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 уело-

148 Экология города

вий 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 jc, 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:

'сут⁼ ----- Q----- («Г ^Х2) '

где Q — дебит водозаборного сооружения, м³/сут.; т — мощность водоносно­го горизонта, м; я — пористость водоносных пород.

Если требуется найти время поступления к водозаборному сооружению первых порций загрязненной воды, то х₂ ~ О, и тогда

_ п-т • п -X,² Q

Если же рассматривать любую точку фронта загрязнения, перпендику­лярного к линии тока водозабор — x_v отстоящую на расстоянии у_] от этой линии, то время движения от этой точки будет равно:

где г, и г_г — соответственно начальное и конечное положения точки.

Ґ ⁼⁼ VY ~\~ V Ґ ⁼⁼ VY "f" V

Г, УЛ, -г /,, Л₂ УЛ₂ -г _)/₂

В условиях "потока" время движения загрязненных вод внутри области питания по главной линии тока от границы загрязненных вод до участка водозабора определяется по формуле:

V __ д_.

где х_А= ^п-т-у ' ^xi~ расстояние по кратчайшей линии от границы за­грязненных 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.

Раздел 3. Водная среда города 149

Время движения от любой другой точки границы загрязненных вод опре­деляется зависимостью:

[(^⁺^^sin^)]'^cyr'

где х, и у_{ — 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.; / — 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:

"Pc

где кип — соответственно коэффициент фильтрации и пористость водонос­ных пород; т — толщина водоносного горизонта, м; р_п и р_с — плотности пресных и загрязненных вод, кг/м³; / — время, сут.; а = 4 — для плоскопарал­лельного потока и а = 2,8 — для радиального потока.

Общая длина пути движения более плотных вод складывается из пути L_Q, определенного по схеме поршневого вытеснения, длины зоны дисперсии Z, и длины зоны деформации L₂, т.е.

150 Экология города

L=L₀ + 0,5 (X, +L₂).

Прогноз изменения показателей качества подземных при подтягивании некондиционных вод из выше- и нижезалегающих 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:

к АН ^ _с/_сут.₅

п -т

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:

W= V-F-t,

где W— объем перетока воды за время /, 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:

^С"'⁼ ' (?, + <?/+С?,' ³ '

где С_лр — прогнозная концентрация компонентов в подземных водах, г/м³; (?р(?2'£?з~ приток подземных вод по эксплуатируемому водоносному гори­зонту, из вышезалегающего и нижезалегающего водоносных горизонтов, со­ответственно, м³/сут.; С_{,С₂,С_Ъ — 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.