Балансова структура (джерела формування) ЕЗ підземних вод

Р.С. Штенгелов

Це - Один з найважливіших смислових питань при оцінці ЕЗ; необхідність його вивчення спеціально обумовлюється в нормативно-методичних документах. Для чого?

-- Правильне балансової розуміння гідрогеологічних умов дозволяє уникнути логічних, формальних помилок при виборі розрахункових формул, схем, при побудові розрахункових моделей ...

-- Для обгрунтованої орієнтації розвідувальних робіт на ті параметри і процеси, які мають основне балансової значення на конкретному родовищі

-- Для розрахунків якості підземних вод - потрібні часткові складові витрат для розрахунків хімічного змішання

-- Те саме - для оцінки екологічних наслідків водовідбору.

Проблема дуже непроста, тому що найчастіше неможливі прямі польові виміри; необхідно дуже ясне розуміння загальної гідрогеологічної ситуації і балансової-гідродинамічних механізмів при природному і порушеному режимі фільтрації.

Основні теоретичні уявлення

ДО ЕКСПЛУАТАЦІЇ: середньорічний баланс водоносного горизонту (з осредненнимі сезонними коливаннями і тому - з деяким постійним об'ємом води в шарі): обсяг припливу за рахунок усіх видів харчування дорівнює обсягу відтоку за рахунок усіх видів розвантаження

ПРИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ: водовідбору - нова видаткова стаття балансу (штучна розвантаження). Тому після включення водозабору починає формуватися (у повному відповідно до законів систем матеріального світу) нове рівноважний балансової стан, тобто відбуваються кількісні зміни природних балансових процесів, які прагнуть компенсувати виник за рахунок водовідбору дисбаланс. У сукупності ці зміни такі:

-- зменшується обсяг води в шарі на величину , тому що обов'язково (за законами гідрогеодінамікі) повинна утворитися депрессионная воронка;

-- може збільшитися сумарний витрата харчування до величини ;

-- може зменшитися сумарний витрата розвантаження до величини .

Чому харчування збільшується, а розвантаження зменшується?

-- Якщо харчування має "потенційний" характер, тобто відбувається під дією різниці напорів (перетікання з суміжного горизонту, приплив з річок), то при експлуатаційному зниження рівнів різниця напорів може тільки збільшуватися.

-- Якщо харчування має інфільтраційної характер, то при зниженні вільної поверхні інфільтрація теж зростає (до деякої межі), так як зменшується випаровування.

-- Якщо природна розвантаження відбувається з деякою різницею напорів на дренуючої кордоні (розвантаження в русла річок, водойми, висхідними джерелами ...), то при експлуатаційному зниження напорів ця різниця зменшується -- отже, зменшується і витрата розвантаження.

-- Якщо розвантаження відбувається шляхом випаровування, то при експлуатаційному зниження вільної поверхні величина випаровування завжди зменшується.

Термінологічна зауваження: процес зменшення природного розвантаження при експлуатації будемо називати інверсією; вона може бути часткової або повної.

Отже, рівняння балансу водоносного горизонту при роботі водозабору набуває такого принциповий вигляд:

або, враховуючи, що :

Це основне рівняння балансу експлуатаційного водовідбору.

Його фізичний зміст: негативне (щодо балансового знаку) зміна , що виникло в природної збалансованій системі, погашається позитивними змінами Ці позитивні зміни називаються Джерелами формування ЕЗ і складають Балансовий СТРУКТУРУ експлуатаційного водовідбору (БСЕВ).

Питання про пайову співвідношенні можливих джерел формування ЕЗ в кожному випадку дуже складний (від 0 до 100%); для самих простих розрахункових схем можуть бути застосовані аналітичні рішення, для складних (точніше, реальних) - використовується моделювання фільтрації.

Принципово важливо: величина (або саме існування) кожної компоненти БСЕВ визначається конкретної гідрогеодінаміческой ситуацією, тобто залежить від параметрів, граничних умов, часу, схеми та розташування водозабору та ін

Прості балансові вправи: водоносний горизонт у вигляді посудини

Рис. 1

I. Водоносний горизонт має лише розміром ;

харчування, стоку і розвантаження немає (рис. 1)

-- Режим при водовідбору буде постійно нестаціонарним

-- Водовідбору можливий тільки протягом деякого часу:

Рис 2.

