Формирование качества воды на приречных водозаборах

Прогноз качества воды, извлекаемой приречными водозаборами, базируется на предполагаемой структуре баланса эксплуатационного водоотбора.

Наиболее уязвимым компонентом являются привлекаемые ресурсы, т.к. качество воды в речном стоке очень часто бывает "неважным" в связи с естественной русловой метаморфизацией (в частности, биологические процессы), многочисленными бытовыми и промышленными сбросами (отнюдь не всегда через очистные сооружения), судоходством и т.д. Поэтому важнейший вопрос - размер зоны захвата, в первую очередь - положение "водораздельной" точки А. Если приведенный расход  может быть оценена либо аналитически (при относительно небольшом несовершенстве реки), либо на модели. Каждый блок модели, содержащий контур граничного условия 3 рода длиной , в исходных данных обеспечивается значением "дополнительной проводимости " :

= (для "широких" рек, являющихся внешней границей модели)

= (для "узких" рек).

Исходя из полученных на модели значений уровней H (или понижений S) подземных вод и заданных граничных уровней , рассчитываются расходы привлечения из реки для тех блоков, где  ( или) :

 или .

Для оценки угрозы бактериального загрязнения из реки рассчитывается время "добегания" речной воды до водозабора. Очевидно, что скорость движения воды на участке между урезом реки и водозабором будет заметно меняться - увеличиваться по мере приближения к водозабору (радиальная структура течения). Поэтому нужно использовать дифференциальное описание. При совершенном характере реки условие нулевого понижения на урезе учитывается введением зеркально (относительно уреза) отображенной скважины с равным дебитом противоположного знака (рис. 7.8).

Рис.7.8. К расчету времени добегания речной воды до водозабора

 Градиент напора в любом потоке . Градиент напора в произвольной точке М равен сумме градиентов от действия реальной (с дебитом ) и отраженной () скважин:

.

Скорость фильтрации в радиальном потоке:

,

откуда .

Действительная скорость движения воды к водозабору . С другой стороны, в точке М ее можно выразить через скорость фильтрации и активную пористость:

.

Теперь можно записать дифференциальное уравнение

с разделяющимися переменными

.

Интегрируя его в пределах от 0 до t по времени и соответственно от L0 до 0 по длине, получаем:

откуда окончательно

.

Для "типового" набора параметров (Q = 3 тыс. куб.м/сут, L0 = 200 м, m = 20 м, n0 = 0.1) время добегания речной воды составляет около 55 суток, т.е. заметно меньше времени выживания болезнетворных микроорганизмов в подземных водах. Некоторый запас в этом расчете может дать несовершенство реки за счет глинистых подрусловых отложений, которые могут выполнять роль "грунтового фильтра", однако достоверной методики расчетов для таких условий пока нет.

При обосновании размеров зоны санитарной охраны для приречных водозаборов руководствуются следующими соображениями:

Если приведенный расход < 1 (т.е. привлечение из реки отсутствует), то расчет ЗСО производится как для неограниченного пласта.

В размер ЗСО вниз по потоку включается весь участок между водозабором и урезом реки (). При этом надо иметь в виду, что граница пояса II может не достигать уреза реки, если время добегания речной воды  будет больше 200 ÷ 400 суток. В вышерассмотренном примере такая ситуация существовала бы, если бы водозабор был удален от реки на расстояние, т.е. более, чем на 380 м. Попутно отметим, что при таком удалении от реки привлечение речных вод в ощутимых размерах будет существовать только при расходах естественного потока 1.5÷2 кв.м/сут.

Размер ЗСО вверх по потоку  (вглубь берега) вычисляется из уравнения:

,

где , ,  имеет смысл нормативного времени для расчета размера поясов II и III.

Полуширина ЗСО вычисляется по зависимости

 

Все зависимости приведены для совершенной реки. Они могут быть использованы и при относительно небольшом несовершенстве с заменой расстояния  на () во всех выражениях, включая расчет . При значительном несовершенстве реки (в частности, для "узких" рек) использование аналитических расчетов может давать некорректные результаты; в таких случаях целесообразно прибегнуть к моделированию.

