Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Теоретические основы определения и гидрогеологических параметров в условиях перетекания подземных вод и при формировании разрыва уровней на стенке возмущающей скважины

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Теоретические основы определения и гидрогеологических параметров в условиях перетекания подземных вод и при формировании разрыва уровней на стенке возмущающей скважины"

РГВ од

,, п ,гп МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ Ь о ФсЗ ш/ и ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ (ЦНИИКИВР)

УДК 556.3.01 + 556.34

КОСТЮКОВИЧ ПЕТР НИКОЛАЕВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕТЕКАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ПРИ ФОРМИРОВАНИИ РАЗРЫВА УРОВНЕЙ НА СТЕНКЕ ВОЗМУЩАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ

04.00.06 — Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Минск 1996

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии. Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, проф. П.А.Киселев (Москва); доктор геолого-минерхюгических наук, проф. А.Б.Ситников (Киев); доктор геолого-минералогических наук, член-корреспондент АН Беларуси А.А.Махнач (Минск).

Оппонирующая организация — Белорусский научно-исследовательски;! геологоразведочный институт.

Зашита диссертации состоится 14 февраля 1997 г. на заседании совета Д14.02.01 по защите диссертаций в Центральном научно-исследовательском институте комплексного использования водных ресурсов. Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу: 220086, г.Минск-86, ул. Славинского, д. 1, корп. 2, Специализированный Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИКИВР.

Автореферат разослан "_" декабря 1996 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций,

доктор экономических наук

А.Н.Грпяшрыко

© Костюкович П.Н., 1996

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Необходимость проведения исследований по теории и методологии определения гидрогеологических параметров (ГП) обусловлена многими факторами. Главными из них являются:

1. Несоответствие проектных значений водобалансовых составляющих дебита водозаборных и дренажных скважин их многолетним фактическим величинам. Исследования Г.В.Богомолова, П.А.Киселева, А.В.Кудельского, А.П.Лаврова, В.С.Усенко и др. показывают, что доля привлекаемых ресурсов, формирующихся за счет перетекания, на водозаборах подземных вод Беларуси достигает 80...90% от дебита скважин и превышает ее прогнозные величины на 60% и более. Аналогичное перераспределение подземного стока между возмущенным и смежными пластами имеет место на системах вертикального дренажа, где подток артезианских вод к осушаемым безнапорным горизонтам составляет 30...60% от дебита дренажных скважин и, таким образом, формирует в этих горизонтах мощные потоки с изменяющимся расходом вдоль пути движения, т.е. потоки переменной массы, не поддающиеся прогнозам современными методами, основанными на теории потоков постоянной массы.

2. Наличие существенной разницы в величинах ГП, определяемых в периоды гидрогеологических съемок и при эксплуатации водозаборов подземных вод. Ис-слеваниями С.П.Гудака, М.Ф.Козлова, В.Д.Коркина, В.И.Фоменко, М.М.Черепан-ского и др. установлено, что водопроводимость дренируемых пластов зоны активного водообмена Беларуси, определяемая опытными откачками из эксплуатационных скважин, в 1,5...3 раза и более превышает ее значения, рассчитанные по данным откачек из разведочных скважин в периоды изысканий. В то же время современная методология определения ГП построена на принципе их абсолютной независимости от величины суммарного перетекания, лежащем в основе теории потоков постоянной массы.

3. Наличие принципиальных недостатков в современной теории несовершенства возмущающих скважин, не связывающей в единое целое параметры скин-эффекта и несовершенства грунтовых (гЦ, £*) и артезианских (г0, скважин с величиной соответственно промежутка высачивания Л/г и пьезометрического скачка уровней на их стенках.

4. Отсутствие фундаментальных исследований по основным свойствам фильтрационных потоков переменной массы, наблюдаемых в пластах с перетеканием, и, как следствие этого, исключительно слабое развитие теории обобщенных ГП.

5. Отсутствие единой теории и методологии определения ГП малопроницаемых отложений и, как следствие этого, наличие множества нестыкуюшихся

разнопараметричных и неуправляемых моделей нелинейной фильтрации (МНФ), не дающих реальной картины вертикального водообмена в многослойных толщах.

6. Установленное И.И.Зауербреем, Г.Д.Эркиным и др. существование в пермеаметрах двух градиентов напора (внешнего (/*) и внутреннего и неизученность взаимоотношений между ними. Этот факт указывает на отсутствие теории осложняющих граничных сопротивлений (или концевых эффектов) в конечных фильтрационных потоках и, как следствие этого, научно обоснованной методологии определения ГП в трубках Дарси.

7. Отсутствие надежного метода определения ГП пластов с площадным питанием, широко развитым в зоне активного водообмена Беларуси. Американский метод комбинированного прослеживания изменения уровня =_/[Ы^/г2)], применяемый для этих целей, не дает желаемых результатов, поскольку вместо одного комбинированного графика, характерного для всех наблюдательных скважин, образует множество таких графиков, количество которых равно числу этих скважин. В итоге водоносный горизонт характеризуется не одним коэффициентом водопро-водимости, а несколькими, что приводит к ошибочному выводу о его неоднородности и последующему усложнению дренажной или водозаборной системы и неверной оценке эксплуатационных запасов подземных вод.

Данные факторы свидетельствуют о том, что современная методология определения ГП содержит ряд принципиальных недоработок и даже ошибочных положений (напр., толкование формул Дюгпои по И.Козени (1933), а не по Г.Н.Каменскому-И.П.Кусакину и, как следствие этого, противопоставление расчета дебита скважины расчету депрессионной поверхности потока; отрицание существования пьезометрического скачка уровней /15 на стенке возмущающей артезианской скважины; трактовка пределов изменения параметров несовершенства скважины в виде неравенств: го < го < го и 0 < £ <* 0 ; описание потоков переменной массы законом Дарси с коэффициентами фильтрации и пьезопроводности, рассчитанными для потоков постоянной массы, и др.). Эти недоработки и ошибочные положения приводят к значительным погрешностям при определении ГП и последующей оценке запасов подземных вод, при проектировании дренажных и водозаборных систем. Более того, они стали главным препятствием на пути дальнейшего развития таких важнейших разделов подземной гидродинамики как теория граничных условий и несовершенства возмущающих скважин, теория перетекания и фильтрационных потоков переменной млггы ттпио осложняющих концевых эффектов в трубках Дарси и др.

Цель работы. Указанные обстоятельства, а также широкое развитие в нашей стране водозаборов подземных вод и систем вертикального дренажа, в основе проектирования которых лежат ГП, и послужили основанием для проведения обширных исследований, направленных на создание методологической основы для интенсивного развития научно-технического прогресса в одной из главных отраслей

гидрогеологии — опытно-фильтрационных обоснованиях геолого-разведочных работ и мелиоративно-водохозяйственного проектирования — путем разработки новых методов определения ГП, обладающих высокими технико-экономическими показателями и отличающихся совершенством своего физико-математического и экспериментального обоснования.

Решение данной проблемы имеет большое научное и прикладное значение для гидрогеологических расчетов и моделирования не только дренажных и водозаборных, но и любых других возмущающих скважин, широко применяемых при инженерно-геологических изысканиях и разведке месторождений, в водохозяйственном строительстве, горном деле и нефтедобыче.

Поставленная цель достигалась путем выполнения значительного объема теоретических и экспериментальных (производственных и лабораторных) исследований, а также путем обобщения новейших достижений теории и практики зарубежных школ. Поэтому установленные закономерности и основанные на них методы определения ГП прошли всестороннюю экспериментальную проверку и являются достоверными.

В задачи исследований входило:

1) установление основных закономерностей, присущих фильтрационным потокам переменной массы и лежащих в основе всех методов определения ГП водоносных пластов в условиях перетекания; 2) установление закономерностей проявления осложняющих концевых эффектов в трубках Дарси, определяющих достоверность любой методологии определения фильтрационных свойств грунтов в пермеаметрах; 3) разработка новой методологии определения ГП нелинейных сред, учитывающей особенности движения подземных вод в этих отложениях; 4) разработка новой теории граничных условий и несовершенства возмущающих скважин, основанной на явлении разрыва напорной функции у их стенок, и создание на ее базе соответствующей методологии определения ГП водоносных пластов по данным опытных откачек.

