Гидрогеодинамические исследования на участках береговых водозаборов вблизи водохранилища

Глава 4. Модельное обоснование ведения и интерпретации опытных откачек в потоке грунтовых вод у реки.

Проанализирован режим понижений уровней воды при откачке в типичных условиях у реки. Модельным экспериментом обоснована методика интерпретации опытной откачки в потоке грунтовых вод у реки. Разработана соответствующая рекомендация по ведению откачки у реки.

Характеристика режима понижений уровней при откачке у реки. Для обоснования характеристики режима понижений уровней при откачке в качестве объекта рассматривается наиболее характерный случай откачки из совершенной скважины, располагаемой вблизи экранированной реки (водоёма) в однородном в плане водоносного горизонта со слабопроницаемым покровом. При этом основными геофильтрационными параметрами являются проводимость водоносного горизонта (Т), упругая емкость (м*), гравитационная емкость (м), коэффициент перетока покрова (ч_п) и коэффициент перетока под водотоком (ч₀).

Для тестирования использовались данные расчётов по программе River (автор И.В. Авилина, http://geo.web.ru, 2007), которые основаны на численно-аналитических решениях (ЧАР) задачи откачки в плановом потоке у реки. Схема расположения куста скважин опытной откачки такова: центральная скважина (ЦС) и две НС (НС1 и НС2) расположены по створу, перпендикулярному к урезу реки, при этом НС1 расположена на урезе реки, а НС2 - посередине между рекой и ЦС. В каждой НС фиксируются понижения напора в водоносном пласте (S), а в НС2 - также понижения свободной поверхности в покрове (S₂⁰). На основе полученных понижений напора в разные моменты времени t построены типичные графики временного прослеживания S-lgt, примеры которых при ч_п = 0.02 и 0.2 сут^-1 приведены на рис. 3.

На графиках S-lgt, представленных на рис. 3, достаточно четко выделяются этапы упругого (I), ложно-стационарного (II), гравитационного (III) и стационарного (IV) режимов. В процессе достижения стационарного режима имеются три момента времени, которые характеризуют этапы откачки: окончание упругого режима (t_упр), окончание ложно-стационарного режима (t_лс) и наступление стационарного режима (t_ст).

Теоретически установлено, что при откачке у реки величина t_упр определяется главным образом отношением м*/ч_п, величина t_лс - отношением м/чп, а величина t_ст - совокупностью отношений м*/ч_п, м/ч_п, 1/ч⁰, характеризующих время за каждый режимный этап, и отношения мL²/Т (L - расстояние от ЦС до уреза реки), характеризующего время развития нестационарного процесса на участке потока от реки до ЦС.

Исходя из тестовых расчетов установлены зависимости вида:

Из выражений (2) следует, что величины t_упр, t_лс и t_ст в значительной степени зависят от значений чп. Наличие слабопроницаемого покрова оказывает существенное влияние на стабилизацию понижения уровней. При этом стационарный режим обычно достигается только при весьма значительной длительности откачки (порядка десятков суток и более), так что при реальной длительности откачки можно вовсе не дожидаться его наступления. В связи с этим существующие рекомендации по интерпретации опытных откачек у реки при стационарном режиме имеют существенное ограничение.

Методика интерпретации данных опытных откачек у реки. Весьма существенна оценка возможностей использования численного моделирования для интерпретации данных нестационарного режима при сравнительно кратковременных откачках, имея в виду, что, как отмечено выше, стационарный режим наступает только после достаточно продолжительной откачки.

В работе проведена интерпретация данных откачки у реки методом численного моделирования при разных длительностях откачек t = 2, 5 и 10 сут с использованием базового теста, рассчитанного по программе River. Результаты данного тестового анализа показывают, что возможно проводить интерпретацию откачек у реки по данным нестационарного режима, формируемого при длительности откачки 2-5 сут (в большинстве случаев при такой продолжительности откачки понижения напора находятся на этапе ложно-стационарного режима и начала гравитационного режима), с обязательным соблюдением условия постоянного дебита.

Вместе с тем на основе временной и пространственной особенностей понижений напора для предварительной оценки параметров Т и ΔL рекомендуется интерпретация данных нестационарного режима двумя упрощенными методами, применительно к обработке данных стационарного режима.

