/>/>
Р.С. Штенгелов
Это- один из важнейших смысловых вопросов при оценке ЭЗ; необходимость егоизучения специально оговаривается в нормативно- методических документах. Длячего ?
— Правильное балансовое понимание гидрогеологических условий позволяет избежатьлогических, формальных ошибок при выборе расчетных формул, схем, при построениирасчетных 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 длярасчетов химического смешения
— То же — для оценки экологических последствий водоотбора.
Проблемаочень непростая, так как чаще всего невозможны прямые полевые измерения;необходимо очень ясное понимание общей гидрогеологической ситуации и балансово-гидродинамическихмеханизмов при естественном и нарушенном режиме фильтрации.
Основные теоретические представления
ДОЭКСПЛУАТАЦИИ: среднегодовой баланс водоносного горизонта (с осредненнымисезонными колебаниями и потому — с некоторым постоянным объемом воды в пласте):объем притока за счет всех видов питания равен объему оттока за счет всех видовразгрузки
/>
ПРИЭКСПЛУАТАЦИИ: водоотбор — новая расходная статья баланса (искусственная разгрузка).Поэтому после включения водозабора начинает формироваться (в полномсоответствии с законами систем материального мира) новое равновесное балансовоесостояние, т.е. происходят количественные изменения естественных балансовыхпроцессов, стремящиеся компенсировать возникший за счет водоотбора дисбаланс. Всовокупности эти изменения таковы:
— уменьшается объем воды в пласте на величину/>, так как обязательно (по законамгидрогеодинамики) должна образоваться депрессионная воронка;
— может увеличиться суммарный расход питания до величины/>;
— может уменьшиться суммарный расход разгрузки до величины/>.
Почемупитание увеличивается, а разгрузка уменьшается ?
— Если питание имеет «потенциальный» характер, т.е. происходит поддействием разности напоров (перетекание из смежного горизонта, приток из рек),то при эксплуатационном понижении уровней разность напоров может толькоувеличиваться.
— Если питание имеет инфильтрационный характер, то при понижении свободнойповерхности инфильтрация тоже возрастает (до некоторого предела), так какуменьшается испарение.
— Если естественная разгрузка происходит с некоторой разностью напоров надренирующей 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 понижениисвободной поверхности величина испарения всегда уменьшается.
Терминологическоезамечание: процесс уменьшения естественной разгрузки при эксплуатации будемназывать инверсией; она может быть частичной или полной.
Итак,уравнение баланса водоносного горизонта при работе водозабора приобретает такойпринципиальный вид:
/>
или,учитывая, что/>:
/>
Этоосновное уравнение баланса эксплуатационного водоотбора.
Егофизический смысл: отрицательное (по балансовому знаку) изменение/>, возникшее в естественнойсбалансированной системе, погашается положительными изменениями />Эти положительныеизменения называются ИСТОЧНИКАМИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЗ и составляют БАЛАНСОВУЮСТРУКТУРУ эксплуатационного водоотбора (БСЭВ).
Вопросо долевом соотношении возможных источников формирования ЭЗ в каждом случаеочень сложный (от 0 до 100%); для самых простых расчетных схем могут быть примененыаналитические решения, для сложных (точнее, реальных) — используетсямоделирование фильтрации.
Принципиальноважно: величина (или само существование) каждой компоненты БСЭВ определяетсяконкретной гидрогеодинамической ситуацией, т.е. зависит от параметров,граничных условий, времени, схемы и расположения водозабора и др.
Простыебалансовые упражнения: водоносный горизонт в виде сосуда
/>
Рис.1
I.Водоносный горизонт обладает только емкостью/>;
питания,стока и разгрузки нет (рис. 1)
— Режим при водоотборе будет постоянно нестационарным
— Водоотбор возможен только в течение некоторого времени: />
/>
Рис2.
II.Расход питания /> не зависит от положения уровня(рис. 2)
— Вопрос: а расход разгрузки /> зависит? Да.
Вариантысоотношения 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 />(частичнаяинверсия разгрузки).
— общий вид балансового уравнения при наступлении стационарного режима:/>, т.е. />
Б)/>
Всетак же, как в предыдущем случае: стационарный режим, но уровень будетрасполагаться 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 будетсохраняться нестационарным и после полной инверсии разгрузки. Водоотбор с такимдебитом может сохраняться лишь в течение некоторого времени />, после чего дебитводоотбора должен быть уменьшен.
Балансовоеуравнение после инверсии разгрузки имеет вид />
/>
Рис.3.
II.Расход питания /> зависит от положения уровня.
Реализуемтакой механизм добавлением еще одного сосуда с более высоким положением уровня(аналог смежного водоносного горизонта). Питание происходит за счет разностиуровней — в ненарушенных условиях при />величина питания /> (рис. 3).
Вариантысоотношения дебита водоотбора и расхода питания:
А)/>
— какой режим уровней при водоотборе? Стационарный.
— где будет располагаться уровень? Выше уровня разгрузки (но выше, чем в вариантеII. Почему?)
— какие произойдут балансовые изменения? Уменьшится расход разгрузки на величину /> (частичнаяинверсия разгрузки) и, кроме того, увеличится интенсивность питания на величину/>, так каквозросла величина разности уровней/>.
— общий вид балансового уравнения:/>или />
Б)/>
Стационарныйрежим, но уровень будет располагаться выше уровня разгрузки, т.е. разгрузка неинверсируется полностью. Принципиальный вид балансового уравнения сохраняется: />
В)Наконец, даже в случае превышения величины водоотбора над расходом питания /> возможностационарное состояние режима уровней (до некоторого критического значения />).