Научная новизна. В работе впервые: 1) установлены закономерности движения фильтрационных потоков переменной массы, формирующихся в пластах с перетеканием; 2) выведены уравнения, описывающие характер проявления осложняющих концевых эффектов в трубках Дарси, и на их базе разработана методология определения фильтрационных свойств грунтов в пермеаметрах; 3) разработана теория обобщенных МНФ и соответственно создана новая методология определения ГП малопроницаемых отложений (супеси, суглинки, глины, илы); 4) обнаружено существование пьезометрического скачка уровней Л5 на стенке возмущающей артезианской скважины и исследованы закономерности его изменения; 5) разработана новая теория несовершенства возмущающих скважин, в которой все показатели несовершенства скважин (г0, с, г) выражаются через величину пьезометрического скачка уровней ЛБ или промежутка высачивания ЛИ у их стенок; 6) разработан ме-

тод учета пьезометрического скачка уровней И5 при моделировании возмущаюших скважин на интеграторе ЭГДА; 7) установлены закономерности, присущие квазистационарному режиму неустановившейся фильтрации, формирующемуся в пластах с площадным питанием; 8) разработан метод определения обобщенных ГП, основанный на использовании преобразования =/11п(1/г2~х)\.

Практическая и экономическая значимость полученных результатов заключается в коренном совершенствовании и улучшении традиционной теории и методологии определения ГП в полевых и лабораторных условиях и, как следствие этого, существенное повышение точности, надежности и экономичности гидрогеологических изысканий.

Производственная значимость результатов исследований полностью подтверждена многолетним применением их в области проектирования и эксплуатации осушительно-оросительных систем на базе вертикального дренажа в Белорусском Полесье. Благодаря использованию разработанных методов определения ГП, оценки несовершенства дренажных скважин и гидрогеологических прогнозов формирования водного баланса и УГВ на осушаемом и прилегающих массивах были существенно повышены технико-экономические, водобалансовые и экологические показатели этих систем и, таким образом, достигнута их высокая конкурентноспособность по сравнению с другими мелиоративными системами.

Основные положения, выносимые на защиту. 1) закономерности, характеризующие движение фильтрационных потоков переменной массы, и основанная на них теория обобщенных ГП; 2) уравнения, отражающие особенности проявления осложняющих концевых эффектов в трубках Дарси, научное и практическое значение исследованного явления для дальнейшего развития теории и методологии определения фильтрационных свойств грунтов в пермеаметрах; 3) новая методология определения ГП малопроницаемых горных пород, в основе которой лежат: свойство фильтрационной полимодельности нелинейных сред; принципы построения и управляемости обобщенных МНФ; методологические преимущества теории обобщенных МНФ перед традиционной теорией элементарных моделей; 4) явление существования пьезометрического разрыва уровней Л5 у стенки возмущающей артезианской скважины и закономерности его изменения; значение этих закономерностей для фильтрационных расчетов и моделирования артезианских скважин, а также для теории и практики опытных откачек в напорных пластах; 5) теория несовершенства возмущающих грунтовых и артезианских скважин, включающая: закономерности изменения АЯ\ способ построения приведенного радиуса фунтовой (Гд) и артезианской (г0) скважин; уравнения, в которых показатели несовершенства скважин (г0, г) выражаются через величину пьезометрического скачка /15 или промежутка высачивания ЛИ у их стенок; пределы изменения г0, г, зависимости, отражающие закономерности изменения во времени пьезометрического

скачка уровней AS, = f(t) и показателей несовершенства скважин r0, =f(t) и Z, -f(t)\ 6) метод учета несовершенства возмущающих скважин при их моделировании на интеграторах ЭГДА; 7) разновидности квазистационарного режима неустановившейся фильтрации, наблюдаемые в пластах с перетеканием, и основные закономерности, присущие этим разновидностям квазистационарного режима; 8) метод определения обобщенных ГП по данным опытных откачек при неустановившемся движении, основанный на построении графика комбинированного прослеживания изменения уровня Sn =J[ln(t/r2"л)]; 9) особенности формирования УГВ и поведения обобщенных ГП в удаленных областях возмущения, за пределами квазистационарного режима; 10) закономерности восстановления депрессионной поверхности в пластах с перетеканием после остановки дренажных скважин и их значимость для методологии определения ГП и прогноза формирован™ УГВ на осушаемых массивах.

Все защищаемые положения получены лично автором.

Апробация результатов работы. Основные теоретические и методологические положения докладывались на Межведомственном совещании по мелиоративной гидрогеологии и инженерной геологии (Минск, 1969); Всесоюзных семинарах по применению геофизических и математических методов в гидрогеологии и инженерной геологии (Ташкент, 1973, 1989); научных семинарах "Теория и методы расчета фильтрации" (Киев, 1977) и "Краевые задачи теории фильтрации" (Ровно, 1979, 1984); зональных научно-производственных конференциях в Институте гидродинамики СО АН СССР (1990), "ГГЩРОИНГЕО" (Ташкент, 1990), БСХА, БГПА и БГУ (1980-1995); теоретических семинарах, руководимых акад. В.С.Усенко (Минск), акад. А.Я.Олейником и проф. И.Е.Жерновым (Киев), акад. Ф.Б.Абу-талиевым и проф. У.У.Умаровым (Ташкент), акад. В.А.Мироненко и проф. В.М.Максимовым (С.-Петербург), проф. И.К.Гавич (Москва), проф. В.Н.Эмихом (Новосибирск). Результаты исследований опубликованы в 76 научных работах, в том числе в монографии "Гидрогеологические основы вертикального дренажа" (Мн., "Наука и техника", 1979, 288 е.), вошли в "Справочное руководство гидрогеолога" (JI., "Недра", 1979, 512 с.) и энциклопедический справочник "Мелиорация" (Мн., Белорус. Сов. Энцикл., 1984, 567 е.).

Диссертация состоит их введения, общей характеристики работы, шести глав, основных выводов и списка литературы из 380 наименований. Ее объем состоит из 291 страницы и включает 24 таблицы и 112 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе "Современная методология определения гидрогеологических параметров и пути ее совершенствования" производится анализ состояния проблемы и излагаются результаты теоретических и экспериментальных исследований

фильтрационных потоков переменной массы. Их содержание сводится к следующим выводам.

1. Главными нерешенными проблемами современной методологии определения ГП являются: 1) неизученность основных свойств фильтрационных потоков переменной массы и, как следствие этого, отсутствие теории обобщенных ГП; 2) несоответствие теоретичесикх моделей граничных условий, задаваемых на контурах дрен и пластов, их реальным аналогам, наблюдаемым в натурных условиях; 3) отсутствие теории нелинейной фильтрации подземных вод. В этой связи установление законов движения фильтрационных потоков переменной массы, создание более реальных моделей граничных условий, формирующихся на контурах дрен и пластов, и разработка физико-математических основ нелинейной фильтрации составляют важнейшее направление дальнейшего совершенствования современной методологии определения ГП.

2. Поскольку закон Дарси справедлив для фильтрационных потоков постоянной массы, а в условиях перетекания формируются потоки переменной массы, то следует различать ГП истинные, рассчитываемые по расходу потока постоянной массы (транзитному расходу), и обобщенные, определяемые по максимальному расходу потока переменной массы (дебиту скважины). Между ними имеется два принципиальных отличия: а) методология определения истинных ГП опирается на закон Дарси, а обобщенных — на законы движения фильтрационных потоков переменной массы; б) истинные ГП не зависят от величины расхода потока, в то время как обобщенные возрастают с увеличением суммарного перетекания.

3. Методы определения ГП должны вытекать из определяющих уравнений фильтрации V = f(J'), а количество ГП, характеризующих движение подземных вод, должно соответствовать числу констант этих уравнений. Поэтому во избежание ошибочных выводов об изменении и величине водопроницаемости линейной пористой среды расчет ее коэффициента фильтрации по данным опытов в пермеаметрах следует вести графо-аналитическим способом, определяя угловой коэффициент прямой V = f(J*). Отсюда следует, что любая методология определения ГП должна базироваться на параметричности исходного уравнения фильтрации:

V = K0r (1) или V = Ко (J* - J а). (2)

Если движение воды подчиняется однопараметричному закону Дарси (1), то мы имеем предельно элементарный случай и фильтрационные свойства грунта характеризуются одной константой при любом способе ее определения; в случае двухг.арамгтр;г-;;;огс урйьпспии (обобщенного закона Дарси (2)) фильтрационные свойства среды характеризуются уже двумя константами, методы определения которых принципиально отличны от методов однопараметричного уравнения.

