Балансовая структура (источники формирования) ЭЗ подземных вод
Балансовая структура (источники формирования) ЭЗ подземных вод
Р.С. Штенгелов
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 питания равен объему оттока за счет всех видов разгрузки
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:
- 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 долевом соотношении возможных источников формирования ЭЗ в каждом случае очень сложный (от 0 до 100%); для самых простых расчетных схем могут быть применены аналитические решения, для сложных (точнее, реальных) - используется моделирование фильтрации.
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
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:
Рис 2.
II. Расход питания
не зависит от положения уровня (рис. 2)
- 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. Водоотбор с таким дебитом
может сохраняться лишь в течение
некоторого времени
,
после чего дебит водоотбора должен быть
уменьшен.
Балансовое уравнение после инверсии
разгрузки имеет вид
Рис. 3.
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. 3).
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 знаке расхода:
+ 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:
|
Qэ |
= |
|
+ |
|
+ |
|
|
|
V/tэ
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 (L3) , 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. 4. 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 следует рассматривать как "МЕСТОРОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД".
Список литературы
Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа