Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика проведения и интерпретации опытно-фильтрационных работ в речных долинах межгорных впадин

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Методика проведения и интерпретации опытно-фильтрационных работ в речных долинах межгорных впадин"

РГ6 он

*» * П - I

- кб'сковския госадйрствкннаи университет

имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет кафедра гидрогеологии

на правах рукопиги

ЯЗВИН

Александр Леонидович

методика проведения и интерпретации

опытно-фильтрационных раьот

В РЕЧНЫХ ДОЛИНАХ МЕМГОРНЫХ ВПАДИН (НА ПРИМЕРЕ ЮГО-ЗАПАДНОГО ТАДЖИКИСТАНА!

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ диссертауии на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Геологического факультета Московского Государственного Университета имени Н.В.Ломоносова

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.М.Яестаков

Официальные оппоненты - доктор геилого-минералогических наук.

с.н.с. И.С.Памковский - кандидат геолого-минералогических наук, с.н.с. И.К.Невечеря

Ведучая организация - Всероссийский научно-исследовательский

институт гидрпгелогии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО)

Защита диссертации состоится 2 апреля 1993 года в 14 час. 30 мин. в аудитооии 415 на заседании Специализированного Совета Д.053.05.27 при Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119В99 ГСП, г.Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический ф-т

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геологического факультета МГУ, зона "А", 6 эта«.

Автореферат разослан февраля 1993 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатьв учреждения, просим направлять по адресу: 119839 ГСП. г.Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, Ученому секретари Специализированного Совета, доктору геолого-минералогических наук, профессору Л.С.Гарагуля.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор геолого-минералогических

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На территории Юго-Западного Таджи-истана, как к во многих других аридных районах Средней Азии и азахстана, основным источником питьевого водоснабжения населе-т являются подземные воды месторождений в речных долинах. В зссматриваемых условиях месторождения подобного типа хнрактери-дася рядом специфических особенностей, основные из которых -включительно большая мощность водовмещающих отложений, сложная жономерность распределения фильтрационных свойств в разрезе, 1личие вертикально-горизонтальной анизотропии, сложные условия 1аимосвязи речных и подземных вод. Методика проведения и обработки данных опытно-фильтрацион-х работ (ОФР), являющихся основным видом гидрогеологических ис-едований при разедке и оценке эксплуатационных запасов подзем-х вод таких месторождений в целом разработана достаточно дета-но. Однако ряд вопросов нуждается в дальнейшем развитии. К тэ-м вопросам относятся обоснование методики геофильтрационной эматизации, выбор метода проведения гидродинамических расчетов, Зор оптимальных схем опытного куста, учет естественного режима цземных вод и.ряд других.

Решение этих" вопросов позволит повысить достоверность гидрологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов мес-эдждений подземных вод и существенно увеличить эффективность ¡водимых исследования.

Целью работы является совершенствование и разработка мето-1 геофильтрационной схематизации, постановки и интерпретации яых ОФР для оценки-запасов подземных вод речных долин межгор-впадин в связи с рациональным использованием водных ресурсов, овные задачи исследований, решаемые для достижения намеченной и, сводились к следующему:

I) Изучение закономерностей рэспредечения фильтрационных йств и проведение на этой основе фильтрационной схематизации, кность геологических услоьий находит отражение в большом коли-гве геофчлътрзционных параметров, что обусловливает п?станс>е-таеледующих задач.

2: Оценка влияния каждого из параметров геофильтрзционкг'й «ы на результат решения прогнозных задач при подсчете экеплуч-

-г -

тационных запасоЕ подземных вод.

3) Разработка методики интерпретации ОФР, включающей:

- выбор метода гидродинамических расчетов,

- обоснование дискретизации модели,

- обоснование способов учета естественного режима

при обработке опытных данных.

4) Разработка методики проведения ОФР, обусловленной мето дикой их последующей интерпретации.

Работа выполнена в основном на материалах разведки Душанбин ского и Правобережно-Вахшского месторождений пресных подземных вод (МПВ), расположенных в Юго-Западном Таджикистане. Заявленная потребность в воде составляет соответственно 4.5 и 7.5 м3/с.

Методика ьыполнения работы включала анализ и обобщение фак тического и литературного материала, полевые исследования при проведении разведки МПВ в долинах рек, численные эксперименты и математическое моделирование изучаемых процессов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основе изучения закономерностей распределения фильтр? ционных свойств водоносных отложений, дпя которых характерны гн* чительная мощность (порядка 1000 м), налим".' вертикально-горизоь тальной анизотропии, тенденция к уменьшению коэффициента фильтр', ции с глубиной предложена геофильтрационная схематизация разрез; в виде схемы зонно-анизотропкого строения, заключающейся в ьыде лении нескольких зон с различающимися коэффициентами фильтрате внутри каждой из которых отложения могут обладать вэртикэльно-гс ризонтальной анизотропией.

2. Показано влияние особенностей строения разреза на закон, мерности формирования уровенного режима подземных еод при эксчиц атации. В частности проведена количественная оценка влияния коэ1] фициентов фильтрации нижней зоны разреза и вертикально-горизоь тальной анизотропии на формирование пошэкений уровня при эксплуг тчц»1И верхней зоны в различных условиях взаимосвязи речных и пен земных вод.