4. Анализ опытных данных А.М.Васильева и других исследователей показал, что в песчаных грунтах при изменении направленности фильтрационного потока

исходное уравнение фильтрации (1) становится неустойчивым и принимает вид

V= Ко(Г -Josina), (3)

где начальный градиент напора J0 является функцией направленности потока а: при а = 0 и а = ISO0 фильтрация горизонтальная, J(>sina = 0 ; а = 90° — нисходящая, Jgsina = + J0\ а = 270° — восходящая, Jgsina - - Jo-

5. Для изучения вертикального водообмена в многослойных толщах разработано два метода: метод переменного расхода, основанный на определении расхода потока, протекающего через разделяющие глинистые слои, и метод депрессионных воронок, основанный на явлении образования самостоятельных депрессионных воронок в смежных водоносных горизонтах и оценке расхода потоков, формируемых этими воронками в данных горизонтах и поступающих в возмущенный пласт в качестве присоединяющегося расхода (перетекания). Оба метода дают возможность рассчитать суммарную величину перетекания. Первый метод, кроме того, позволяет найти исходное уравнение фильтрации потока переменной массы и дает функцию распределения присоединяющегося расхода вдоль пути движения транзитного потока.

6. Вертикальный водообмен, формируя в возмущенном пласте поток переменной массы, оказывает прямое воздействие на величины и свойства ГП данного пласта и, следовательно, на форму и константы исходного уравнения фильтрации V = f(J). Методом переменного расхода и опытами доказано, что скорость фильтрации потока переменной массы удовлетворяет тому закону фильтрации, в соответствии с которым происходит присоединение подземных вод через разделяющую глинистую перемычку из смежного пласта в возмущенный. При этом обобщенный коэффициент фильтрации возмущенного пласта Кф, рассчитываемый по максимальному расходу потока переменной массы, возрастает (по сравнению с его истинным значением Kj■) на величину ЛК = аКд, прямо пропорциональную суммарной величине перетекания и водопроницаемости глинистой перемычки Ко. К примеру, если поток постоянной массы, наблюдаемый до перетекания, подчиняется закону Дарси V = KTJ, а перетекание через перемычку — обобщенному закону Дарси V = Ko\J(x) - J0), то при наличии перетекания поток переменной массы, образующийся в возмущенном пласте, будет также подчиняться обобщенному закону Дарси, но имеющему другие (обобщенные) фильтрационные характеристики: V = Кф(,J - /оф), где Кф = Кг + АК, 1оф = pKoJo: «, /? — константы.

Во 2-й главе "Теория граничных условий конечных фильтрационных потоков и ее применение к оценке водопроницаемости грунтов в пермеаметрах" дается физическое обоснование и методика вывода уравнений, отражающих закономерности проявления осложняющих концевых эффектов (граничных потерь напора /15/) в приторцевых зонах трубок Дарси. Значимость этих эффектов для методологии определения водопроницаемости грунтов в пермеаметрах исключительно велика, поскольку именно они приводят к образованию различных форм пьезометрических

поверхностей потока, каждой из которых присуща своя разновидность внутренних граничных условий Л±„(+ А10, ± Л30) и соответственно свое устойчивое положение прямых фильтрации V = ¡(Г) = <р(1), где У* = А #/£ — внешний градиент напора в пермеаметре; / = (ДН ± ДБ^ДЬ ± АЬо) — внутренний; ±АЬ0 и ±ДБо — приращения координат приведенных контуров питания /?гп, равные величинам формального сдвига действительного контура питания Яо(0,0) на величину ±Л10 по длине потока и на величину ±ДБд по высоте напора (см. рис. 1).

Таблица 1.

Влияние осложняющих граничных сопротивлений пермеаметра на устойчивость закона Дарси V = К'Г относительно внутреннего градиента напора /_

Относительно градиента J

В.±п(±А10, ±А5а) II Начальный градиент напора Коэффициент фильтрации

II >5 0

У=К{] + ]02) Т _ Д$о •'02- , ЛГ Ь + АЦ

Я.2(АЦ,А5О) V = К,(/ - 102)

К({0,0) V = К'Г = ГУ 0

Я/О,^ у=к'(: + :03) _ к'

Я-МАБа) V = - ^з)

и 0

Я^-АЦ.-АЗа) У = К4(/ + /04) т _ Д$0 *04 — - Ь- АЬ0

Я^-АЬо^

Доказано, что при изменении направленности фильтрационного потока и под действием других факторов может возникать до девяти разновидностей (см. табл. 1). В результате для одного и того же грунта в приборах Дарси можно получить три различных значения коэффициента фильтрации (К", К1, К4) и четыре различных значения начального градиента напора (0, ±102, ±^оз> Отсюда следует, что с позиции теории осложняющих концевых эффектов наличие противоположных (как позитивных — для граничных условий Нг2, Я±з< так и негативных — для и Я±1) выводов о существовании начального градиента напора и его величинах вполне закономерно и объяснимо.

В 3-й главе "Теория обобщенных моделей нелинейной фильтрации и ее применение к оценке фильтрационных свойств мхтопронииаемых грунтов" излагается

новая методология определения ГП малопроницаемых горных пород. В ее основе лежат четыре положения:

¿7,4 01ЬЭ01^2 1,6 э

Рис. 2. Кривые фильтрации, построенные по управляемой четырехпараметри-ческой модели V = А0.ф - с101/(1 + т701)| при с = кд = 1о1 =

У=/(Л 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11

т 00 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,5 2,3 4 9

¿От 0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0 0 0

<р(т, 1) 1 0,16 0,28 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 0,9

Прямая 2 является общей асимптотой кривых 3-11; <р(т, 1) — ОХФ данной модели.

1. Свойство фильтрационной полимоделыюсти нелинейных сред. Оно следует из опыта и заключается в способности пористых сред пропускать через себя жидкости в соответствии с одной и той же или разными моделями фильтрации V = /(1). В малопроницаемых породах, в отличие от песчаных, движение подземных вод подчиняется различным неньютоновским и реологическим МНФ и потому не может быть охарактеризовано одним законом фильтрации, каким бы универсальным он не был. Этим свойством нелинейных сред и объясняется тот факт, что для описании дп;;жснкл подъемных вод только в глинистых отложениях разработано и до сих пор предлагается множество нестыкуюшихся между собой разнопараметричных МНФ.

2. Принцип построения обобщенных МНФ. Он вытекает из анализа реальных кривых фильтрации V = /(1) и формулируется так: обобщенные МНФ необходимо

представлять функциями, которые своей асимптотой имеют обобщенный закон Дар-

си и выражаются через параметры этого закона.

3. Свойство управляемости обобщенных МНФ — это способность данных моделей поддаваться регулированию их нелинейности при сохранении у всех кривых V = f(J) общего начального градиента напора и общей асимптоты. Понятие управляемости МНФ введено с целью приближения теории обобщенных МНФ к поведению и формам реальных кривых V =f(J), которые во многих случаях при одном и том же Jo — const имеют различную нелинейность и параметричность.

4. Методологические преимущества теории обобщенных МНФ перед традиционной теорией элементарных моделей. Их три: 1) способность обобщенных МНФ представляться в виде целого ряда элементарных позволяет раскрывать генетическую связь между элементарными моделями и соотношение между их фильтрационными характеристиками, изначально зависящее от минералогического, зернового и фациального состава малопроницаемых отложений; 2) только из обобщенных МНФ можно получить полную картину поведения функции V - f(J) при переходе от одной разновидности грунта к другой и соответствующем этому переходу изменении величины начального градиента напора, нелинейности и параметрич-ности кривой фильтрации V —f(J)\ 3) только теория обобщенных МНФ дает однозначную формулировку фильтрационным параметрам нелинейных сред и позволяет строить научно обоснованные методы их определения.

Данная концепция определения ГП нелинейных сред может быть использована в качестве гидрогеологической основы для дальнейшего совершенствования теории нелинейной фильтрации, методологии определения фильтрационных свойств малопроницаемых отложений, прогнозирования вертикального водообмена в многослойных толщах, гидрогеологических расчетов работы дренажа в глинистых и торфяных почвогрунтах.

В подтверждение сказанного приведем три обобщенных МНФ. Первая из них

охватывает обширный класс управляемых нелинейных моделей и является четы-рехпараметричной (Ко, J&,, 1, К-о~ коэффициент фильтрации, равный угловому коэффициенту асимптоты этой модели; Jon — начальный градиент напора, присущий данному классу МНФ; т] —f(Jon/Joi) ~ число, характеризующее нелинейность кривых V = f(J) в области м&чых градиентов напора; е — управляющий параметр, благодаря которому при данном Jo^/Joi = const можно изменять нелинейность кривых V =f(J). На этом основании модель (4) является управляемой, работая при е < I; Joi — начальный отрезок ее асимтоты.