Видбалансового уравнения прежний: />
Хотелосьбы надеяться, что у внимательного читателя уже возник принципиальнейшийбалансовый вопрос: а почему же уровень в смежном сосуде -«горизонте»остается постоянным? Действительно, картинка на рис. 1.7 не содержит информациио механизме собственного питания второй емкости. Какие варианты здесь возможны?
— Если питания нет, то даже в естественных условиях не могла бы существоватьразность уровней/>, а при водоотборе уровни в обоихсосудах вели бы себя одинаково.
— А если есть естественное питание, то каков его механизм? Как оно себя поведетпри снижении уровней в этой связанной системе?
Такимобразом, возникает теоретически бесконечная цепочка балансовой реакции наэксплуатационный водоотбор. Практически же где-то может найтись такая питающаяграница, которая выдаст необходимое приращение питания без изменениясобственного уровня (точнее, при пренебрежимо малом изменении уровня) — обычноэто большие реки, крупные водоемы и т.п.
Итак:стационарный режим фильтрации при работе водозабора может установиться только втом случае, если в области влияния водозабора есть питающие и/или дренирующиеграницы, на которых в связи с понижением уровней произойдет суммарное изменениеестественных величин питания и/или разгрузки, равное величине водоотбора:
/>
где/> - суммарноеизменение расходов через все границы.
Практическоеправило: при работе с балансовыми зависимостями надо договориться о знакерасхода:
+питание, — разгрузка. Чтобы не ошибиться и вообще не думать о знаке, нужно вгидрогеодинамических формулах всегда ставить на первое место уровень на границе/>:
/> ( всегда большенуля! )
Вэтих формулах /> -это уровни в приграничной области пласта, /> — некоторое фильтрационноесопротивление границы, через которую происходит водообмен пласта со смежнымиэлементами гидросферы.
Вернемсяк общему балансовому уравнению водоотбора и введем генетические названия: Qэ =
/>V/tэ +
/>Qp +
/>Qп
/>
/>ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЗАПАСЫ — количество воды в пласте (в принципемасса, но для пресных вод можно пользоваться объемом). Независимо от движения!Величина ЕЗ зависит от размеров водовмещающей толщи (площадь оцениваемойобласти, мощность пласта) и ее емкостных параметров (водоотдача). В зависимостиот природы водоотдачи различают емкостные и упругие естественные запасы.Размерность объема (L3), но в уравнении балансапредставляем их расходом, «размазывая» объем запасов на времяводоотбора.
/>ЕСТЕСТВЕННЫЕ РЕСУРСЫ (термин и смысл должны быть известны измногих предшествующих учебных курсов) — суммарная величина питания водоносногогоризонта в естественных условиях (следовательно, и величина естественнойразгрузки). Обратить внимание: в уравнение баланса водоотбора входит не общаявеличина естественных ресурсов, формирующаяся в пределах некоей водосборнойплощади, а только изменение расхода разгрузки, т.е. та часть общей величиныестественных ресурсов, которая «схвачена» водозабором за счетдепрессии напоров в областях разгрузки естественного потока (заменаестественной разгрузки на искусственную, техногенную).
/>ПРИВЛЕКАЕМЫЕ РЕСУРСЫ — специфическая балансовая категория,возникающая только при работе водозабора. Это — суммарный расходдополнительного питания эксплуатируемого горизонта (дополнительного к чему? кестественной интенсивности питания). Две возможности возникновения ПР:
— в областях естественного питания — оно может усилиться при эксплуатационномпонижении уровней (раньше уже говорили об этом явлении — например, усилениеперетекания из смежного горизонта; увеличение интенсивности инфильтрации привозрастании глубины залегания свободной поверхности...); разность междуэксплуатационной и естественной величиной и есть привлекаемые ресурсы;
— в областях естественной разгрузки — вначале инверсия (это использование ЕР!), апосле полной инверсии на границе возникает обратное соотношение напоров и потокобратного направления, которого не было в естественных условиях; его полныйрасход и есть привлекаемые ресурсы.
Важнейшееположение:
СТРУКТУРАБАЛАНСА ВОДООТБОРА СПОСОБНА К СУЩЕСТВЕННОМУ ПРЕОБРАЗОВАНИЮ ВО ВРЕМЕНИ,
авозможная направленность этих преобразований во многом зависит от положенияводозабора по отношению к действующим балансово-гидрогеодинамическим границампласта.
Характернаяиллюстрация (рис. 1.8): если водозабор расположить близко к реке (или к другойдренирующей границе), то достаточно быстро, при небольших еще понижениях ужевозникает сначала />, а затем и />. Поэтому может быстро установитьсястационар. Если же водозабор далеко от дренирующей границы, то воронкадостигнет ее через весьма значительное время (или вообще не «успеет»это сделать за расчетный срок), либо в принципе не сможет ее достичь в пределахдопустимых понижений в водозаборе. Величина естественного потока в этихусловиях не имеет никакого значения для формирования баланса водоотбора;основным источником формирования ЭЗ будут являться только естественные запасыпласта и темп развития воронки будет таким же, как и в условиях бассейна подземныхвод; соответственно — постоянный нестационар.
/> Рис. 4. Характер развития депрессионных воронок при расположении водозабора на удалении и вблизи реки
Вэтой связи вспомним о гидрогеологической/гидродинамической рациональностиводозабора. Выходит, что существуют такие места, где водозабор располагатьвыгоднее, чем где-то рядом: лучше параметры, легче проявляется благоприятноебалансовое действие граничных условий. Такие участки прежде всего следуетрассматривать как «МЕСТОРОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД».
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта web.ru