3. Разработана методика интерпретации данных ОФР для впредь ления гидрогеологических параметров. В кач' л'ве основного метсд-обработки рекомендуется применять численно-аналитическое модели рование, преимуществом которого перед численными методами явля^

ся малое время счета и отсутствие дискретизации модели по времени и радиальной координате.

Обоснована оптимальная степень дискретизации модели по оси 1 при проведении численно-аналитических расчетов откачек и водозаборных сооружений.

При выборе расчетной (интерпретационной) схемы предложено использовать ограничение числа одновременно определяемых геофильтрационных параметров. Это достигается двумя способами: последовательным определением искомых значений и введением фиксированных соотношений между параметрами различных слоев разреза.

Обосновано применение способов учета естественного режима для террасовых и приречных участков. В первом случае предлагается использовать корреляцию с изменением уровня в скважине-аналоге, во втором - с изменением уровня речных вод.

4. На основе выявленных закономерностей разработана методика проведения,опытных работ и-конструкции опытных кустов для расчета основных_геофильтрационных параметров. Определены критерии, контролирующие __

- расположение скважин, предназначенных для расчета коэффициентов фильтрации отложений и коэффициента перетока подруслового слоя,

- возможность применения схемы неограниченного (радиального) потока при проведении откачек вблизи реки.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методы геофильтрационной схематизации, постановки и интерпретации данных ОФР, позволяют повысить достоверность гидрогеологических прогнозов и являются основой рационального проведения разведки месторождений подземных вод в речных долинах при значительной мощности водовмещающих отложений.

Реализация результатов. Содержание работы во многом определено конкретными задачами, возникающими в ходе разведки Душанбинского и Правобережно-Вахшского месторождений подземных вод, ее результаты вошли в производственные отчеты Южной Гидрогеологической Экспедиции, защищенные ь ГКЗ СССР и ТКЗ ПГО "Таджикгеология".

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 5 печатных работах. Результаты исследований докладывались на 15,16,17 и 18 конференциях молодых ученых геологичес-

кого факультета м1\у (Москва, 1Уаа, 1уйу, 1уаи, 1уу1 года), семинаре всесоюзной школы передового опыта "Методика проведения и интерпретации опытно-фильтрационных и опытно-миграционных раоот при разведке подземных вод" (НСЕГШГЕО, 1989), совместном семинаре кэф. гидрогеологии МГУ и ЛГИ "Математическое моделирование гидрогеологических процессов" (Москва, 19у1). Многие положения работы вошли в научные отчеты Южно-Таджикской (1987,1990) и Гис-саро-Хатлонской (1991) партий каф. гидрогеологии геологического факультета МГУ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 141 наименований, 35 таблиц, 50 рисунков. Объем машинописного текста 121 страниц.

АЕТор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору В.М.Шестакову за предложенное направление работы, постоянное внимание и большую научно-методическую помощь, а также м.н.с. В.Л.Веседовой • за полезные советы и предоставленное программное обеспечение.

Автор искренне благодарит за ценные советы и замечания сотрудников кафедры гидрогеологии МГУ, с.н.с. Р.М.Никитина и доц. Р.С.Штенгелова, а также сотрудников Южной ГГЗ А.П.Баранова, Ю.П. Дьяченко, Н.Н.Журавлева за помощь в проведении совместных полевых исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность работы и подчеркивается роль ОФР как основного метода исследований при разведке месторождений подземных вод. Обоснование методики проведения ОФР включает разработку следующих вопросов (Е.В.Боревскйй, Е.Г.оам-сонов, Л.С.Язвин,1979): вид откачки, местоположение и схема опытного куста, характер и степень возмущения, продолжительность откачки, оборудование скважин. Интерпретация ОФР, согласно В.А. Мироненко и В.М.Шестакову (1978), включает обоснование расчетной схемы с диагностикой процесса, количественную обработку данных с выбором способа обработки, обоснование расчетных локальных значений параметров. В данной работе рассматриваются те элементы методики проведения и интерпретации ОФР, которые требуют дальнейшего развития применительно к гидрогеологическим условиям речных долин меигорных впадин.

Г л а в а I. Гидрогеологические особенности месторождений

подземных вод в речных долинах Юго-Западного Таджикистана.

Особенности геологического строения четвертичных отложений в межгоркых впадинах Юго-Западного Таджикистана рассматриваются в работах А.Е.Додонова, В.Е.Ивашкина, Н.П.Костенко, С.В.Лима, Р.М.Никитина и др. Вопросам гидрогеологических исследований, связанных с оценкой эксплуатационных запасов подземных вод, посвящены работы А.П.Баранова, Ю.П.Дьяченко, Н.Н.Журавлева, В.В.Кубасова, Н.С.Огнева, Я.Я.Сердюка и др.

