Методика обоснования геофильтрационных параметров в напорных пластах в речных долинах по моделированию паводкового режима (на примере водозаборов г.Твери)
logo1-color


Методика обоснования геофильтрационных параметров в напорных пластах в речных долинах по моделированию паводкового режима (на примере водозаборов г.Твери)

При весеннем половодье наблюдается сильное возмущение режима водоносных пластов, при этом выпукло проявляются процессы перетекания, чего сложно добиться во время опытной откачки. Идеей рассмотренного в статье метода является композиция моделирования паводкового режима с проведением опытных откачек, где роль опытных откачек сводится к определению параметров проводимости и емкости напорного пласта, моделирования – к определению параметров сопротивления разделяющих пластов.

Ключевые слова: опытная откачка, режимные наблюдения в паводковый период, моделирование, численно-аналитические решения.

 

Водоснабжение г.Твери обеспечивается водозаборами в напорных водоносных горизонтах верхнего и среднего карбона (северо-западная часть Московского артезианского бассейна), что предполагает использование при прогнозных расчетах схемы водозабора в межпластовых водоносных горизонтах [1]. Вместе с тем, условия формирования запасов подземных вод на Тверском месторождении большой мере определяются расположением эксплуатационных скважин на берегах р.Волги и ее притоков (р.р.;Тверцы, Тьмы и Тьмаки) и участием речных вод в балансе водоотбора. Распределение статей баланса водоотбора здесь не является очевидным. Погрешности определения параметров перетекания в данных условиях могут приводить к существенным погрешностям при оценке соотношения отдельных составляющих баланса водоотбора и, как следствие, запасов подземных вод.

Актуальность темы подтверждается ситуацией, сложившейся на Тверецком водозаборе подземных вод. Тверецкий водозабор расположен на правом берегу р.Тверцы и состоит из 26 водозаборных узлов, эксплуатирующих касимовский и каширско-мячковский водоносные горизонты. В разрезе участвуют четвертичные отложения, подстилаемые юрскими глинами, частично размытыми в русле р.Тверца, а также касимовский и каширско-мячковский горизонты, разделенные кревякинским водоупором.

Утвержденные эксплуатационные запасы по касимовскому горизонту составляют 89 тыс.м3/сут, максимальный современный водоотбор из этого горизонта не превышает 56 тыс.м3/сут. Тем не менее, водозабор находится в предельном состоянии: в периоды максимального водоотбора касимовский горизонт осушается на 3-10 м своей мощности, уровни в четвертичном горизонте в центре водозаборного ряда близки к уровню отрыва от реки. Ситуация, сложившаяся на водозаборе, по-видимому, связана с тем, что при подсчете запасов были допущены определенные погрешности в определении параметров перетекания слабопроницаемых коренных отложений, в конечном счете определяющих величину перетока из реки. Наиболее эффективным способом определения всех геофильтрационных параметров, входящих в балансовую схему водозабора, является, очевидно, воспроизведение опыта эксплуатации на численной модели. Однако, при проведении разведочных работ на вновь оцениваемых участках геофильтрационные параметры определяются по данным только опытно-фильтрационных работ. Причем, наиболее трудноустанавливаемыми здесь являются параметры перетекания разделяющих пластов, корректное определение которых по данным лишь опытных откачек в условиях многопараметричности представляется затруднительным.

Строение разреза на участке разведки Никольское и на Тверецком водозаборе несколько отличается благодаря отсутствию юрских отложений на Никольском участке, поэтому применение метода аналогий в данном случае не возможно в полной мере. С учетом вышеизложенного, при постановке разведочных работ на участке Никольское помимо опытной кустовой откачки были запланированы опытно-фильтрационные наблюдения в паводковый период.

Участок разведки Никольское находится на берегу р.Тьмака, правого притока р.Волги. Гидрогеологический разрез здесь представлен тремя водоносными горизонтами: четвертичным (Q>), касимовским (C3ksm) и каширско-мячковским (C2pd-mč+C2kš). Разделяющий пласт между касимовским и каширско-мячковским водоносными горизонтами представлен суворовской и воскресенской толщами (кревякинский водоупор). Разделяющим пластом между касимовским водоносным горизонтом и водоносным горизонтом в четвертичных отложениях служат суглинки и глины днепровской морены. Строение разреза, схема расположения опытного куста скважин и распределение геофильтрационных параметров, подлежащих определению, приведены на рис.1.