Для сопоставления МНФ и выяснения их общих свойств введено ряд критериев. Одним из них является основная характеристическая функция (ОХФ), пред-

представлена на рис. 2, вторая

(4)

ставляющая собой отношение скорости фильтрации У01 в МНФ при градиенте J = к скорости фильтрации К^о! в законе Дарси при тех же К0 и У = ]0ь ОХФ модели (4) имеет вид

и показывает, что область существования этой модели при с = 1 характеризуется соотношениями: 0 < ]о,/]о/ ^ / и соответственно 1 ><р(ц, с = 1) > 0. Обобщенный закон Дарси

V = *„(;-^л,,) = *.(/-./„,) (6)

является общей асимптотой кривых (4) и раскрывает содержание зависимости =

Яп, Зод-

Особый интерес представляет случай, когда е = 1. Тогда из (4) следуют МНФ, получившие широкое применение в современной физике и теории движения подземных вод: если т) = 0, то = 0 и модель (4) переходит в закон Дарси; если г) х>, то ]оц — -¡о! и модель (4) трансформируется в обобщенный закон Дарси (6); если ц = 2, то = (2/3)]0} и мы получаем уравнение Воларовича-Гуткина, выведенное для идеальной пористой среды, состоящей из плоских капилляров; если т] = 3, то Зоч ~ (3/4)1 (¡1 и модель (4) переходит в известное уравнение Бондаренко-Нерпина, часто называемое еще уравнением Букингема-Рейнера, также полученное для идеального грунта, состоящего из цилиндрических капилляров, и т.д.

Поскольку реальные связные грунты обладают широким спектром фильтрационных и реологических свойств, то движение подземных вод в этих отложениях характеризуется различными моделями, в том числе обобщенной МНФ

(7)

где ]о„ = -¡оь/п =/(п) — расчетная величина начального градиента напора, соответствующая конкретному значению параметра п, отражающего степень нелинейности кривой фильтрации в области малых градиентов напора.

Асимптотой кривых (7) является обобщенный закон Дарси

V = - пЗо,) = - ]01). (8)

Из него следует, что при п = 0 обобщенная МНФ (7) переходит в закон Дарси; если п = I, то Ул„ = Зги и мы имеем обобщенный -?пуон Даре:;; есл:: г. ~ 2, то ~ 102 ~ 1о1/2 и мы получаем известную модель Арье

(9)

в которой У02 = -¡01/2 и т.д. Отсюда следует, что представление ряда частных МНФ в виде одной, обобщенной модели имеет большое теоретическое и прикладное значение, поскольку только из обобщенной МНФ можно получить полную картину поведения кривых фильтрации V =/(1) при изменении ](п или ]дп от 0 до

жины г„: 1 — депрессионная поверхность Дюпюи в пласте; 2 — та же поверхность, продолженная внутрь возмущающей скважины до пересечения с уровнем .Ус — точка (г0, ¿У; 6 — влияние глубины заложения пьезометров на положение фиксируемых ими депрессионных поверхностей грунтового потока: 1 — истинная депрессионная поверхность, фиксируемая мелкими колодцами глубиной Н; 2 — фиктивные депрессионные поверхности; 3 — гаубичные пьезометрические поверхности, фиксируемые глубинными пьезометрами; 4 — глубинная пье-зометричекая поверхность, фиксируемая пьезометрами осевого яруса; АН — промежуток нависания.

В 4-й главе "Теория обобщенных фильтрационных сопротивлений возмущающих скважин и ее учет в методологии опытных откачек при установившемся движении подземных вод" излагаются результаты теоретических и экспериментальных (лабораторных и полевых) исследований влияния несовершенства возмущающей скважины на положение установившейся депрессионной поверхности напорного и безнапорного потока в прискважинной зоне. Этими исследованиями впервые установлено существование пьезометрического разрыва (скачка) уровней ЛБ = - ¿о у стенки возмущающей артезианской скважины и изучены закономерности его изменения (здесь 5С — понижение уровня внутри скважины; 5д — понижение кривой депрессии в пласте по внешней стенке скважины (рис. 3,а)). Доказано, во-первых, что определение ¿15 представляет собой решение внешней (фильтрационной), а не внутренней (гидравлической) задачи для возмущающей скважины, и, во-вторых, что величина ЛБ (наряду с величиной промежутка выса-чивания ЛИ) представляет собой суммарные потери напора на стенке скважины и, таким образом, отражает скин-эффект и все остальные виды ее несовершенства. Данные положения позволили разработать новую теорию несовершенства грунтовых и артезианских скважин, сущность которой состоит в следующем.

С увеличением понижения 5С и дебита скважины £? величина увеличивается по линейной зависимости и в одиночных гидрогеологических скважинах средней глубины достигает 50...80% от понижения 5С. Для расчета Л5 получена зависимость

которая играет важную роль в теории обобщенных фильтрационных сопротивлений возмущающих скважин, широко применяется при обработке данных опытных откачек и указывает на наличие органической связи между величиной и параметрами несовершенства возмущающей скважины: коэффициентом эффективности

<1с Ткк 1п(Я/г0)

Чо Тв 1п(Я/г0)

коэффициентом обобщенного сопротивления £ и приведенным (расчетным или эффективным) радиусом этой скважины г0. Здесь дс = 0/Зс — удельный дебет скважины; до = 0/$о — удельный расход фильтрационного потока.

При опытных откачках величина г изменяется от 0,05 до 0,4. Очевидно, чем больше г, тем эффективнее работает скважина, т.е. тем больше дебит при том же понижении уровня в ней 5С.

С целью выяснения геометрического смысла г0 были выполнены соответствующие теоретические исследования. Они показали, что приведенный радиус возмущающей артезианской скважины гв представляет собой абсциссу точки (гс, 5С) на пьезометрической поверхности Дюпюи, продолженной внутрь возмущающей скважины до пересечения с уровнем (рис. 3,а). Отсюда следует, что при введении гд осуществляется переход от понижения к понижению т.е. нахождение г0 равносильно определению ¿15. Аналогичным свойством обладает также показатель обобщенного сопротивления возмущающей артезианской скважины (или поправка к формуле Дюпюи на несовершенство этой скважины) £ Установлено, что поправка £ представляет собой тангенс угла наклона прямой А5 =/(0) к оси 0 при 2я7д = 1. Следовательно, определение £ равносильно определению А Б:

= = (12) О \т ) г0 г0

г0 ехр\ -2лТв ^ I = г ехр

2пТв{5с - 5,)

(13)

Поскольку в реальных условиях всегда АБ » 0, то из (12) и (13) следуют важные соотношения, справедливые для установившейся и неустановившейся фильтрации и для скважин с любой величиной несовершенства:

т«1, £»0, 0 < гд « го- (14)

Неравенства (14) сохраняются независимо от того, уменьшена или увеличена проницаемость призабойнон зоны по сравнению с проницаемостью остальной части пласта. Данный вывод справедлив и для случаев, когда оздоровительными мероприятиями (гидроразрывом и кислотной обработкой пласта, торпедированием забоя, установкой фильтров с высокой водозахватной способностью и незначительными сопротивлениями) удается резко увеличить проницаемость призабойной зоны (это приводит к значительному уменьшению разрыва АБ и, следовательно, к соответствующему увеличению коэффициента эффективности скважины и ослаблению неравенств (14), но не к их изменению в обратную сторону).

Формулы (12)...(14) раскрывают геометричесгаш и физический смысл приведенного радиуса га. Из них следует, что г0 — это радиус идеальной скважины, расположенной внутри действительной г0 и создающей в ней и пласте возмущение, абсолютно идентичное возмущению, которое имеет место при работе действительной скважины. Поэтому идеальная скважина гд всегда "тоньше" действительной г0 (это "соломинка" внутри последней), не обладает обобщенными фильтрационными сопротивлениями (у ее стенки нет потерь напора АЯ), не контачит с пластом и вводится для компенсации потерь напора А5 путем соединения поверхностью Дюпюи точки (г0,50), расположенной на внешней стенке действительной скважины, с точкой (го>$с )> расположенной на стенке идеальной скважины (рис. 3,а).

С учетом физического и геометрического смысла констант г0 и £ формула Дюпюи для возмущающей артезианской скважины и пласта принимает вид: _ 2яТ (5С -$ ) _ 2лТ0{Зс - Я) _ 2яГ05с 2яТд(5с - 5„) _ 2кТп ^ = 1п(г0 / г0) 1п(г / г0) 1п(л /г0) 1п(г/#■„) + # £

_ 2Я-У, _ 2лТр5г = 2я-Гр(я, -5,) = 2я7ЦДс - .5,) _ 2<гГц5с 1 п(Л/г0) 1 п(Л/г) 1а(г2 / /;) 1п(г / г0) 1п(Л//■„)'

Оценка несовершенства грунтовых скважин до настоящего времени производится с использованием поправок полученных для артезианских скважин, т.е. без учета существования промежутка высачивания АН = ко - Ис и закономерностей его изменения. Поэтому вопросы увязки величины АИ с параметрами несовершенства грунтовой скважины (приведенным радиусом г'0 и коэффициентом обобщенного сопротивления £*) до сих пор не рассматривались. Автором впервые получены решения по определению АИ, учитывающие зависимость АИ от параметров обобщенного сопротивления грунтовых скважин г'0 и Установлено, что поправка к фофрмуле Дюпюи компенсирующая суммарное несовершенство фунтовой скважины, представляет собой тангенс угла наклона прямой И20 - = /((?) к оси

0 при /тАд = 1. Это значит, что при введении с' в формулу Дюпюи осуществляется переход от напора Лс внутри скважины к напору /¡о в пласте по внешней стенке

скважины. Эту же роль выполняет и приведенный радиус возмущающей грунтовой скважины г'0. Всегда £* » 0и 0 < г'0 « г/>.