Расчеты водозаборных сооружений на приречных месторождениях

Аналитические расчеты скважин и их систем в условиях взаимодействия с поверхностным водотоком (водоемом) являются "классической" задачей гидрогеодинамики. Базовые решения для одиночной скважины и для равномерного равнодебитного ряда скважин, параллельного урезу реки, мы же рассматривали при характеристике гидродинамического метода оценки ЭЗ подземных вод. С их помощью могут быть получены решения для других контурных систем (например, для поперечных рядов, применяемых в долинах временных водотоков) и для неупорядоченной расстановки разнодебитных скважин.

В большинстве случаев основной водоносный горизонт на приречных месторождениях имеет грунтовый характер, что требует учета изменения его проводимости при образовании депрессионной воронки. Принимая, что среднее значение проводимости примерно равно , где  - мощность ("глубина") безнапорного потока в ненарушенном состоянии и в точке работающей скважины (соответственно), а понижение уровней , получим после простых преобразований:

,

.

Моделирование приречных водозаборов применяется, как правило, для относительно крупных месторождений со сложной геометрией речных контуров и других граничных условий, при существенной неоднородности параметров пласта и граничных условий. Основного внимания здесь требует рациональная разбивка модельной сетки, наилучшим образом аппроксимирующая контуры речной сети, особенно в области наибольшей деформации потока на участке между водозабором и контурами речной сети.

Расчеты "дополнительной проводимости" для граничного условия 3 рода рассмотрены нами выше.

Использование моделирования позволяет максимально достоверно учесть развитие явлений отрыва депрессионной воронки от ложа несовершенных рек. Возможность их возникновения следует предварительно оценить по аналитическим критериям. В описании исходных данных для каждого узла сетки с граничным условием 3-го рода должен присутствовать показатель "Уровень отрыва", отвечающей при решении "в напорах" - отметке подошвы экрана в принятой системе отсчета напоров, а при решении "в понижениях" - величине критического понижения . Если такой показатель в описании исходных данных отсутствует (редакция его наименования может быть, разумеется, иной), то следует выяснить, способна ли применяемая программа моделирования к реализации конверсии граничного условия 3-го рода.

Общие положения методики разведки

Наиболее важным балансово-гидрогеодинамическим признаком приречных МПВ является взаимодействие депрессионной воронки с рекой.

С балансовой точки зрения это означает активное участие ЕР в формировании баланса ЭЗ (инверсия естественной разгрузки) и возможное возникновение ПР в виде фильтрации из реки.

С гидрогеодинамической точки зрения: достаточно быстро устанавливается стационарный режим понижений.

С точки зрения методики разведки: кроме проводимости продуктивного горизонта (всегда важный параметр, линейно влияющий на величины понижений), чрезвычайно ответственными являются параметры взаимодействия основного водоносного горизонта с рекой (). Этими параметрами определяется выбор места расположения водозаборного участка - max T, min f0, opt L0.

Отсюда - важнейшие задачи поисково-разведочных работ:

- Изучение генетических закономерностей распределения проводимости основного горизонта Т, поиск участков с Tmax, опробование для оценки расчетных значений и построения карты Т

- Изучение генетических закономерностей изменчивости фильтрационного сопротивления подрусловых экранов, поиск участков рек с минимальными f0, их опробование для оценки расчетных значений.  

При проектировании опытно-фильтрационных опробований нужно учитывать особенности интерпретации откачек у реки, известные студентам из курса "Гидрогеодинамика":

- в схеме куста особого внимания требует нормированное расположение наблюдательных скважин относительно центральной и уреза реки (включая и "заречный" пьезометр для относительно узких рек), что существенно повышает достоверность и однозначность интерпретации;

- длительность опытов должна быть достаточной для уверенного заключения об истинной стабилизации понижений;

- выбор периода проведения откачек должен гарантировать устойчивый гидрологический режим на протяжении опытов; в любом случае в систему наблюдений должен входить уровенный пост на реке. При проектировании длительных откачек, когда избежать значимых колебаний уровня реки проблематично, в составе наблюдений следует предусматривать "независимую" скважину вне зоны влияния откачки, что позволяет при необходимости ввести поправки на основе корреляционных связей, установленных при совместных наблюдениях (до и после опыта) в скважинах куста и в "независимой" скважине.  

