книги из ГПНТБ / Боревский Б.В. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек

Б . В . Б О Р Е В С К И Й , Б . Г . С А М С О Н О В , Л . С. Я З В И Н

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ ПО ДАННЫМ ОТКАЧЕК

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н Е Д Р А» М о с к в а 1973

В В Е Д Е Н И Е

Опытно-фильтрационные работы являются одним из основных видов гидрогеологических исследований, проводимых при решении самых разнообразных народнохозяйственных задач. Особенно боль­ шое значение этот вид работ имеет при поисках и разведках подзем­ ных вод для водоснабжения и орошения, на которые в системе Мини­ стерства геологии СССР расходуется 50—60% общих ежегодных госбюджетных ассигнований по отрасли «Гидрогеология и инженер­ ная геология».

В связи с этим усовершенствование методики проведения опытнофильтрационных исследований и обработки их данных приобретает особую важность, особенно учитывая их первостепенное значение в общем комплексе поисково-разведочных работ на подземные воды.

Методике проведения опытных работ и обработке их результатов посвящена обширная литература. Однако в работах, появившихся до шестидесятых годов, не учитываются последние достижения дина­

проведения и обработки данных опытных работ базируется на совре­ менной гидродинамической теории, практически излагается только технология обработки данных откачек применительно к некоторым идеализированным условиям без должного учета конкретных при­ родных особенностей месторождений подземных вод. В то же время разнообразие гидрогеологических условий, в которых проводятся опытно-фильтрационные исследования, сложный характер форми­ рования режима подземных вод при опытных откачках, когда оди­ наковые закономерности изменения расходов и уровней могут быть вызваны влиянием самых разнообразных факторов, — все это тре­ бует обязательного анализа и интерпретации данных опытных работ

стоящее время получено большое количество решений для определе­ ния гидрогеологических параметров. Однако, несмотря на их высо­ кую теоретическую обоснованность, не все из имеющихся методов равнозначны в конкретных природных условиях.

Авторы поставили перед собой задачу изложить основы методики обработки данных опытных работ и их интерпретации с учетом спе­ цифических особенностей водоносных горизонтов в различных гид­ рогеологических условиях, а также дать рекомендации по методике

постановки и проведения опытных работ при поисках и раз­ ведке подземных вод для водоснабжения. При этом, в отличие от имеющихся литературных источников, большинство методов обра­ ботки и интерпретации данных опытных откачек и выпусков пока­ зано на материалах конкретных гидрогеологических исследований, выполненных при поисках и разведке подземных вод в различных природных условиях.

При составлении книги был использован большой фактический материал по опытно-фильтрационным исследованиям, проведенным на конкретных объектах разведки различными производственными организациями Министерства геологии СССР.

Настоящую книгу нельзя рассматривать как сводную работу, в которой приводится полная характеристика всех методов обра­ ботки и интерпретации данных опытно-фильтрационных исследо­ ваний. Основная задача книги — изложение методики пр'оведения опытно-фильтрационных исследований и обработка их результатов для водоснабжения. В книге изложены только те методы, которые, с точки зрения авторов, являются наиболее целесообразными в ана­

зависимостей дебита от понижения, учет сопротивления в стволе скважины и фильтра, а также другие факторы (температура, газо­ вый фактор и проч.), которые особенно заметно проявляются в глу­ боких скважинах. Определение параметров по данным эксплуата­ ции в работе не рассматривается.

Книга рассчитана на широкий круг инженеров-гидрогеологов, занимающихся поисками и разведкой подземных вод для водоснабже­ ния. Она может быть также использована при обработке данных опытно-фильтрационных работ, проводимых при решении других задач (разработка месторождений полезных ископаемых, исследова­ ния для ирригации, гидротехническое строительство и т. д.), а также быть полезна студентам-гидрогеологам при прохождении курсов «Методика гидрогеологических исследований» и «Поиски и разведка подземных вод».

Работа авторов при составлении книги распределялась следую­ щим образом: раздел 1 главы 2, главы 6, 7 и 11 написаны Б . В . Бо -

Г л а в а 1

ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ОТКАЧЕК, ХАРАКТЕРИСТИКА РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ И Х ПРОВЕДЕНИИ

ВРАЗЛИЧНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

1. В И Д Ы О Т К А Ч Е К И И Х Н А З Н А Ч Е Н И Е

Внастоящее время все откачки, которые проводятся при поисках

иразведке различных типов месторождений подземных вод, могут быть подразделены на следующие три вида: пробные, опытные и опытно-эксплуатационные. Различие в назначении этих трех видов откачек определяет и методику их проведения, что находит отражение главным образом в продолжительности опытных работ и конструк­ ции опытного куста. В связи с этим для проведения опытных работ необходимо прежде всего четко установить задачи, для решения которых проектируются опытно-фильтрационные исследования.