statia-15-ris-1

Кустовая откачка из скважины 1, пробуренной на касимовский водоносный горизонт на участке Никольское, длилась 4,3 сут, при этом понижение в центральной скважине составило 11,23 м, в наблюдательных скважинах, отнесенных на расстояние 31 и 75 м, понижение достигло 4,45 и 4,53 м, соответственно. По наблюдательным скважинам на четвертичный водоносный горизонт отмечается понижение до 0,1-0,55 м, реакции в каширско-мячковском горизонте практически не было. Ранее, при подсчете запасов специалистами ОАО «Геоцентр-Москва» при обработке результатов откачки графоаналитическим методом временного прослеживания по начальному участку индикаторных графиков были получены значения проводимости касимовского горизонта 137-153 м2/сут, по площадному прослеживанию 205-217 м2/сут. Интерпретация данных откачки с учетом процесса перетекания проводилась Невечеря И.К. в программе NAS (Numeric Analitic Solution), реализующей численно-аналитические решения, для двух вариантов строения водоносного потока [3]. В первом варианте использовалась схема однопластового потока (касимовский горизонт с расчетными параметрами Т1, μ1*) с перетеканием из вышележащего пласта (четвертичного горизонта, коэффициент перетока разделяющего пласта χ0), понижение в верхнем пласте задавалось равным нулю. Во втором варианте рассматривалась схема двухпластового потока (касимовский горизонт и четвертичный горизонт с параметрами Т0 и μ0*), причем четвертичный горизонт содержит покровный пласт со свободной поверхностью (коэффициент перетока покрова χп и гравитационная емкость на свободной поверхности μ). Расчеты параметров, проведенные по схемам однопластового и двухпластового потока, дали практически совпадающие результаты: Т1=130м2/сут, μ1*= 1,5·10-3, χ0= (1,0-1,3)·10-3сут-1, μ0 = 0,11, χп = 4,5·10-3 сут-1. Приведенные параметры затем сопоставлялись с результатами, полученными при моделировании подъема уровня подземных вод при паводке.

Как было показано выше, параметры разделяющих пластов довольно сложно определяются по данным откачек, ввиду малого воздействия последних на водоносный пласт. Определение сопротивления разделяющего пласта по данным режимных наблюдений может восполнить этот пробел. В процессе паводка влияние на грунтовый и межпластовый водоносные горизонты значительно больше, поэтому при паводке более выпукло проявляются процессы перетекания.

Учитывая, что в представленной на рис. 1 геофильтрационной схеме неизвестными являются восемь параметров, для их определения использована комбинация различных методов.

Для определения сопротивления ложа водотока по данным режимных наблюдений в паводковый период разработано аналитическое решение [2], которое успешно применяется в настоящее время. Определение сопротивления разделяющего пласта между первым и вторым от поверхности горизонтами невозможно с помощью аналитического решения, здесь необходимо применять методы математического моделирования.

Уточнение геофильтрационных параметров на участке Никольское осуществлялось с помощью математической модели, воспроизводившей подъем уровней в четвертичном и касимовском горизонтах в паводковый период, с использованием результатов интерпретации опытной откачки. Режимные наблюдения в паводковый период на участке Никольское проводились по скважинам опытного куста, расположенного на берегу р. Тьмаки (рис. 1, рис. 2).

statia-15-ris-2

Анализ режима уровней при весеннем паводке показывает значительную реакцию уровней подземных вод в касимовском и четвертичном водоносных горизонтах в период с 30 марта по 17 апреля: при подъеме уровней в реке на 1,87 м уровни в четвертичном водоносном горизонте поднимаются на 1,0 - 0,85 м, что значительно больше, чем их реакция на откачку, в касимовском – на 0,75 м. По каширско-мячковскому водоносному горизонту непосредственной реакции на подъем уровней в реке не отмечается. Следовательно, в геофильтрационной схеме, описывающей подъем уровней в паводковый период, каширско-мячковский горизонт может не рассматриваться.

Учитывая вышеизложенное, обработка данных режимных наблюдений проводилась по схеме двухпластового потока со слабопроницаемым покровом в верхнем пласте. Расчеты выполнены с использованием профильной четырехслойной модели (рис. 1):

  • 1 слой: покров (московская морена), мощностью 10 м;
  • 2 слой: четвертичный водоносный горизонт (днепровско-московские флювиогляциальные отложения), мощностью 10 м;
  • 3 слой: разделяющий пласт (днепровская морена), мощностью 3 м;
  • 4 слой: касимовский водоносный горизонт, мощностью 35 м.

На модели воспроизводился подъем уровней в р. Тьмака в период весеннего половодья длительностью 18 сут. Для расчетов была выбрана пара наиболее представительных скважин – скв. 3 и 17, данные по этим скважинам также использовались при интерпретации откачек. По остальным наблюдательным скважинам ход изменения уровней аналогичен, при этом, выбор пары скважин делает расчет более контрастным.