Водовмещанцие отложения представлены в основном валунно- и гравийно-галечниками, чередующимися с прослоями конгломератов. Мощность их составляет в среднем 500-600 и достигает 1000 и более метров. Накопление констративного аллювия происходит в условиях устойчивого прогибания впадины и воздымания окружающих горных сооружений, главным образом, в периоды оледенений в области сноса обломочного материала (Р.М.Никитин, 1990). Нижняя толща пород существенно литифицирована.

Водоносный горизонт, приуроченный к четвертичным отложениям, обладает единой свободной поверхностью и, следовательно, является безнапорным..Однако, его большая мощность и расположение филь-тров)гкважин значительно глубже уровня залегания подземных вод позволяет обычно применять для расчетов схему напорного пласта. Гидродинамический режим определяется комплексом естественных (фильтрация из речной сети, подземный приток из областей питания) и искусственных (ирригация, воздействие эксплуатируемых водозаборов) факторов и является резко нестационарным.

Согласно общепринятой типизации (Б.В.Боревский,1986) рассматриваемые месторождения относятся к типу МПВ в речных долинах, так как их запасы формируются, главным образом, за счет привлекаемых речных вод. Однако, значительная мощность водовмещающей среды не позволяет строго классифицировать данные МПВ подобным образом.

Особенностью отложений является отсутствие четких критериев стратификации и расчленения разреза. В нем, обычно, можно зыде-пить две толщи, причем верхняя, мощностью порядка 100 м, обладает значительно более высокими коэффициентами фильтрации. Помимо

этого, многими исследованиями установлена тенденция к постепенному уменьшению коэффициентов (фильтрации с глубиной. Характерным является наличие вертикально-горизонтальной анизотропии фильтрационных свойств.

Важнейшим фактором формирования эксплуатационного режима являются мощность и проницаемость подруслового слоя, которая характеризуется коэффициентом перетока&, представляющим собой отношение коэффициента фильтрации слоя к его мощности (В.М.Шестаков, 1984). Мощность слоя определяет возможность отрыва воронки депрессии от дна реки и соответственно - переход от подпертого режима фильтрации к свободному. От величины&зависит интенсивность фильтрации поверхностных вод при эксплуатации водозаборов.

Вышеизложенные -особенности водовмещающей среды наилучшим образом отражает схема зонно-анизотропного строения разреза, заключающаяся в выделении нескольких зон с различающимися коэффициентами фильтрации, внутри каждой из которых отложения могут обладать вертикально-горизонтальной анизотропией (различием К и Кг).. Анизотропия обусловлена особенностями осадконакоплёния и наличием конгломератовых прослоев постседиментационного происхождения. Рассматривалась также схема однородного строения, которая может быть принята согласно литологической характеристике прирусловых участков р.Вахш, где разрез представлен однородной толщей валун-но-галечников. Отметим, что эту схему можно рассматривать как. частный случай схемы зонно-анизотропного строения при условии равенства коэффициентов фильтрации.

Г л а в а 2. Оценка влияния геофильтрационных параметров

на достоверность прогноза работы водозаборов.

Методика проведения и интерпретации ОФР должна базироваться на значимости каждого из параметров геофильтрационной схемы в формировании эксплуатационных понижений. Исследование этого вопроса проведено путем тестовых расчетов. Рассматривался водозабор в виде параллельного реке ряда скважин, наиболее часто применяемый в речных долинах. Интервал эксплуатации 30-60 м.

Все гидрогеологические параметры можно разделить но три

группы, отвечающие как их физическому различию, так и их значи-

• \

1

мости: емкостные, фильтрационные и коэффициент перетока подруеловых отложений. Емкостные параметры имеют подчиненное значение. Время влияния упругой водоотдачи ограничено несколькими часами. Величина гравитационной водоотдачи при стабилизации понижений уровня, определяет лишь колебания, обусловленные естественным режимом подземных вод.

В дальнейшем задача решалась в стационарной постановке. В табл. I приведены допустимые расчетные значения основных параметров, найденные исходя из 10% точности прогнозного расчета при условии достоверного определения всех остальных парамет ров. Для расчетов использовалась схема зонно-изотропного строения (К=Кг). Основную роль играет горизонтальный коэффициент фильтрации эксплуатируемого слоя Кэ. Следующим по значимости является коэффициент фильтрации интервала, находящегося между рекой и водозаборными скважинами (Кв).

Чем хуже связь водоносного горизонта с рекой, тем большая достоверность парамэтра^необходкма для прогнозных расчетов. Степень взаимосвязи речных и подземных вод определяет и влияние параметров разреза на понижения, а следовательно, их необходимую точность и виды работ, направленных на их.определение.

При увеличении^возрастает влияние вертикальных коэффициентов фильтрации верхней зоны Кг (табл. 2). При*с=0.01 сут'.1 оно очень мало. Если же величина превышает 0.1 сут".1 , достижение 10% точности расчета требует специальной конструкции опытного куста и методики интерпретации опытных данных, направленных на определение Кг.

Вопрос о влиянии параметров нижней зоны на снижение уровня подземных вод при опробовании и эксплуатации верхней зоны является одним из наиболее неопределенных при разведке месторождешй? подобного типа. Анализ значимости коэффициента фильтрации нижней зоны разреза (табл. 3) показал, что допустимо завышение Кн при^й =0.01 - в два раза, при =0.1 - в три раза и при =1. сут".1 -почти в шесть раз.