Наиболее массовым видом откачек при поисках и разведке под­ земных вод являются пробные откачки, которыми опробуются прак­ тически все скважины, пробуренные в процессе гидрогеологических исследований (поисковые, разведочные, наблюдательные). Эти откачки (выпуски) производятся для предварительной оценки филь­ трационных свойств водовмещающих пород и качества подземных вод для получения сравнительной характеристики различных уча­ стков и зон.

Основным видом гидрогеологических работ, проводящихся на стадиях предварительной и детальной разведки, являются опытные откачки.

Опытные откачки проводятся для решения следующих вопросов: 1) определение основных гидрогеологических параметров водо­ носных горизонтов (коэффициентов фильтрации, водопроводимости, пьезо- и уровнепроводности, водоотдачи, перетекания, приведенного радиуса влияния, суммарного сопротивления русловых отложений); 2) изучение граничных условий водоносных горизонтов в плане и разрезе (взаимосвязи подземных и поверхностных вод, взаимодей­

ствия смежных водоносных горизонтов и т. д . ); 3) установление зависимости между дебитом скважины и пони­

жением уровня в ней;

с

о

4) определение величин срезок уровня в пределах участка рас­ положения водозабора при совместной работе эксплуатационных скважин.

В зависимости от наличия или отсутствия наблюдательных сква­ жин опытные откачки подразделяются на кустовые и одиночные. Одиночные опытные откачки проводятся для установления зависи­ мости дебита от понижения. В связи с этим, в отличие от пробных, одиночные опытные откачки проводятся с двумя-тремя ступенями дебита. Кустовые откачки — основной вид опытных работ, когда задачей откачек является определение гидрогеологических парамет­ ров, изучение граничных условий, опытное определение величин срезок уровня. Разновидность кустовых откачек — опытные группо­ вые откачки, которые целесообразно проводить для изучения усло­ вий взаимосвязи водоносных горизонтов и определения основных гидрогеологических параметров в тех случаях, когда отбор воды из одиночной скважины не может обеспечить необходимой точности расчетов в связи с незначительными абсолютными величинами пони­ жений уровня.

Опытно-эксплуатационные откачки из одной или нескольких скважин проводятся только на стадии детальной разведки в сложных гидрогеологических и гидрохимических условиях, которые не могут быть отображены в виде расчетной схемы.

Цель опытно-эксплуатационных откачек — установление законо­ мерностей изменения уровней подземных вод или их качества при заданном водоотборе.

При проектировании опытно-эксплуатационных откачек в слож­ ных гидрохимических условиях следует учитывать, что проведение их для установления опытным путем изменения качества воды целе­

на близком (несколько десятков метров) расстоянии от контура рас­ пространения привлекаемых подземных вод некондиционного состава. При больших расстояниях время передвижения контура измеряется годами, и изменение качества не может быть оценено в процессе откачек.

В зависимости от стадии гидрогеологических исследований, гидро­ геологических условий и применяемого метода оценки эксплуата­ ционных запасов подземных вод по данным откачек может решаться или одна из перечисленных задач, или сразу несколько.

В большинстве случаев опытно-фильтрационные работы прово­ дятся в основном для определения гидрогеологических параметров, однако нередко откачки проводятся для решения других задач (например, при применении гидравлического метода оценки эксплуа­ тационных запасов подземных вод). В связи с тем что конечной целью опытно-фильтрационных работ является получение необходимых данных для количественной оценки основных источников формиро­ вания эксплуатационных запасов подземных вод, при назначении методики работ необходимо учитывать практическую возможность

установления тех или иных из этих источников в процессе проведе­ ния опытных откачек. Кроме того, при проектировании откачек, целью которых является определение гидрогеологических парамет­ ров, важно оценить влияние различных границ пласта (в плане и разрезе) и специфических особенностей строения водовмещающих пород на закономерности снижения уровня подземных вод. Это необ­ ходимо для учета влияния этих факторов при последующих расчетах параметров. Для анализа этих вопросов рассмотрим закономерности изменения уровней подземных вод во времени (закономерности режима подземных вод при откачках) в различных гидрогеологиче­ ских условиях.

