Прогнозирование состояния подземных вод. Прогноз состояния подземных вод в связи с их эксплуатацией.
Основным видом гидрогеологических прогнозов в связи с охраной подземных вод и их эксплуатационных ресурсов от истощения является определение величины эксплуатационных запасов подземных вод как предела их рациональной эксплуатации. При расчете запасов подземных вод должна быть показана возможность их эксплуатации наиболее рациональной системой водозаборных сооружений с расчетной величиной водоотбора в течение определенного расчетного срока или неограниченно долгого времени при условии удовлетворения качества подземных вод заданному назначению в течение всего эксплуатационного периода.
Для оценки эксплуатационных запасов подземных вод устанавливается величина допустимого понижения уровня в водозаборных сооружениях. Прогнозирование уровенного режима эксплуатируемого водозабора производится гидродинамическим, гидравлическим, балансовым методами и методом гидрогеологических аналогий. Эти методы подробно освещены в специальной литературе.
Рассмотрим вопросы изменения качества подземных вод на эксплуатируемом водозаборе.
При наличии области загрязненных или некондиционных вод на определенном расстоянии х, от эксплуатационной скважины и группы скважин ("большой колодец") время подтягивания загрязненных вод в плоско радиальном потоке в любую точку, находящуюся на расстоянии х2 (по линии тока) от водозабора, определяется по формуле:
где Q — дебит водозаборного сооружения, м3/сут.; т — мощность водоносного горизонта, м; п — пористость водоносных пород.
Если требуется найти время поступления к водозаборному сооружению первых порций загрязненной воды, то х2 ~ О, и тогда
Если же рассматривать любую точку фронта загрязнения, перпендикулярного к линии тока водозабор — х,, отстоящую на расстоянии yt от этой линии, то время движения от этой точки будет равно:
где — расстояние по кратчайшей линии от границы за
где г, и г2 — соответственно начальное и конечное положения точки.
В условиях "потока" время движения загрязненных вод внутри области питания по главной линии тока от границы загрязненных вод до участка водозабора определяется по формуле:
грязненных вод до водозаборного сооружения, м; v. — скорость естественного потока подземных вод, м/сут.
Знак "+" или "—" соответствуют движению по потоку или против потока; в последнем случае х, абсцисса имеет отрицательное значение.
где х, и ух — абсцисса и ордината начального положения.
Рассмотренный подход к прогнозу продвижения фронта загрязнения предполагает простой — "поршневой" характер вытеснения одной жидкости другой. Однако это лишь грубая модель реального процесса. Другой подход учитывает случайный характер строения микропористой среды, неодинаковые размеры поровых каналов, процессы молекулярной диффузии и сорбции, вследствие чего "поршневое" вытеснение нарушается, жидкости на границе раздела смешиваются, образуя языки. Происходит рассеяние, или дисперсия, границы раздела двух жидкостей.
Длина зоны дисперсии
где D — коэффициент фильтрационной диффузии (дисперсии), м2/сут.; t — время, сут.; а' = 6,6 для плоскопараллельного потока и а' = 4,7 для плоскорадиального потока.
Пресные и загрязненные воды в общем случае различаются по своим плотностям. При движении жидкостей с разными плотностями происходит деформация границы раздела, выражающаяся в формировании "языка" более тяжелой жидкости в подошве пласта. Если принять, что первоначальная граница пресных и загрязненных (соленых) вод была вертикальной и что загрязненная вода характеризуется большей плотностью, то в дальнейшем эта граница раздела становится наклонной вследствие того, что более плотная (загрязненная) вода "подпирает" более легкую (пресную) воду и в подошве пласта образуется "язык" загрязненных вод. Если же, наоборот, загрязненная жидкость обладает меньшей плотностью, чем пресная вода, то "язык" загрязнения будет формироваться в кровле пласта. Длина зоны деформации границы раздела пресных и загрязненных вод вследствие различия их плотности равна:
где кип — соответственно коэффициент фильтрации и пористость водоносных пород; т — толщина водоносного горизонта, м; рп и рс — плотности пресных и загрязненных вод, кг/м3; t — время, сут.; а = 4 — для плоскопараллельного потока и а = 2,8 — для радиального потока.
Время движения от любой другой точки границы загрязненных вод определяется зависимостью:
Общая длина пути движения более плотных вод складывается из пути L0, определенного по схеме поршневого вытеснения, длины зоны дисперсии Z, и длины зоны деформации Ь2, т.е.
Прогноз изменения показателей качества подземных при подтягивании некондиционных вод из выше и ниже залегающих водоносных горизонтов может быть выполнен в следующей последовательности. Вначале производится расчет балансовых составляющих для объема воды, привлеченной к водозаборному сооружению за определенный период эксплуатации. Вертикальный переток через разделяющие слабопроницаемые слои происходит под воздействием градиента давлений АН в питающем и эксплуатируемом водоносных горизонтах со скоростью:
где к, т, п — коэффициент фильтрации, мощность и пористость разделяющего слоя.
При известной площади депрессии в эксплуатируемом водоносном горизонте объем перетока воды из смежных горизонтов может быть определен из соотношения:
где W — объем перетока воды за время t, сут.; F — площадь участка перетока, м2.
Зная темпы понижений в эксплуатируемом и смежных водоносных горизонтах, можно оценить балансовые составляющие подземных вод, отобранных за любой срок. Искомые величины концентрации различных компонентов в откачиваемой воде оцениваются как результат смешения исходных объемов воды из основного и смежных водоносных горизонтов, имеющих заданные параметры качества, по формуле:
где Спр — прогнозная концентрация компонентов в подземных водах, г/м3; Q],Q2'03 — приток подземных вод по эксплуатируемому водоносному горизонту, из вышезалегающего и нижезалегающего водоносных горизонтов, соответственно, м3/сут.; С,,С2,С3 — концентрация компонента в подземных водах основного эксплуатируемого водоносного горизонта, вышезалегающего и нижезалегающего водоносных горизонтов, соответственно, г/м3.
Для прогноза состояния подземных вод служат и расчеты размеров поясов зоны санитарной охраны.