Для определения пространственной и временной изменчивости фильтрационных параметров данные ОФР являются недостаточными. Однако, значения параметров, расчитанные по результатам откачек, обладают наибольшей достоверностью и поэтому должны использовать-

Таблица 1.

Допустимые расчетные значения параметров

истинные значения расчетные значения

Кэ=Кв %о Бо.м Sp.ii Кэ Кв

70 0.5 5.75 5.18 1.25 82 130

70 0.01 15.65 14.09 0.014 88 115

Таблица 2.

Влияние вертикальных коэффициентов фильтрации на точность расчета понижений при эксплуатации водозабора

^е, Сут"1 5о,м при К= 70 Кг= 5 дБ/Бо.Х при значении Кг, м/сут =

15 35 70

0.01 16.4 3. 4. 5.

0.1 9.3 10. 13. 15

1. 7.3 17. 24. 27

Таблица 3.

Допустимые расчетные значения Кн. м/сут при различных значениях "Хо (истинное Кн=5)

Яь . сут1 Ио, м 5р. м Кн, м/сут

0.01 15.27 13.74 11.

0.1 7.72 6.95 17.

1.0 5.16 4.64 28.

ся в качестве опорных. Для построения карт фильтрационных параметров водоносных отложений применяется корреляция между их значениями и геоэлектрическими характеристиками. При этом вид формулы взаимосвязи не является универсальным и 'должен устанавливаться при разведке каждого месторождения. Для определения временной изменчивости коэффициента перетока подрусловых отложений следует использовать данные режимных наблюдений и характеристики расхода реки, коррелируя их с результатами ОФР. Необходимым также является проведение специальных работ, направленных на определение. мощности слабопроницаемого подруслового слоя, от величины которой зависит возможная смена подпертого режима фильтрации на свободный.

Г л а в а 3. Учет естественного режима подземных вод при интерпретации откачек.

Естественный режим подземных вод оказывает существенное влияние на процесс снижения уровня при откачках. При этом в некоторые периоды амплитуды естественных колебаний соизмеримы с достигаемыми значениями понижений. Для корректировки понижений уровня в каждый замер вводятся соответствующие поправки . Для вычисления их применяются два способа: расчеты по уравнениям нестационарной фильтрации (А.К.Альминас, И.П.Дилюнас, 1981) и установление корреляционных зависимостей (Б.В.Боревский, 1969). Использование первого, равно как и корреляции река - скважина предполагает, что единственным фактором, определяющим колебания уровня подземных вод, является режим уровня воды в реке. Однако, на практике это условие соблюдается редко ввиду влияния изменений барометрического давления, инфильтрационного и других видов питания. Таким образом, применение этого способа в значительной степени ограничено.

В рассматриваемых речных долинах Юго-Западного Таджикистана можно выделить два основных типа режима подземных вод (с точки зрения его.учета), принципиальное различие мезду которыми заключается в роли поверхностных вод как режимообразукщего фактора, названных условно в соответствии с классификацией А.А.Коноплянце-ва и С.М.Семенова (1979) приречным и террасовым. Для приречных

районов (долина р.Вахш) характерны зависимость колебаний уровня подземных вод только от режима речных вод и обусловленная этим полная их идентичность.

Для террасовых (долина р.Кафирниган) колебания уровня реки не являются основным фактором, определяющим изменения уровня подземных вод. Поэтому для таких участков вычисление поправок должно производиться на основе корреляционной зависимости между уровнем в наблюдательной скважине и скважине-аналоге, расположенной за пределами зоны влияния откачки. Доказательство существования скважин-аналогов производится путем проведения корреляции между уровнями подземных вод в естественных условиях. Использование этого способа не требует принятия допущений, необходимых при расчете поправок по изменению уровня речных вод, так как в данном случае коррелируются две характеристики одного процесса (изменения уровня подземных вод). Кроме того, при длительном монотонном изменении уровня может использоваться способ автокорреляции.

На участке разведки. Вахшского месторождения режим подземных вод определяется колебаниями уровня р.Вахш. Для естественных колебаний уровня подземных вод характерны большая амплитуда и частая смена направленности движения, зависимость от расположения скважин относительно реки и, возможно, от сопротивления присква-жинной зоны. Поэтому на приречных участках ввцду отсутствия скважин-аналогов учет естественного режима должен осуществляться путем проведения корреляции между уровнями воды в скважине и в реке. Характер естественных колебаний уровня воды в наблюдательных скважинах определяется не только уровнем воды в реке, но и скоростью, амплитудой и направлением его изменения. Этим обусловлена большая изменчивость получаемых значений коэффициентов корреляции. В такой ситуации предлагается определять эту корреляционную зависимость по данным стационарного режима при откачках, считая что при постоянстве расхода откачки колебания уровня подземных вод зависят только от режима реки. Отметим, что при проведн-нии откачек для доказательства стационарного режима необходим некоторый период наблюдений. Данные об изменении уровня в т-чение этого периода и предлагается использовать для вычисления поправок.

