водоносного горизонта вне береговых участков Т и интенсивность инфильтрации w являются главными геофильтрационными параметрами, значения которых необходимо предварительно обосновывать с учетом <субъективной информации>, исходя из конкретных гидрогеологических и ландшафтных условий. Важнейшее значение при проведении регионального моделирования имеет выделение разных зон по значению геофильтрационных параметров, которое требует специального обоснования, причем одновременная калибрация параметров Т и w дала гораздо более положительный результат.

На основе региональной модели на территории Воронежа получилось существенно повышенное значение q_б, чем по аналитическому решению. Однако расчеты на локальной модели показывают, что изменение q_б (до 4 раз) практически не оказывает влияния на определение геофильтрационных параметров Т и ΔL, что связано с тем, что основным источником водоотбора на таких береговых водозаборах все же является фильтрация из водоема.

Региональное моделирование проводилось также для выяснения условий формирования подземных потоков всего изучаемого района, в частности, для обоснования зон захвата водозаборов. На основе данных, полученных на региональной модели, установлено, что для водозаборов на берегу Воронежского водохранилища основным источником водоотбора является фильтрация воды из водоема. Особенно для водозаборов с расходом больше 50 тыс. м³/сут данная часть возрастает до 90% от общего водоотбора. Вместе с тем по сравнению с литературными данными на этой территории существенно увеличивается интенсивность инфильтрации в сельскохозяйственных угодьях (от 1.5^.10^-4 м/сут до 4.0^.10^-4 м/сут). Это, возможно, связано здесь с интенсивной подачей воды на орошение в вегетационный период. Наблюдается увеличение интенсивности инфильтрации в селитебной зоне по сравнению с литературными данными (от 4.0^.10^-4 м/сут до 6.0^.10^-4 м/сут), которое может обусловливаться потерями из водопроводных и канализационных сетей, утечкой воды на водопотребляющих предприятиях. По сравнению с литературными данными интенсивность инфильтрации в лесопарковой зоне, наоборот, уменьшается в 2 раза (от 2.0^.10^-4 м/сут до 1.0Ч 10^-4 м/сут).