Изучение условий взаимосвязи подземных и поверхностных вод чрезвычайно важно с точки зрения оптимального выбора местоположения водозаборного участка (участков) и общей достоверности всех прогнозных расчетов. Особенно это важно для малых рек, играющих роль внутренних границ и весьма чувствительных (в силу малой водности) к воздействию длительного эксплуатационного водоотбора. Следует стремиться к возможно более широкому комплексированию разнообразных прямых и косвенных методов, начиная с маршрутных гидрогеологических и гидрографических наблюдений. К числу таких методов относятся (кроме вышеназванных опытно-фильтрационных опробований):

Единовременная меженная гидрометрическая съемка в зоне месторождения с целью характеристики неоднородности естественной русловой разгрузки в реки. Важным количественным показателем является линейный модуль разгрузки (расход двусторонней русловой разгрузки на единицу длины водотока):

,

где - приращение расхода реки на участке длиной.

Величину линейного модуля разгрузки можно использовать для ориентировочной оценки обобщенного сопротивления подрусловых отложений на данном участке реки. Полагая, что русловая разгрузка с обоих берегов имеет симметричный характер (рис. 7.9), можно записать, используя ранее введенные обозначения: 

,

где через  обозначено "линейное" (на единицу длины русла при его ширине ) фильтрационное сопротивление подруслового экрана:

 [] .

Соответственно [сут].

Очевидно, что такие оценки применимы лишь на малых реках, где абсолютные и относительные величины  превышают реальные погрешности гидрометрических работ.

Рис. 7.9.

Русловые гидрогеофизические работы (профилирование), включающие: 

а) измерение потенциалов естественного электрического поля донных отложений и выявление их положительных и отрицательных аномалий, отвечающих (соответственно) более интенсивной разгрузке подземных вод или поглощению речных, 

б) резистивиметрию речной воды (в придонном слое), реагирующую на изменения удельного электрического сопротивления воды на участках интенсивной русловой разгрузки подземных вод, 

в) термометрию донных отложений и речной воды, фиксирующую температурные аномалии на участках дна водотока, где происходит более интенсивная разгрузка подземных вод 

(напомнить, что студенты знакомились с таким комплексом русловой геофизики на Звенигородской учебной практике).

Режимные наблюдения для оценки параметра сопротивления ложа водотока - как по стационарным состояниям потока в период устойчивой межени, так и по периодам активного нестационарного режима в половодье и при продолжительных паводках (гидродинамическое обоснование этих методов и условия их применения и выбора представительных периодов для оценок известны студентам из курсов "Гидрогеодинамика" и "Геогидрология").  

Еще одной важнейшей задачей поисково-разведочных работ является оценка расчетных величин подземного и поверхностного стока, гарантирующих (с высокой вероятностью превышения) балансовую обеспеченность водоотбора даже в критические периоды водности. По нормативным требованиям надежности водоподачи для хозяйственно-питьевых водозаборов, обслуживающих относительно крупные городские поселения, в качестве критического периода рассматривается календарный месяц или произвольный 30-суточный период минимального (в данной климатической зоне) стока, а расчетная величина стока за этот период должна быть приведена к вероятности превышения (обеспеченности) 85-95%, т.е. в 85-95 случаях из 100 реальная величина стока будет выше расчетной.

Общая идея и техника выполнения операций приводки студентам известна из курса "Статистическая обработка гидрогеологических данных". Напомним лишь коротко, что гидрометеорологические процессы в силу их многофакторности являются случайными и для их анализа применяются вероятностно-статистические подходы. За относительно кратковременный период разведки (несколько лет даже для наиболее крупных месторождений) не может быть получен представительный ряд многолетних режимных стоковых наблюдений, поэтому обычно используют приемы корреляции между наблюдаемыми створами на месторождении (короткие ряды) и длинными рядами наблюдений на стационарных створах Гидрометслужбы на той же реке или на ближайших реках. Проблема заключается в обосновании гидролого-гидрогеологической аналогии соответствующих водосборных бассейнов. Для этой работы, как правило, привлекают специалистов-гидрологов.