Г л а в а 4. Проведение и интерпретация опытных откачек

в отложениях речных долин значительной мощности.

Принципиальные закономерности снижения уровня при откачках, наблюдаемые на участках разведки исследуемых месторождений, в целом являются типичными для откачек из несовершенных скважин вблизи реки. На графиках временного прослеживания понижений в опробуемом интервале S(lg t) можно выделить четыре основных этапа: упругого, ложностационарного, гравитационного и стационарного режима. Однако, определить продолжительность каждого из этапов можно только прибизительно ввиду того, что переходные точки между ними выражены очень нечетко. Продолжительность начального этапа упругого режима составляет не более 1-2 часов. На следующем этапе происходит резкое замедление снижения уровней. Процесс этот завершается за время 1-4 ч. Затем развивается гравитационный режим, при котором наблюдается постоянное увеличение уклона графика S (lg t). При дальнейшем развитии воронки депрессии постепенно начинает оказывать влияние река, что ведет к стабилизации понижений уровней. В рассматриваемых условиях это влияние начинается со времени¿= 0.1-1. сут.

Применение аналитических и графо-аналитических методов существенно ограничены евиду несоответствия расчетных схем реальным сложным гидрогеологическим условиям (П.П.Нагевич, 1984 и др.). Детально этот вопрос рассмотрен в работе Н.Б.Бондзренко (1Э85), которой сделан вывод о необходимости использования численных методов обработки данных в условиях вертикально-горизонтальной анизотропии, несовершенства скважин и вреза русел. В то ке время существуют некоторые возможности применения расчетной зхемы изолированного напорного пласта. Величина водопроводкмости опробуемого интервала приблизительно может быть определена по ук-гону графика площадного прослеживания, проведенного то ближайшим с центральной наблюдательным скважинам (в том. числе при проведети откачек вблизи реки). При значительной длительности откачки ! отсутствии влияния реки по уклону графика временного прослеживания может быть определена величин«) суммарной водопроЕодимоети тложений.

В качестве основного метода обработки опытных огкэчек, рр-

комендуется использовать численно-аналитическое моделирование (В.М.Шестаков, 1938), преимуществом которого перед численным является малое время счета и отсутствие дискретизации модели по времени и по расстоянию от центральной скважины до наблюдательной. В данной работе численно-анаЛитическое моделирование применяется при исследовании водоносных систем, которые могут быть схематизированы в виде нескольких горизонтальных слоев, причем внутри каждого из них принимается неизменность параметров и их равенство по всем направлениям. Плановые границы считаются удаленными в бесконечность, за исключением рек, которые рассматриваются в виде прямолинейной границы бесконечной протяженности.

Решение для нестационарных задач осуществляется с помощью метода интегральных преобразований и для изображений функции является аналитическим. При обратном переходе от изображений к оригиналам используются численные методы обращения интегральных преобразований. При решении как нестационарных, так и стационарных задач применяются численные методы для нахождения собственных векторов и собственных значений исходной матрицы. Кроме того, осуществляется проведение численных расчетов по сложным аналитическим зависимостям. Решения для бесконечного числа слоев "в матричной форме для неограниченного в плане (радиального) потока и схемы с рекой получены В.Л.Веселовой (1988,1989).

Основной источник погрешности при численно-аналитических расчетах заключается в зависимости точности вычисления понижения от дробности разбивки модели по оси 1. По мере увеличения количества интервалов (слоев), на которые разбивается модель, вычисленные величины понижений уровня Б при откачке выходят на ассим-птоты, приближаясь к предельному (точному) значению: Поскольку при этом существенно возрастает и время счета, очень важно обоснование наименее дробной разбивки модели, достаточной для получения решения с удовлетворительной точностью. Решение данного вопроса показало, что при интерпретации откачек в большинстве расчетных схем для вычисления понижения в опробуемом слое с точностью 1-3% область увеличения количества шагов по Ъ должна включать фильтр центральной скважины -длиной I (где надо выделить 3-5 интервалов равной мощностидг= I/(3-5) ). Кроме того, выше и ниже фильтра также необходимо выделить по одному интервалу

мощностью л Z.

Особенно эффективно применение численно-аналитических расчетов для решения обратных задач по данным опытных откачек. Малое время счета позволяет провести автоматизированную обработку опытных данных, заключающуюся в многократном решении прямой задачи в процессе поиска оптимальной комбинации значений параметров, которой соответствует минимум функции качества.

Большое количество геофильтрационных параметров, определяющих процесс снижения уровня при откачках, увеличивает некорректность обратной задачи. В связи с этим предлагается проводить обработку способами, в которых используется ограничение числа одновременно определяемых величин, в частности способом последовательного расчета параметров. В качестве расчетных используются два периода: начальный (за исключением данных упругого этапа продолжительностью до 1-2 часов), в течение которого отсутствует влияние реки на. получаемые величины понижений, по которому определяются параметры водоносных отложений - путем решения обратных задач по радиальной схеме потока. После этого проводится расчет коэффициента перетока подрусловых отложений по данным конечного стационарного этапа.