Метод N1: определение параметров по способу стационарных соотношений. Замечено, что после этапа упругого режима понижения напора S₁ в НС1 и S₂ в НС2 практически параллельно развивается во времени (см. рис. 3), что и указывает на более стабильное соотношение понижений . В связи с этим предлагается интерпретация данных нестационарного режима по соотношению понижений напора в парах скважин по аналогии с обработкой данных стационарного режима. Тестовыми расчетами по программе Teis_3 (Р.С. Штенгелов, МГУ, кафедра гидрогеологии, 2006) показано, что при небольшой продолжительности откачки (несколько суток) расчет по способу стационарных соотношений дает удовлетворительный результат для предварительной оценки параметров Т и ΔL.

Метод N2: Определение S_ст по точке перегиба. На рис. 3 отмечено, что на графике S-lgt от ложно-стационарного режима до стационарного режима имеется характерная точка перегиба, причем можно считать

Таким образом, зная S_пер и S_лс, можно определить S_ст по следующему выражению:

На практике к определению точки перегиба нужно применять профессиональный подход и интуицию, при этом особое внимание должно уделяться специальному анализу участка гравитационного режима на графике S-lgt при проведении диагностики, и порой потребуется ещё несколько суток откачки после наступления данного момента, чтобы убедиться в правильности определения данной точки.

Обоснование методики численного моделирования. При проведении численного моделирования для интерпретации данных опытных откачек необходимо обоснование вычислительной схемы сеточной модели, включающее задание размера сеточной модели и шага сетки. Для построения сеточной модели следует прежде всего обосновать её границы: речную, береговую и боковые (см. рис. 4).

Речную границу для реки (водоема) большой ширины можно задавать на расчетном расстоянии L_р = (2~3)B , где , если это расчетное значение меньше действительной ширины реки (водоема). В противном случае эта граница может задаваться непосредственно за рекой.

Теоретически обоснована зависимость размера сеточной модели от величины L и параметра ΔL. При этом модельным экспериментом установлено, что по критерию достижения минимальной разницы между модельным и расчетным понижениями напора при стационарном режиме размер сеточной модели определяется выражением

Вместе с тем по критерию определения параметров (с погрешностью до 5%) по данным стационарного режима размер сеточной модели определяется выражением

При определении параметров Т и ΔL с погрешностью до 5% по данным нестационарного режима требуется имитировать всю область влияния откачки (см. выражение 4).

Определение шагов сетки модели проведено на основе тестирования расчетов на сеточной модели, причем оказалось, что при принятой допустимой погрешности расчетов 5% число блоков между ЦС и водотоком должно быть не менее пяти.

При проведении откачки у реки особое внимание следует уделять дизайну (размещению скважин) опытного куста, который должен включать обоснование расстояния от ЦС до уреза реки, расположение и количество наблюдательных скважин. Результаты тестовых расчетов показывают, что предпочтительным является схема опытного куста с ЦС, располагаемой на расстоянии 50-100 м от уреза реки, и двумя наблюдательными скважинами (НС), располагаемыми по лучу, перпендикулярному урезу водотока - одна вблизи реки на расстоянии порядка мощности водоносного пласта, другая - посередине между рекой и ЦС. Кроме того, для возможности диагностики процесса над второй НС следует устанавливать пьезометр на свободную поверхность. Откачка должна проводиться при постоянном дебите водоотбора и стабильных уровнях воды в реке.

Приведенные обоснования методов интерпретации основаны на тестовом анализе, при котором нарушения процесса обусловлены только погрешностями численных расчетов. В реальных условиях на результаты обработки опытных данных может существенное влияние оказывать неоднородность строения потока подземных вод. Для оценки роли неоднородности потока в интерпретации опытных откачек несомненно требуется проведение натурных исследований в типичных гидрогеодинамических условиях. При этом следует наряду с опытными откачками использовать расчеты по данным режимных наблюдений.

Рекомендуемая методика интерпретации данных опытной откачки проверена на конкретном материале откачки на острове у берега Воронежского водохранилища, и показана эффективность ее применения. При этом показан хороший результат с возможностью определения расчетных параметров даже по данным понижений уровней в одной НС, благодаря тому, что используемая методика интерпретации основывается на моделировании нестационарного процесса откачки.