2, Р Е Ж И М Д В И Ж Е Н И Я П О Д З Е М Н Ы Х В О Д П Р И О Т К А Ч К А Х В Р А З Л И Ч Н Ы Х Г И Д Р О Г Е О Л О Г И Ч Е С К И Х У С Л О В И Я Х

Процесс развития депрессионной воронки во время откачки является достаточно сложным, так как формирование уровенной поверхности происходит под воздействием целого ряда факторов, из которых в первоначальный период важнейшими являются осушение пласта (в безнапорных горизонтах) или влияние упругого режима (в напорных горизонтах). При увеличении длительности откачки размеры депрессии становятся столь значительными, что в некоторых случаях на ее формирование начинают оказывать существенное влияние процессы перетекания из ниже- и вышележащих горизон­ тов, привлечение подземных вод, разгружающихся в естественных условиях, а также различные границы пласта в плане и разрезе. В ряде случаев на закономерные изменения уровня во времени, вызванные отбором подземных вод при откачках, накладываются естественные колебания уровня. Кроме того, характер изменения уровня может осложняться техническими факторами (например, колебаниями дебита в процессе откачки).

Таким образом, режимподземных вод при опытных откачках определяется тремя группами факторов:

Наибольшее влияние на режим подземных вод при опытных откачках оказывает первая группа факторов. Поэтому рассмотрим кратко закономерности режима в различных типовых гидрогеологи­ ческих условиях, характеризующихся различными условиями на границах водоносного горизонта в плане и разрезе и строением водо­ вмещающих пород.

По особенностям режима подземных вод, которые следует учиты­ вать при анализе данных опытно-фильтрационных исследований и определении основных гидрогеологических параметров, целесооб­ разно следующим образом типизировать гидрогеологические условия.

1. Неограниченные водоносные горизонты, однородные по проницае­ мости и изолированные в кровле и подошве:

в) напорные и безнапорные водоносные горизонты в трещино­

а) , водоносные горизонты, связанные с поверхностными водо­ токами и водоемами;

б) водоносные горизонты, ограниченные непроницаемыми кон­ турами;

в) водоносные горизонты, состоящие из отдельных зон с различ­ ными водопроводимостью и (или) водоотдачей;

г) участки водоносных горизонтов с локальными очагами пита­ ния и разгрузки.

Коротко проанализируем закономерности изменения уровня в выделенных типовых условиях при откачках, проводящихся с постоянным дебитом. Более подробный анализ каждого типа будет дан в соответствующих главах .

Режим подземных вод при опытных откачках из неограниченных напорных водоносных горизонтов в рыхлых отложениях

В напорном изолированном пласте понижения уровня форми­ руются в результате проявлений упругого режима подземных вод. Зависимость между понижением уровня и временем описывается уравнением Тейса, имеющим следующий вид [182]:

от скважины, в которой фиксируется понижение, до скважины из которой проводится откачка) интегральная функция Et становится

Время, по истечении которого допустима замена интегральной функции логарифмической, получило название времени наступле­ ния квазистационарного режима, а зона, в которой действует логари­ фмическая зависимость между понижением и временем, — зоны (области) квазистационарного режима. Отличительной особенностью этой зоны является одинаковый темп снижения уровня во всех точ­ ках, расположенных в ее пределах. Другими словами, в этой зоне кривые депрессии во времени перемещаются параллельно самим себе.

Р и с . 1. Закономерности изменения уровня при откачках в типовых гидрогеологи­ ческих условиях:

а — неограниченный напорный однородный пласт; б — безнапорный пласт; в — трещинный и трещинно-карстовый пласты; г — двухслойная толща с изменяющимся напором в верхнем слое; 9 — слоистая толща с постоянным напором в верхнем слое; е — слоистая толща с раз­

перетекании в питающем горизонте; 5 — при несовершенной связи с рекой; в — при совер­ шенной связи с рекої

Таким образом, в напорном изолированном пласте понижение уровня через определенное время после начала откачки связано с логарифмом времени прямолинейной зависимостью. Это положение послужило основой графоаналитического метода определения рас­ четных параметров путем анализа графиков S — lg t. Ход измене­ ния уровня в напорном изолированном пласте в полулогарифмиче­ ском масштабе показан на рис. 1 , а. На графике S = f (lg t) выде­ ляются два участка. На первом участке (/) Точки графика не ложатся