Второй способ основан на анализе влияния геофильтрационных параметров, в частности коэффициентов фильтрации нижней зоны и анизотропии, на понижения, получаемые при откачках из верхней зоны. Он заключается в введении фиксированных соотношений между параметрами различных слоев разреза.

Возможность применения схемы радиального потока при откачках у реки ограничена временем t , для определения которого наиболее существенными являются: коэффициент перетока подруелового слоя, гравитационная водоотдача и расстояние между рекой и центральной скважиной (Lo). При этом форма зависимости Igt (Lo) является прямолинейной.

Наибольшей достоверностью определения обладает коэффициент фильтрации опробуемого интервала. При расчетной схематизации интервал расположения фильтра центральной скважины должен быть выделен в отдельную зону. Точность параметров какого-либо слоя, рассчитанных по данным откачек из соседнего слоя, является неудовлетворительной даже при наличии е нем наблюдательных скважин.

Поэтому рекомендуется проведение откачек как из предполагаемого интервала эксплуатации, так и из вышележащего, через который осуществляется приток речных вод.

Для предложенной методики разработана оптимальная схема куста, предназначенного для определения коэффициента перетока под-руслового слоя. Обоснование схемы проведено путем сопоставления чувствительности понижений уровня при откачках к значениям параметров водоносных отложений (с одной стороны) и коэффициента перетока подруслового слоя (с другой стороны). Центральная скважина опытного куста должна быть оборудована вблизи уреза реки в верхнем слое разреза. Аналогичные рекомендации приводятся в работах Б.В.Боревского (1979), Н.Б.Бондаренко (1985) и др.

Независимо от расположения центральной скважины наблюдательные должны быть оборудованы на параллельном реке луче на ее урезе. Подобная рекомендация о расположении наблюдательной скважины вблизи реки приведена в работе И.В.Авилиной и И.К.Невечеря (1988). Ближайшая к центральной наблюдательная скважина должна находиться от нее на расстоянии, превышающем некоторую величину г11, определяемую исходя из необходимой точности прогноза и допустимой ошибки определения параметров водовмещающих отложений с учетом возможной ошибки в задании стационарных значений понижений. Достоверность определения имеет прямую зависимость от его ("£«) величины.

Для месторождений в речных долинах межгорных впадин, рекомендуются следующие принципы опробования пласта. Параметры водовмещающих отложений определяются по данным откачек из скважин, находящихся на значительней (150-200 м) расстоянии от реки. Для этого параллельно реке проходится луч спаренных наблюдательных сквакин, оборудованных на предполагаемый интервал эксплуатациии и верхний слой. Обязательным является расположение фильтров наблюдательных скважин внутри того интервала, в котором находится опытная скважина. Из обоих интервалов проводятся кратковременные откачки (1-2 сут), по данным которых решением обратных задач находятся соответствующие К. Для определения водопроводимости опробуемого интервала наблюдательные скважины должны располагаться вблизи от центральной, на расстоянии г', меньшем некоторой величины, определяемой соотношением проводимости опробуемого интер-

\

\

вала и "суммарной проводимости отложений. Аналогичные рекомендации приводятся в работах О.А.Дульките (1988) и др.

Определение параметров анизотропии и коэффициента фильтрации нижней зоны проводится по данным о снижении уровня в дальних наблюдательных скважинах с учетом полученных значений горизонтальных коэффициентов фильтрации слоев Еерхной зоны. Кроме этого для определения Кз рекомендуется использовать данные по наблюдательным скважинам, расположенным непосредственно над (под) центральной (В.А.Мироненко, В.М.Шестаков, 1978). Результаты расчета Кн должны сопоставляться с данными одиночных откачек.

Для определения коэффициента перетока ложа реки проводится откачка из верхнего интервала вблизи уреза реки. По возможности она должна быть доведена до стационарного режима. Таким образом, предполагается проведение трех откачек.

Количество опробований может быть уменьшено путем оборудования луча спаренных скважин на более близком расстоянии от реки. Тогда по данным одной длительной откачки определяются параметры Кв (по нестационарному режиму) и£„(ш стационарному режиму). Центральная скважина куста должна находиться на расстоянии от реки, большем, чем Ъо =г(г ), ограничивающее возможность применения схемы радиального потока, но достаточном для достоверного расчета .

На примере опытных откачек, проведенных на участках разведки Душанбинского и Правобережко-Вахшского месторождений подземных вод показана реализация осноеных положений предлагаемой методики проведения и интерпретации данных ОФР и подтверждены вывода, сделанные по результатам тестового моделирования.

Рассматриваемые месторождения имеют ряд различий, основные из которых заключаются в следующем. Для Правобережно-Вахшского МПВ характерны:

1) Практически полное отсутствие конгломератовых прослоев, благодаря чему вертикально-горизонтальная анизотропия отложений выражена в меньшей степени.