Рассматриваемая модель характеризовалась следующими геофильтрационными параметрами: Т0 и Т1 – проводимости верхнего и нижнего пластов, μ0, μ0* и μ1*– емкости покрова, верхнего пласта и касимовского водоносного горизонта, соответственно, χп и χ0 – коэффициенты перетока покрова и разделяющего пласта, ΔL – сопротивление ложа водотока.

Емкость верхнего пласта (четвертичного горизонта) принималась по литературным данным: μ0* = 10-3. Поскольку проводимость песков четвертичного водоносного горизонта не была определена, для оценки ее влияния на расчетную величину параметра перетекания было выбрано два варианта расчета: при Т0 = Km = 7∙10 = 70 м2/сут и, второй вариант, Т0 = 140 м2/сут. Параметры нижнего пласта (касимовского горизонта) задавались на основе результатов интерпретации опытной откачки: Т1 = 130 м2/сут, μ1* = 1,5∙10-3, также задавалась гравитационная емкость покрова μ0 = 0,11, определенная по опытной откачке [3]. Подбирались на модели параметр сопротивления ложа водотока К0/m0 и соответствующее ему значение ΔL), а также коэффициенты перетока покрова χп и разделяющего пласта χ0 (табл. 1).

statia-15-tabl-1

В результате решения обратной задачи были получены следующие результаты. Сопоставительные графики натурных и модельных изменений уровня (рис. 3) показывают удовлетворительное совпадение фактического и расчетного хода изменения уровня. Их расхождение может быть объяснено завышенной на модели емкостью покровных отложений.

statia-15-ris-3

Значения полученных параметров (χп, χ0 и ΔL) сведены в табл. 1. Следует отметить, что величины коэффициента перетока разделяющего пласта и покрова определяются достаточно уверенно. При этом значения ΔL и проводимости четвертичного горизонта в принятом диапазоне параметров не оказывают существенного влияния на определение коэффициентов перетока.

В результате, получены следующие значения геофильтрационных параметров Никольского участка разведки: проводимость и упругая емкость касимовского горизонта 130 м2/сут и 1,5∙10-3, соответственно; коэффициент перетока разделяющего пласта 1,4·10-3 сут-1, гравитационная емкость покрова 0,11. Проводимость и емкость четвертичного горизонта несущественны, поэтому их значения приняты равными 100 м2/сут и 1∙10-3. Сопротивление ложа водотока ΔL и соответствующий ему параметр К0/m0 могут быть вычислены с использованием аналитических решений по данным режимных наблюдений в меженный период (ΔL = 10 м) [2].

Как видно из табл. 1, при сопоставлении значений параметров, полученных по данным откачки и по результатам моделирования, отмечается существенное расхождение по коэффициенту перетока покровных отложений (χп), что может быть объяснено различием в процессах перетекания: подъем уровней в реке в первую очередь сказывается на покровном слое, в то время как при откачке влияние на него оказывается слабое. При этом, значения коэффициента перетока разделяющего слоя (χ0) согласуются уверенно.

Таким образом, комплексное использование данных опытных откачек и режимных наблюдений при паводке позволяет повысить точность определения геофильтрационных параметров. Данные режимных наблюдений при весеннем половодье отражают масштабный процесс перетекания, что позволяет с большей степенью достоверности определять параметры сопротивления разделяющих пластов. При постановке режимных наблюдений в паводковый период с целью определения параметров перетекания можно рекомендовать измерение уровней в ярусных скважинах, оборудованных на четвертичный и напорный водоносные горизонты.

Некоторые погрешности в расчетах по приведенной методике могут быть обусловлены неоднородностью строения водоносных пластов, изменением сопротивления ложа водотока при паводке в связи с переработкой русла и увеличением его площади, а также значением гравитационной емкости перекрывающего пласта. Также, необходимо учитывать явление «псевдосвязи» поверхностных и подземных вод при больших скоростях подъема уровня в реке. Ранее автором на объекте-аналоге Тверецком водозаборе было доказано, что для данных условий режим «псевдосвязи» пренебрежимо мало влияет на ход изменения уровней в паводковый период.

 

Список литературы:

1. Боревский Б. В., Дробноход Н. И., Язвин Л. С. Оценка запасов подземных вод. Киев: Выща школа, Головное издательство, 1989.

2. Шестаков В. М. Гидрогеодинамика. М.: Книжный дом Университет, 2009.

3. Шестаков В. М., Невечеря И. К. Методика оценки ресурсов подземных вод на участках береговых водозаборов. М.: Книжный дом Университет, 2009.