II. Витрата харчування не залежить від положення рівня (мал. 2 )

-- Питання: а витрата розвантаження залежить? Так.

Варіанти співвідношення дебіту водовідбору і витрати харчування:

А)

-- який режим рівнів при водовідбору? У межі стаціонарний.

-- де буде розташовуватися рівень? Вище рівня розвантаження.

-- які відбудуться балансові зміни? Зменшиться витрата розвантаження на величину (часткова інверсія розвантаження).

-- загальний вигляд балансового рівняння при настанні стаціонарного режиму: , т . е.

Б)

Всі так само, як у попередньому випадку: стаціонарний режим, але рівень буде розташовуватися на рівні розвантаження, а розвантаження інверсіруется повністю, тобто Проте, принциповий вид балансового рівняння зберігається:

В) У разі перевищення величини водовідбору над витратою харчування режим рівнів буде зберігатися нестаціонарним і після повної інверсії розвантаження. Водовідбору з таким дебітом може зберігатися лише протягом деякого часу , після чого дебіт водовідбору повинен бути зменшений.

Балансові рівняння після інверсії розвантаження має вигляд

Рис. 3.

II. Витрата харчування залежить від положення рівня.

Реалізуємо такий механізм додаванням ще однієї судини з більш високим положенням рівня (аналог суміжного водоносного горизонту). Живлення відбувається за рахунок різниці рівнів - в непорушених умовах при величина харчування (рис. 3).

Варіанти співвідношення дебіту водовідбору і витрати харчування:

А)

-- який режим рівнів при водовідбору? Стаціонарний.

-- де буде розташовуватися рівень? Вище рівня розвантаження (але вище, ніж у варіанті II. Чому?)

-- які відбудуться балансові зміни? Зменшиться витрата розвантаження на величину (часткова інверсія розвантаження) і , крім того, збільшиться інтенсивність харчування на величину , тому що зросла величина різниці рівнів .

-- загальний вигляд балансового рівняння: або

Б)

Стаціонарний режим, але рівень буде розташовуватися вище рівня розвантаження, тобто розвантаження не інверсіруется повністю. Принциповий вигляд балансового рівняння зберігається:

В) Нарешті, навіть у разі перевищення величини водовідбору над витратою харчування можливо стаціонарний стан режиму рівнів (до деякого критичного значення ).

Вид балансового рівняння колишній:

Хотілося б сподіватися, що в уважного читача вже виник принциповий балансовий питання: а чому ж рівень в суміжному посудині - "горизонті" залишається постійним? Дійсно, картинка на рис. 1.7 не містить інформації про механізм власного харчування другий ємності. Які варіанти тут можливі?

-- Якщо харчування немає, то навіть у природних умовах не могла б існувати різниця рівнів , а при водовідбору рівні в обох судинах вели б себе однаково.

-- А якщо є природне харчування, то який його механізм? Як воно себе поведе при зниженні рівнів в цій пов'язаної системі?

Таким чином, виникає теоретично нескінченна ланцюжок балансової реакції на експлуатаційний водовідбору. Практично ж десь може знайтися така живить межа, яка видасть необхідне збільшення харчування без зміни власного рівня (точніше, при пренебрежимо малий зміну рівня) - зазвичай це великі річки, великі водоймища і т.п.

Отже: стаціонарний режим фільтрації при роботі водозабору може встановитися тільки в тому випадку, якщо в галузі впливу водозабору є живильні і/або дренірующіе кордону, на яких у зв'язку зі зниженням рівнів відбудеться сумарна зміна природних величин харчування та/або розвантаження, що дорівнює величині водовідбору:

де - сумарна зміна витрат через всі кордону.

Практичне правило: при роботі з балансовими залежностями треба домовитися про знак витрати:

+ харчування, - розвантаження. Щоб не помилитися і взагалі не думати про знак, потрібно в гідрогеодінаміческіх формулах завжди ставити на перше місце рівень на кордоні :

(завжди більше нуля!)