2) Значительно большая величина пропускной способности русла, в связи с чем

- время, ограничивающее возможность применения схемы радиального (неограниченного в плане) потока очень мало. При откачках,

проводимых волизи уреза реки, оно практически не превышает длительность этапа упругого режима фильтрации;

- влияние естественного режима подземных вод, обусловленного колебаниями уровня воды в реке, проявляется уже на начальных этапах откачки и в значительно большей степени, нежели на участке Душанбинского МГО. Так как для колебаний уровня воды р.Вахш, полностью определяемых попусками через плотину Головной ГЭС, характерны большая амплитуда и частая смена направленности движения, существенное значение имеет выбор периода проведения ОФР.

С учетом вышеуказанных различий показано применение методики последовательного расчета параметров путем решения обратных задач: определение водоотдачи и коэффициентов фильтрации водоносных отложений К по схеме радиального потока и определение^при использовании полученных ранее значений К ( в том числе и по данным одной откачки). На натурных данных обоснован способ учета естественного режима на приречных участках - устанавливая корреляционную связьйНс=1(йНр) по данным стационарного режима при откачках. Проведены расчеты проводимости опробуемого интервала и суммарной проводимости по графикам Б (]£ г) при невозможности использования схемы радиального потока.

ВЫВОДЫ

I. Рассматриваемые месторождения подземных вод приурочены к четвертичным отложениям речных долин. Водовмещающие отложения, представленные гравийно-галечниками с прослоями конгломератов, обладают большой мощностью, достигающей 1000 и более метров. Особенностью отложений является отсутствие четких критериев стратификации и расчленения разреза.

В разрезе можно выделить две толщи, причем верхняя, мощностью порядка 100 м, обладает значительно более высокими коэффициентами фильтрации. Кроме этого, характерными являются постепенное уменьшение фильтрационных свойсте с глубиной, высокая степень анизотропии. Вышеизложенные особенности наилучшим образом отражает схема зонно-анизотропного строения разреза, заключающа-

яся в выделении нескольких зон с различающимися коэффициентами фильтрации, внутри каздой из которых отложения могут обладать вертикально-горизонтальной анизотропией.

2. Методика проведения и интерпретации ОФР базируется на значимости каждого из параметров геофильтрационной схемы в формировании эксплуатационных понижений. Проведенное путем тестовых расчетов исследование этого вопроса показало, что основную роль играет горизонтальный коэффициент фильтрации эксплуатационного слоя. Наличие водотоков является важнейшим фактором, определяющим естественнный и эксплуатационный режим подземных вод. Чем хуке связь водоносного горизонта с рекой, тем большая достоверность коэффициента перетока подрусловых отложений необходима для прогнозных расчетов. Степень взаимосвязи речных и подземных вод зпределяет и степень влияния параметров водоносных отложений. Следующими по значимости являются параметры (К и Кг) верхнего :лоя (расположенного выше фильтров водозаборных скважин), через соторый осуществляется приток речных вод. Наименее значимы ем-юстные параметры, а также проницаемость нижней зоны разреза.

3. Естественный режим подземных вод оказывает существенное ¡лияние на процесс снижения уровня при откачках. Выбор способа го учета при интерпретации откачек определяется типом режима одземных вод. Для речных долин Юго-Западного Таджикистана выде-ены приречный и террасовый типы режима, принципиальное различие ежду которыми заключается в роли поверхностных вод как режимооб-азующего фактора.

Для террасовых участков определение поправок л5е осущест-ляется по данным об изменении уровня в скважине-аналоге, распо-эженной за пределами зоны влияния откачки. При длительном моно-экном изменении уровня может применяться способ автокорреляции.

На приречных участках при отсутствии скважин-аналогов учет ?тественного режима может осуществляться путем проведения кор->ляции между уровнями воды в скважине и в реке. При невозмбжнос-[ использования этой корреляционной связи, установленной в перк-щ естественного режима, предлагается определять ее по данным ■ационарного режима при откачках.

4. В соответствии со значимостью геофильтрационных парамет-з для прогноза работы водозаборов разработана методика их огтре-

деления по данным ОФР. Применение расчетной схемы изолированного напорного пласта в значительной мере ограничено, однако существуют некоторые возможности ее использования для приблизительного расчета параметров. В качестве основного метода при обработке опытных откачек рекомендуется использовать численно-аналитическое моделирование, сочетающее использование аналитических решений и численных расчетов на ЭВМ. Преимуществом численно-аналитических методов перед численными является малое время счета и отсутствие дискретизации модели по времени и по расстоянию от центральной скважины до наблюдательной.

При численно-аналитических расчетах очень важно обоснование наименее дробной разбивки модели.по оси Ъ, достаточной для получения решения с удовлетворительной точностью. Решение "данного вопроса показало, что в большинстве расчетных схем для вычисления понижения с точностью 1-3% область увеличения количества шагов по I должна включать фильтр центральной скважины длиной I ( где надо выделить 3-5 интервалов равной мощностидг=£/(3-5) ). Кроме того, выше и ниже фильтра также необходимо выделить по одному интервалу мощностью

5. Для достижения единственности и устойчивости решения обратных задач при обосновании расчетной (интерпретационно'й) схемы в данных условиях предложено использовать ограничение числа одновременно определяемых геофильтрационных параметров. Это достигается двумя способами: последовательным определением искомых значений и введением фиксированных соотношений между параметрами различных слоев разреза. Первый заключается в 'выборе расчетных временных интервалов, таких что определение параметров водовмеща-ющих отложений проводится решением обратных задач по схеме радиального (неограниченного) потока, а расчет коэффициента перетока подруслового слоя ведется по данным стационарного режима с учетом найденных значений параметров пласта. При расчетной схематизации интервал расположения фильтра центральной скважины должен быть выделен в отдельную зону.

