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	+	Qp	+	Qп

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".