Расчет ЛИ производится с учетом параметров обобщенного фильтрационного сопротивления (ОФС) скважины:

(16)

где

—^-(й/ - Ac) -In — = (4-;) In* = + =

' Г0 \х J r0 Q

= (7-r')fo4 = AiA-; (17)

ro ro

t = —;-°T = —-„ ' „ = const — (18

H2-h2c 2 - Sc / H

коэффициент эффективности возмущающей грунтовой скважины.

С учетом поправок-констант г'д и 4* формула Дюпюи для грунтовой скважины и пласта впервые записана в виде следующего многократного равенства: - hi) _ лKD(h? - h2c) _ пKD(H2 - h2c) nKD{h] - hi) _ ln(r0 / rl) ln(r / r; ) In(R I ra) In(r/r0) + ?~

nKD(hl - hi) _ tzKd(h2 - hi) _ лК0{н2 - hi) £ In (Д/г0) ~ ln(/J/r)

_ ЯKD(hl - hi) xKir(hl - hi) _ nKKR{H2 - hi) In(r2/r,) ln(r I r„) ln(«/r0)

Из многократных равенств (15) и (19) следует, что при толковании формул Дюпюи по Каменскому-Кусакину используются одни и те же постоянные значения ГП: То = const и Кц = const ; и наоборот, при толковании их по И.Козени из-за существования граничных потерь напора AS или Ah получаются переменные значения ГП — функции Tkr и Kfr, которые лишь в частном случае (при г — R = const) переходят в константы Ткц и К^я , в х раз меньшие констант TD и Kg. Эти выводы идеально подтверждаются практикой опытных кустовых откачек, которые позволяют определять водопроводимость (или коэффициент фильтрации) пласта двумя способами: отдельно по наблюдательным скважинам (депрессионная поверхность 1 на рис. 3.61

gln(r2/r,) С1п(Л/г„)

= = (20)

и по возмущающей (г0) и наблюдательным (г) скважинам вместе (фиктивные де-прессионные поверхности 2 на рис. 3,6)

Обнаружение скачка уровней ¿15 у стенки возмущающей артезианской скважины дало основание поставить вопрос о достоверности значений водопроводи-мости, определяемой по формуле (21), и необходимости учета ¿15 в прямых и обратных задачах динамики подземных вод. Исследования показали, что значения Ткг являются функцией расстояния до наблюдательных скважин г и величины скачка ¿15, поскольку в (21) расход потока рассчитывается по фиктивным депрессионным поверхностям 2 (рис. 3,6), уклон которых определяется величинами г и /15. С удалением наблюдательных скважин от возмущающей и уменьшением ¿15 фиктивные депрессионные поверхности выполаживаются, всегда оставаясь круче реальной де-прессионной поверхности. Это приводит к тому, что значения Ткг возрастают при уменьшении ¿15 и увеличении г, всегда оставаясь меньше Т0. Очевидно, только при ¿15 = 0 функция Ткг = ДА Б,г) переходит в константу Т0. Теоретически и экспериментально установлено, что

01п(г/гя) пг

* 2л-(5с-5г) " ' или при г = Я (одиночные откачки)

0!п(И/ г0)

кК=—2я5- ъ + ак > (23)

где Т°г — отрезок оси Ткп отсекаемый графиком Ткг =/(1пг); ак — тангенс угла наклона прямой Ткг =/(1пг) к оси 1пг при данном сопротивлении возмущающей скважины.

Чтобы вместо кажущихся значений водопроводимости пласта Ткг или Ткц получать истинную величину водопроводимости То в формулы (21) и (23) необходимо вводить поправку определяемую по зависимости (12). Если при этом поправка сх отражает лишь некоторую часть обобщенного сопротивления скважины (например, только несовершенство по степени вскрытия пласта фильтром), то ^ < £ и в этом случае компенсируется лишь некоторая часть суммарных потерь напора ¿15,. < ¿15. В результате вместо 7д снова получаются кажущиеся (т.е. заниженные по сравнению с 7д) значения водопроводимости:

2к{Бс - 5Г)

б[ЦЛ/"») + £,]

или при г = Я Т*я= —----+ах1пЯ. (25)

2плс

Очевидно, если -> 0, то Тхг -> Ткг и Тхц —> а при сх с имеем Тхг -> 7д и ТхК -> 7д.

Таким образом, неучет существования АБ у стенки возмущающей скважины или неточное его определение косвенными методами (напр., через поправки с() приводят к тому, что кажущиеся величины водопроводимости подчиняются зависимостям (21)...(25) и становятся в несколько раз меньшими по сравнению с действительной водопроводимостью пласта Тд. Это значит, что зависимости (22)...(25) можно использовать в качестве критерия существования Л5 и точности определения £ и То-

Существование ЛБ у стенок возмущающих скважин требует учета этого явления в краевых задачах теории фильтрации и, в частности, при моделировании вертикального дренажа на интеграторах ЭГДА. Несмотря на огромное практическое значение данного вопроса моделирование реальных фильтрационных полей осуществлялось путем задания потенциала (или напора) внутри возмущающей скважины Это приводило к значительным погрешностям при расчете депрессион-ных воронок и оценке глубины залегания УГВ на осушаемой территории. Отмеченные погрешности исключаются заданием напора в пласте по внешней стенке дренажной скважины. В этом случае учитывается величина ЛБ и осуществляется переход от к Б д. Данную задачу предлагается решать путем подключения к модели скважины (игольчатой шине) добавочного электрического сопротивления Л,15, эквивалентного потерям напора ЛБ. Для расчета величины Д^ получена зависимость

(26)

{) 2к 2 к гд 2я\.т 1 г„ где р — удельное электрическое сопротивление модели.

Поскольку в масштабе моделирования реальная скважина радиуса го заменяется игольчатой шиной радиуса гм, то компенсация потерь напора, возникающих при этой замене, осуществляется добавочным электрическим сопротивлением КАп рассчитываемым по формуле Н.И.Дружинина. Складывая Л,,5 и Я1г, получаем суммарное электрическое сопротивление, компенсирующее потери напора в кольцах г„ - г., и г„ - г,/.

= + { . (27)

2л г0 2кК г0 )

Формула (27) широко применяется при моделировании скважин.

На системах вертикального дренажа скважины являются несовершенными по ыспсни и характеру вскрытия пласта. Поэтому возник методологический вопрос о принципах размещения наблюдательной сети на этих системах и о влиянии несовершенства дренажных скважин на положение УГВ вблизи них. Для решения этого вопроса на фильтрационном лотке конструкции В.С.Усенко были выполнены опыты по изучению влияния длины фильтра дренажной скважины / на поведение функций ^ =/(1), Бд =/(I'), АН =Д1), где АН = - Бд — промежуток нависания у

стенки дренажной скважины. Эксперименты показхпи, что при неизменном дебите скважины с увеличением степени ее несовершенства, т.е. с уменьшением длины фильтра, величины 5С и АН возрастают по линейным зависимостям. При этом понижение кривой депрессии по внешней стенке дренажной скважины Яо не только не возрастает, как это принимается в современной теории (рис. 4,а), но, наоборот, уменьшается по линейной зависимости при значительных дебитах и практически сохраняется постоянным при средних и небольших расходах. Следовательно, с увеличением несовершенства возмущающей скважины дополнительного снижения уровня в прискважинной зоне пласта не наблюдается. Увеличение несовершенства скважины приводит только к увеличению понижения Бс и, таким образом, вызывает дополнительное увеличение скачка уровней АН или Л5 на ее стенке (рис. 4,6). К этому важному выводу приводят также опыты в грунтовых лотках на взаимодействующих скважинах и анализ экспериментов, проведенных В.С.Усенко в шелевом лотке.

Данные исследования показали, что размещение укороченных фильтров наблюдательных скважин по глубине пласта должно быть таковым, чтобы положение уровня воды в этих скважинах совпадало с положением УГВ в месте их расположения. Практическая реализация этого принципа в современных рекомендациях (см., напр., ГОСТ 23278-78) сводится к требованию располагать укороченные фильтры наблюдательных скважин в осевом ярусе — горизонтальной плоскости, проходящей через середину (ось) фильтра возмущающей скважины (к примеру, если середина фильтра (осевой ярус) дренажной скважины находится на глубине 50 м, то на этой же глубине должны располагаться укороченные фильтры всех наблюдательных скважин). Выполнение этих рекомендаций приводит к огромным экономическим затратам и измерению не истинной депрессионной поверхности 1, а глубинных пьезометрических поверхностей 3, отражающих значения напоров во внутренних точках грунтового потока (рис. 3,6). С целью проверки этого вывода на фильтрационных лотках были проведены опыты с различной глубиной расположения укороченных фильтров наблюдательных скважин. Они показхпи, что на любых

а

Рис. А. Влияние несовершенства возмущающей скважины на дополнительное понижение кривой депрессиии АБис в прискважинной зоне пласта при одном и том же дебите для совершенной (1) и несовершенной (2) скважин: а — по современной теории (Ф.М.Бочевер и В.С.Ааексеев, 1965; и др.); б — по автору.

расстояниях от дренажной скважины напоры, фиксируемые пьезометрами осевого яруса, являются наименьшими по сравнению с напорами, фиксируемыми пьезометрами других (выше и ниже расположенных) ярусов, и не показывают наличия скачка уровней (который, однако, имеет место) у стенки дренажной скважины. В результате пьезометрическая поверхность 4, фиксируемая пьезометрами осевого яруса (рис. 3,6), является наиболее нижерасположенной (в разрезе) по сравнению с истинной депрессионной поверхностью 1, фиксируемой наблюдательными скважинами глубиной Н = к 1 + /¡2 + Яз, где Л; — длина отстойника, к2 — длина затопленной части фильтра при максимальной глубине опускания УГВ к] за наблюдаемый промежуток времени. Отсюда следует, что показания наблюдательных скважин, оборудованных укороченными фильтрами осевого яруса и применяемых ныне при опытных кустовых откачках, нельзя использовать для измерения депрессионной поверхности, величины скачка уровней у стенок дренажных скважин, определения ГП пласта и последующего прогнозирования глубины залегания УГВ при работе вертикального дренажа. Таким образом, как с позиции практической и теоретической значимости получаемой информации, так и с экономической точки зрения необходимо от дорогостоящих глубоких, размещаемых на уровне осевого яруса, наблюдательных скважин переходить к предлагаемой наблюдательной сети глубиной Н.

В 5-й главе "Методологические основы определения ГП с учетом несовершенства возмущающих скважин при неустановившемся движении подземных вод" приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований несовершенства скважин при их работе в неустановившемся режиме. Отмечено, что наиболее значительный вклад в создание современной теории неустановившихся фильтрационных сопротивлений дренажных скважин внесли А.Л.Хейн, В.Н.Щел-качев, Н.Н.Веригин, М.С.Хантуш, В.С.Усенко, Ф.М.Бочевер, А.Я.Олейник и др. С целью дальнейшего развития этой теории с позиций существования пьезометрического скачка /15 у стенок возмущающих скважин методы, разработанные для изучения установившихся фильтрационных сопротивлений, были применены для исследования характера изменения Л 5, с,, г0 во времени при установившейся фильтрации. В результате установлены закономерности поведения функций /15, = /(0, & ~/0, ДЯь гт) 11 Г01 - ¿¡¡) при квазистационарном режиме; здесь —

поправка-функция к формуле Тейса, компенсирующая неустановившееся обобщенное сопротивление возмущающей скважины в момент времени Г, г01 — неустановившийся приведенный радиус возмущающей скважины в момент времени /, выполняющий ту же роль; — величина пьезометрического скачка /15 в момент времени г после пуска скважины в работу. График функции =/(/15^ представляет собой прямую с угловым коэффициентом 4кТ/():

4, = = £ +Р1Ш-, (28)

0 г0,

r0, = r0 exp

(29)

Л5, = Sa - S0l = AS? + Sint,

(30)

где — понижение уровня внутри возмушаюшей скважины на момент времени /; 5® — понижение пьезометрической поверхности в пласте по внешней стенке возмушаюшей скважины на момент времени /; /5 = 8Д = Т/Тс - 1 — угловой коэффициент графика =/(1п I); 5 = ¡с - /' — то же, графика АБ, = /(1п 1)\ / = 0/4лТ — то же, графика временного прослеживания снижения уровня в пласте ¿д. =/(7л !)\ ¡с = 0/4лТс — то же, графика 5С/ =/(1п I).

Из (13) и (29) слсд>ш, то н^синоапьинш^я угш) и >становившийся (г„) приведенные радиусы возмушаюшей скважины имеют одинаковый физический и геометрический смысл.

С учетом поправок-функций и г01, компенсирующих неустановившееся оо-общенное сопротивление возмущающей скважины, формула Тейса для пласта и скважины принимает вид:

Из многократного равенства (31) следует, что при введении в формулу Тейса функций и т01 осуществляется переход от понижения Sct к понижению Sq^ т.е. учитывается неустановившаяся величина разрыва уровней При этом во всех случаях используются одни и те же истинные значения водопроводимости (7) и пьезопроводности (а) пласта, определяемые по изменению уровня в наблюдательных скважинах.

На практике, однако, часто используются не истинные а и Т, а кажущиеся (по В.Н.Щелкачеву) или приведенные (по Н.Н.Веригину) значения пьезопроводности (ас) и проводимости (Тс), определяемые по данным изменения уровня внутри возмущающей скважины Sc!. Величины ас и Тс искажены влиянием неустановившихся обобщенных сопротивлений возмушаюшей скважины и существенно отличаются от своих истинных значений а и Т. Поэтому возникла необходимость в установлении связей а = /(aj и Т = f(TJ. Изучение этого вопроса позволило установить, что неустановившееся обобщенное сопротивление возмущающей скважины состоит из двух сопротивлений: константы £**, осуществляющей перевод кажущейся пьезопроводности ас в истинную пьезопроводность пласта а = асехр(-%"), и функции времени , осуществляющей перевод кажущейся проводимости Тс в истинную проводимость пласта Г = Тс + у//4х, где у/ = /Sct = const. Вместе взятые по-

(31)

правки на пьезопроводность 4" и проводимость 4" заменяют функцию £, = 4" + 4", вводимую в формулу Тейса для компенсации неустановившихся потерь напора АЯ, на стенке возмущающей скважины. Наличие двух составляющих неустановившегося обобщенного сопротивления 4, объясняется тем, что перераспределение напоров в неустановившемся фильтрационном потоке характеризуется двумя параметрами: пьезопроводностью и проводимостью.

С учетом этих выводов для расчета понижения 5С/ в формуле Тейса в равной мере можно использовать как истинные (а, 7) — зависимость (31), так и приведенные (ас, Тс) значения ГП:

0 (, 2,25а/ Л 0 , 2,25а( 0 (. 2,25а/ е.Л

0 (, 2,25ал б , 2,25аЛ

Из (32) следует, что при откачках из одиночных скважин иногда (если /с = О можно получить истинное значение проводимости пласта Т, но никогда в этих условиях (из-за существования /15,) нельзя получить истинной величины пьезопро-водности пласта а. Это значит, что в строгой постановке определение а необходимо вести только по наблюдательным скважинам.

В 6-й главе "Теория квазистационарного режима неустановившегося фильтрационного потока переменной массы — методологическая основа определения ГП в условиях перетекания подземных вод" излагаются результаты натурных исследований закономерностей формирования неустановившейся депрессионной поверхности при работе дренажных скважин в пластах с площадным питанием и приводится их теоретическое обобщение на базе известных решений Ч.В.Тейса, С.Е.Джейкоба, М.С.Хантуша, ИАЧарного, Ф.М.Бочевера, А.Н.Мятиева, М.А.Гусейн-Заде, В.М.Шестакова, М.Г.Хубларяна и др. К примеру, снижение уровня в одном из горизонтов трехслойной толши характеризуется зависимостью (В.М.Чуйко, 1967)

5„ = е

4яТ„

4аг) Т, \4а1 В.

(33)

которая при / > 2,5г2/4а(г/В)2 принимает вид

Т0 = Т, + Т2 = Т,{1 + Я, / 2);а0 = а{1,12В)1° ;10 = 2Т2 / Т,;]

где - I (35)

а = 2 / (/ / а, + / / а2);В = ^тГТ, / Кг(1 + Т, / Т2). )

Здесь То, а0, Л0 — комплексные гидрогеологические параметры, находящиеся в сложных функциональных связях с истинными гидрогеологическими параметрами Т\, Тъ аI, а2, В. Для их определения требуется заложение большого количества

наблюдательных скважин на осушаемый и более глубокие водоносные горизонты, участвующие в формировании дренажного стока и депрессионной поверхности. Такая наблюдательная сеть стоит крайне дорого и существенно снижает экономические показатели систем вертикального дренажа. Это одна, практическая сторона вопроса. Имеется и другая, методологическая, связанная прежде всего с тем, что движение подземных вод в разделяющих малопроницаемых отложениях подчиняется тем или иным МНФ и пока представляет огромное препятствие для оценки комплексных ГП (особенно параметра В) с требуемой для проектирования водозаборов и дренажа точностью. Поэтому в гидрогеологической практике широкое распространение получили обобщенные ГП, в неявном виде отражающие всю гамму гидравлических связей возмущенного пласта со смежными и определяемые традиционно простыми методами с использованием суммарного расхода потока переменной массы (дебита скважины) и наблюдательной сети, закладываемой непосредственно на возмущенный горизонт.

Методологическое обоснование теории обобщенных ГП для опытных откачек приводится в работах П.Я.Полубариновой-Кочиной, Ф.Б.Абуталиева, Ф.М.Боче-вера, И.К.Гавич, Н.И.Плотникова, Н.Н.Биндемана, Н.И.Дробнохода, И.Е.Жерно-ва, А.Б.Ситникова, Н.Н.Веригина, Э.А.Грикевича, П.П.Климентова, В.М.Кононова, Б.В.Боревского, Б.Г.Самсонова, Л.С.Язвина, В.А.Мироненко и др. С целью дальнейшего развития этой теории в выражении (34) от комплексных ГП перейдем к их обобщенным аналогам. Для этого выражение (34) с помощью аналога подстановки

а) = а0г~1° (36)

преобразуем в формулу Тейса, содержащую обобщенные ГП:

„ Q 2,25art

= (37)

Входящая в (37) обобщенная пьезопроводность аг определяется с использованием опытных значений Srt, г, t по известной зависимости

lnar = S^i + 21nr - ln2,25t. (38)

Из (36) и (37) следует, что обобщенная пьезопроводность аг = Г/иг является функцией координаты г и, таким образом, отражает характер изменения упругоем-кости возмущенного пласта вдоль пути движения фильтрационного потока переменной массы. Объяснение этой гипотезе в первом приближении можно дать исходя из того, что напряженность, а следовательно, и упругоемкость пласта находятся в тесной зависимости от количества содержащейся в нем жидкости. Но поскольку в потоках переменной массы, формирующихся в условиях перетекания, это количество жидкости изменяется по пути движения потока, то, очевидно, в этом же направлении будет изменяться и упругоемкость возмущенного пласта.

Для экспериментальной проверки этой гипотезы по формуле (38) было обработано множество опытных кустовых откачек, выполненных в однородных по про-

водимости пластах. При этом рассматривался только квазистационарный режим формирования депрессионной поверхности, при котором графики временного и площадного прослеживания изменения уровня образуют семейства параллельных прямых с угловыми коэффициентами соответственно i = const и ip = const.

Анализ полученных данных показал, что, в отличие от абсолютно изолированных (эталонных или тейсовских) пластов, где всегда /д = 2i, во всех этих опытах ¡D * 2i. Оказалось, что в одних гидрогеологических условиях Íq > 2i, в других /д < 2i (к примеру, в Припятском Полесье при средних режимах эксплуатации вертикального дренажа /д = 0,45 м, i = 0,10 м). При этом в обоих случаях, т.е. когда iD ¿ 2i, изменение опытных значений аг в билогарифмической системе координат 1паг — Inr с высокой степенью точности аппроксимируется прямой

In ar = In а° + Я ¡n г (39)

с начальным отрезком In а°г и угловым коэффициентом Я, которые здесь, очевидно, также являются обобщенными ГП.

Теоретически установлено, что параметр водообмена X определяется по изменению уровня в двух или более наблюдательных скважинах, расположенных в зоне квазистационарного режима, с использованием зависимости

ln(t2/t,)Sril-Sr, _1п{аг2/аг) Г /Л Sn2-Sniln{r2/ri) ln{r2/r,) I 2i)'

Опыт, однако, говорит о том, что наиболее удобен графо-аналитический способ определения Л по экспериментальным графикам 1паг = f(lnr), тангенс угла наклона которых к оси Inr и равен величине Я.

Данные исследования показывают, что в природных условиях существуют три разновидности квазистационарного режима неустановившегося движения подземных вод: идеальная, присущая абсолютно изолированным пластам (/д = 21, Я = О) и две реальных или естественных, наблюдаемых в пластах с площадным питанием (i¿ < 2i, 0 < Л < 2 и ij) > 2i, Л < О). Идеальная разновидность квазистационарного режима нами в опытах не обнаружена. Поэтому встал вопрос о том, по какой методике, использующей обобщенные ГП, можно прогнозировать формирование неустановившейся депрессионной поверхности при двух других разновидностях естественного квазистационарного режима. Эта задача представляет большой практический интерес и решена путем замены в (37) обобщенной пьезопроводности ar et значением, определяемым функцией (39). В итоге мы получаем обобщенную форт •• об, 2,25a°t .... мулу Теиса S„ = -Ц- In ' , (41)

4кТ r¿

содержащую аплроксимационный параметр а°, численно равный обобщенно! пьезопроводности аг в точке г = 1, и водобалансовую поправку (параметр водооб мена) Я, отражающую степень гидравлической связи возмущенного пласта с сосед ними по разрезу.

Закономерность (39) и выведенная на ее основе формула (41) позволяют получить ряд новых зависимостей, имеющих принципиальное значение для методологии определения ГП. Например, из (41) следует, что естественный квазистационарный режим неустановившейся фильтрации характеризуется следующими графиками временного, площадного и комбинированного прослеживания изменения уровня: = Ат + Ш = А, + ¡/¿/(2 - Х)\1пг, (42)

где А„ А,, А/с — отрезки оси Бп, отсекаемые прямыми (42)...(44). При X —0 из (42)...(44) следуют графики временного, нлощадного и комбинированного (по Джейкобу) прослеживания уровня, характерные для известной (идеальной) разновидности квазистационарного режима. Этот факт имеет важное практическое значение и использован для разработки нового метода определения обобщенных ГП по данным опытных кустовых откачек при неустановившемся движении. Метод основан на применении преобразования (44) Б^ = ^¡п^/г2 ~ ")], из которого следует, что при X # О графики комбинированного прослеживания изменения уровня необходимо строить в координатах Бг, — /л(//л2"я). Только в этом случае опытные величины Б„ образуют единый график комбинированного прослеживания для любого количества наблюдательных скважин, расположенных в зоне квазистационарного режима, и наблюдается высокая сходимость прогнозных и фактических понижений уровня Бп (рис. 5,6). Применение в этих условиях, т.е. при X # 0, преобразования Джейкоба Бп = /¡/«(//г2)] приводит к тому, что опытные значения Бп образуют семейство (лесенку) прямых, в котором каждой наблюдательной скважине соответствует свой график Джейкоба (рис. 5,а).

Рассмотренные закономерности перераспределения УГВ присущи естественному квазистационарному режиму (г < гк). При проектировании вертикального дренажа огромное значение уделяется также прогнозированию УГВ на осушаемых землях в краевых областях депрессионных воронок, за пределами зоны квазистационарного режима (г > Поэтому возник вопрос о закономерностях формирования УГВ в удаленных областях возмущения. Для его решения в однородных по проводимости пластах были выполнены специальные опыты. Они показали, что в зоне г > гк таких пластов при X # 0 угловой коэффициент ; графиков временного прослеживания закономерно уменьшается с удалением от дренажной скважины. Эта закономерность во всех опытах аппроксимируется функцией

где / = const для зоны г < rk\ i(r) — величина / в точке (наблюдательной скважине) г > гь гк — внешняя граница зоны квазистационарного режима; а — угловой коэффициент прямой i(r) =Д1пг). Всегда а < 0.

S^Ak+iKt/fJ-*),

Sn = А, - irfnr = А, - i(2 - X)lnr,

(43)

(44)

¡(г) = / + a ln(r/rk),

(45)

М

Рис. 5. Графики комбинированного прослеживания УГВ в наблюдательных скважинах 7а...34 по Джейкобу (а) и автору (б) при опытной откачке из скв. 7, пущенной в работу с дебитом 100 м3/ч (опыт 47). Участок вертикального дренажа в центральной зоне Белорусского Полесья.