В цих формулах - це рівні в прикордонній області пласта, < img src = "http://localhost/uploads/posts/2009-10/1255860444_Balansovaya_struktura_istochniki_formirovaniya_EZ_podzemnyh_vod_38.gif" alt = "" width = "11" height = "10" /> - деякий фільтраційне опір кордону, через яку відбувається водообмін пласта з суміжними елементами гідросфери.

Повернемося до загального балансового рівняння водовідбору і введемо генетичні назви:        

Qе         

=         

V/tе         

+         

Qp         

+         

Qп             

    

ПРИРОДНІ ЗАПАСИ  - Кількість води в шарі (в принципі маса, але для прісних вод можна користуватися обсягом). Незалежно від руху! Величина ЕЗ залежить від розмірів водовмещающей товщі (площа оцінюваної області, потужність пласта) і її ємнісних параметрів (Водовіддача). Залежно від природи Водовіддача розрізняють місткостей і пружні природні запаси. Розмірність обсягу (L3), але в рівнянні балансу представляємо їх витратою, "розмазуючи" обсяг запасів на час водовідбору.

ПРИРОДНІ РЕСУРСИ  (термін і сенс повинні бути відомі з багатьох попередніх навчальних курсів) - сумарна величина живлення водоносного горизонту в природних умовах (отже, і величина природної розвантаження). Звернути увагу: в рівняння балансу водовідбору входить не загальна величина природних ресурсів, що формується в межах певної водозбірній площі, а тільки зміна витрати розвантаження, тобто та частина загальної величини природних ресурсів, яка "схоплена" водозабором за рахунок депресії напорів в областях розвантаження природного потоку (заміна природної розвантаження на штучну, техногенну).

залучати ресурси  - Специфічна балансова категорія, яка виникає тільки при роботі водозабору. Це - сумарний витрата додаткового харчування експлуатованого горизонту (додаткового до чого? до природної інтенсивності живлення). Дві можливості виникнення ПР:

-- в областях природного харчування - воно може підсилитися при експлуатаційному зниження рівнів (раніше вже говорили про це явище - наприклад, посилення перетікання з суміжного горизонту; збільшення інтенсивності інфільтрації при зростанні глибини залягання вільної поверхні ...); різниця між експлуатаційної та природною величиною і є залучені ресурси;

-- в областях природної розвантаження - спочатку інверсія (це використання ЕР!), а після повної інверсії на кордоні виникає зворотне співвідношення напорів і потік зворотного напрямку, якого не було в природних умовах; його повний витрата і є залучені ресурси.

Найважливіше стан:

СТРУКТУРА БАЛАНСУ водовідбору ЗДАТНА До суттєві перетворення ВО ВРЕМЕНИ,

а можлива спрямованість цих перетворень багато в чому залежить від положення водозабору по відношенню до діючих балансової-гідрогеодінаміческім кордонів пласта.

Характерна ілюстрація (рис. 1.8): якщо водозабір розташувати близько до ріки (або до іншої дренуючої кордоні), то досить швидко, при невеликих ще пониженнях вже виникає спочатку , а потім і . Тому може швидко встановитися стаціонар. Якщо ж водозабір далеко від дренуючої кордону, то воронка досягне її через досить значний час (або взагалі не "встигне" це зробити за розрахунковий термін), або в принципі не зможе її досягтив межах допустимих знижень у водозаборі. Величина природного потоку в цих умовах не має ніякого значення для формування балансу водовідбору; основним джерелом формування ЕЗ будуть тільки природні запаси пласта і темп розвитку воронки буде таким же, як і в умовах басейну підземних вод; відповідно - постійна нестаціонар.        

            

Рис. 4. Характер розвитку депрессионных воронок при розташуванні   водозабору на видаленні і поблизу річки     

У зв'язку з цим згадаємо про гідрогеологічної/гідродинамічної раціональності водозабору. Виходить, що існують такі місця, де водозабір розташовувати вигідніше, ніж де-то рядом: краще параметри, легше виявляється сприятливий балансової дію граничних умов. Такі ділянки перш за все слід розглядати як "Родовища підземних вод".

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://web.ru