Возможность применения схемы радиального потока при откачках у реки ограничена Бременем 1; , для определения которого наиболее существенными являются: коэффициент перетока подруслового слоя'.-травитационная водоотдача и расстояние между рекой и цент-

ральной скважиной.

6. Рациональное проектирование ОФР является одним из наиболее важных вопросов сазЕедки МПВ. Схема опытного куста должна бгть ориентирована на определение горизонтальных коэффициентов фильтрации предполагаемого эксплуатационного слоя (Кэ) и верхнего, через который осуществляется приток речных вод (Кв), коэффициента перетока подруслового слоя (•*„), а также анизотропии пород верхней зоны (A=K/Kz) и коэффициента фильтрации нижней зоны разреза (Кн).

Параметры Кэ и Кв определяются интерпретацией кратковременных (до 1-2 сут.) откачек из соответствующих интервалов, проведенных на значительном (150-200 м) удалении от реки. Расчет производится по данным о снижении уровня в ближайших наблюдательных скважинах, находящихся на расстоянии г' от центральной, меньшем некоторой величины, определяемой соотношением проводимости опробуемого интервала и суммарной проводимости отложений. При этом необходимым является расположение наблюдательных скважин внутри того интервала, в котором расположены опытные скважины.

Определение параметров А (либо Кз) и Кн проводится по данным о снижении уровня в дальних наблюдательных скважинах с учетом полученных значений горизонтальных коэффициентов фильтрации слоев верхней зоны. Кроме этого для определения Kz рекомендуется использовать данные rio наблюдательным скважинам, расположенным непосредственно над (под) центральной. Результаты расчета Кн должны сопоставляться с данными одиночных откачек.

Центральная скважина куста, предназначенного для определения располагается в верхнем слое вблизи уреза реки. Независимо от расстояния между■центральной скважиной и рекой наблюдательные должны быть оборудованы на параллельном реке луче на ее урезе. Ближайшая к центральной наблюдательная скважина должна находиться от нее на расстоянии, превышающим некоторую величину г", определяемую необходимой точностью расчета^, достоверностью используемых значений параметров водсвмещающих отложений, а также величиной'самого параметра%0. Если центральная скважина находится на расстоянии большем, чем Lo =f(t ), ограничивающее возможность применения схемы радиального потока, но достаточном для достоверного расчета^, то возможно определение Кв и%по дан-

ным одной откачки.

7. На примере с...:тише откачек, проведенных на участках разведки Душанбинского и Иравобережно-Вахшского МПВ показана реализация основных положений предлагаемой методики проведения и интерпретации данных ОФР и подтверждены выводы, сделанные по результатам тестового моделирования.

СПШЖ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Опыт определения геофильтрационных параметров слоистых толц (На примере Душанбинского месторождения подземных вод). В сб.: "Материалы 15-ой научной конференции молодых ученых и аспирантов геологического факультета МГУ. Секция гидрогеологии, Москва, 4 апреля Г98^." Москва, МГУ, 1988, 84-95 (в соавторстве с В.Л.Веселовой, деп. в ВИНИТИ 03.08.1988 N 6247-В88)

2. К вопросу определения геофильтрационных параметров отложений в речных долинах по данным откачек из несовершенных скважин. В сб.: "Материалы 16-ой научной конференции молодых ученых геологического факультета МГУ. Секция, гидрогеологии, Москва, 10 апреля 1989." Москва, МГУ, 1990, 88-100 (в соавторстве с В.Л.Веселовой, деп. в ВИНИТИ 03.05.1990 N 2320-В90)

3. Оптимальная схема куста, предназначенного для определения коэффициента перетока подруеловых отложений. В сб.: "Материалы 17-ой научной конференции молодых ученых и аспирантов геологического факультета МГУ. Секция гидрогеологии, Москва, 16 апреля 1990." Москва, МГУ, 1990, 21-37 ( деп. в ВИНИТИ 10.08.1990 N 4569-В90)

4. Интерпретация опытных откачек в долине р.Кафирниган. В сб.: "Гидрогеологические исследования в межгорных впадинах Южного Таджикистана". Москва, 1991, 67-104 (в соавторстве с В.Л.Веселовой и В.М.ШестакоЕым)

г Оитимальн- 1 дробность модели при численно-аналитических расчетах откачек. В сб.: "Материалы 18-ой научной конференции молодых ученых геологического факультета МГУ. Секция "гидрогеологии, Москва, ? апреля 1991." Москва, МГУ, 1992, 28-39 ( деп.

в ьанит 1 оз.о?. 199.-: н ззе-вэ?,)

Отпечатано в тип. ЦНИИТЭИтяжмаш, Зах. тип. 417, Тир. 100 эхэ.