■ 5 -3 /2 -8 -6 -2

Научно-практическое значение функции (45) состоит в том, что она открывает пути для дальнейшего совершенствования методологии проведения гидрогеологических прогнозов, размещения наблюдательной сети, постановки опьггно-фильтрационных работ и их интерпретации в зонах г > г* при эксплуатации вертикального дренажа и производстве гидрогеологических изысканий.

Исследованные закономерности формирования УГВ при опытных и эксплуатационных откачках являются основным источником гидрогеологической информации, позволяющей оценить фильтрационные параметры, граничные условия и водообильность дренируемых водоносных горизонтов. Однако эта ценнейшая и в то же время дорогостоящая информация пока используется не полностью в основ-

ном из-за слабой изученности физики перетекания и процесса восстановления де-прессионных воронок, формирующихся в дренируемом и смежных горизонтах. Поэтому на болотных массивах, осушаемых вертикальным дренажем, были проведены наблюдения за восстановлением депрессионных поверхностей после остановки дренажных скважин. Данными опытами установлено, что при наличии площадного питания (X ? 0) процессу восстановления УГВ в целом свойственны те же закономерности, которые присущи снижению УГВ. К примеру, в зоне пласта г < rk после остановки дренажной скважины формируется естественный регулярный режим восстановления УГВ, при котором графики временного прослеживания восстановления уровня параллельны между собой (/ = const), графики комбинированного (по Джейкобу) проележтания расщепляются, а графики комбинированного (по автору) прослеживания восстановления выстраиваются в прямую, единую для всех наблюдательных скважин. За областью регулярного режима (г > rk) угловые коэффициенты / графиков временного прослеживания восстановления уровня уменьшаются с ростом г в соответствии с функцией (45).

Восстановление УГВ начинается мгновенно с момента остановки насоса tg только внутри дренажной скважины и непосредственно вокруг нее в пласте. Образуется зона развивающегося восстановления уровня радиусом R]. Спустя 15...20 мин. процесс принимает квазистационарный характер и величина R', растет во времени по степенной зависимости, в 3...8 раз отставая от роста радиуса влияния откачки R, в тех же условиях. За пределами зоны начавшегося восстановления УГВ (г > /?,') депрессионная поверхность не продолжает понижаться, как в абсолютно изолированном пласте, а становится неподвижной и занимает одно и то же устойчивое положение S, фиксируемое в момент остановки скважины tg. С этого положения и начинается восстановление УГВ при подходе фронта восстановления Л,'. Поэтому в пластах с площадным питанием графики временного прослеживания восстановления уровня не имеют точек перегиба tr, которые характерны для аналогичных графиков в абсолютно изолированных пластах и свидетельствуют о продолжающемся снижении уровня в зоне г > Л," и после остановки скважины.

ВЫВОДЫ

1. Гидрогеологические параметры (ГП) являются важнейшей составляющей исходной гидрогеологической информации и широко используются в гидрогеологических прогнозах и обоснованиях. Разработанная методология их определения имеет существенные геоэкологические и экономические преимущества перед традиционной, отличается физико-математическим совершенством и прошла многолетнюю производственную проверку на системах вертикального дренажа и опыт-

ными откачками. В основе новой методологии лежат следующие явления и закономерности, впервые обнаруженные, сформулированные и исследованные соискателем: 1) особенности проявления осложняющих концевых эффектов в трубках Дарси; 2) теория обобщенных МНФ; 3) основные свойства и закон движения фильтрационных потоков переменной массы; 4) новая теория несовершенства и граничных условий возмущающих скважин; 5) разновидности квазистационарного режима неустановившейся фильтрации, формирующиеся в пластах с перетеканием, и присущие им закономерности, играющие фундаментальную роль в теории и практике опытных откачек.

2. Доказано, что при оценке водопроницаемости фунтов в пермеаметрах на их контурах питания и стока возникают осложняющие концевые эффекты, приводящие к различным соотношениям между величинами внешнего (У) и внутреннего (]) фадиентов напора; теоретически выведены и экспериментально подтверждены закономерности проявления этих эффектов и на их базе разработаны основные положения теории осложняющих граничных сопротивлений — фильтрационных явлений, возникающих в приторцевых зонах трубок Дарси и приводящих к неустойчивости исходного уравнения фильтрации V = ¡(Г) = <р(]) при изменении направленности потока относительно вектора силы тяжести.

3. Установлены основные свойства реальных кривых нелинейной фильтрации V =/(/') и на их базе разработана теория обобщенных МНФ, составляющая методологическую основу определения ГП малопроницаемых отложений. Отличительными признаками теории являются: свойство фильтрационной полимодельности нелинейных сред, принцип построения обобщенных МНФ и метод управления их нелинейностью, методологические преимущества теории обобщенных МНФ перед традиционной теорией элементарных моделей нелинейной фильтрации.

4. Доказано, что современная теория несовершенства возмущающих скважин обладает существенными недоработками, приводящими к офомным (до 70 % и более) пофешностям при оценке ГП опытными откачками; с целью устранения этих пофешностей и причин, их порождающих, путем учета закономерностей формирования фаничных условий на контурах реальных стоков и источников разработана новая теория несовершенства фунтовых и артезианских скважин, работающих в условиях установившегося и неустановившегося движения подземных вод. Ее главными отличительными признаками являются: явление существования пьезометрического скачка уровней ДБ у стенки возмущающей артезианской скважины и закономерности его изменения при установившейся и неустановившейся фильтрации; уравнения, связывающие все виды несовершенства скважин с величиной пьезометрического скачка и промежутка высачивания ЛИ на их стенках; методы построения установившегося (г0) и неустановившегося (г0!) приведенных радиусов фунтовых и артезианских скважин, физический и геометрический смысл этих радиусов; методы учета установившихся и неустановившихся обобщенных

фильтрационных сопротивлений (ОФС) возмушаюших скважин при определении ГП по данным опытных откачек; способ перевода ОФС в эквивалентные электрические сопротивления при моделировании возмущающих скважин на интеграторе ЭГДА. Сопоставление традиционной и предлагаемой теорий ОФС возмушаюших скважин приведено в табл. 2.

Таблица 2.

Сравнительная оценка существующих теорий ОФС

Основные положения В традиционной теории ОФС В теории ОФС, разработанной автором

1 Закономерности изменения Расчет рассматривается как внутренняя задача скважины и используются законы трубной гидравлики: Д8 = Д8фТ = РО2 Расчет 45 рассматривается как внешняя задача скважины и применяется теория фильтрации: 45 = сО

2 Влияние ОФС на дополнительное понижение кривой депрессии в при-забойной зоне пласта 45„г Признается: 45/;с » 0 Отрицается: 45/;с = 0

3 Соотношение между гд и г0 Допускается любое: г0< г0 < г0 Допускается только одно: 0 «г„ « го

4 Значение показателя с, в формуле Дюпюи Допускается любое: 0 < £<0 Допускается только одно: £ » 0

5 Точка (г0, 5У на поверхности Дюпюи Существует Не существует

6 Оценка г0 и £ через 4Л или 45 Не производится Производится и является основой теории

5. Для более глубокого познания закономерностей перераспределения пластового давления при слиянии фильтрационных потоков, т.е. в условиях вертикального водообмена между пластами, разработан метод идентификации квазистационарного режима неустановившейся фильтрации, отличающийся тем, что в этом методе впервые ставится цель определить разновидность режима; цель достигается оценкой соотношения между угловыми коэффициентами графиков площадного (/д = 0/2лТ[,) и временного (/' = 0/4лТ) прослеживания изменения уровня, т.е. с помощью функции /д =/(21), единичное значение которой и является границей и областью существования указанных разновидностей.

6. Установлено, что в природе наряду с известной (/д = 2Г) существуют еще две, неизвестные ранее разновидности квазистационарного режима, присущие потокам переменной массы и потому встречающиеся только в пластах с перетеканием. Эти разновидности квазистационарного режима широко распространены в натурных условиях и названы естественными, а известная разновидность, присущая

абсолютно изолированным пластам, в опытах не обнаружена и названа идеальной. Условия существования всех трех разновидностей квазистационарного режима приведены в табл. 3.

Т, м2/е.ут.

1300 1200 1100 <1000

900

—

-Os.

I

—••

\ I

- о

0

1

I I

I I

^о_

2,7 fy-r,

оЛ

о

-о,ъ -1,2

Рис. 6. Характер изменения параметров T(l,2), Iga и lg/j вдоль координаты Igr при опытной откачке из куста 40: 1 — параметр Т определен методом Джейкоба; 2 — то же, методом автора (по данным Б.В.Боревского и Б.Г.Самсонова, 1973). Здесь !gar = -0,20 + 1,43 Igr; lgpr = 3,23 - 1,43 Igr, где ar — м2/сут, г — м.

1. Установлено, что в области существования естественных разновидностей квазистационарного режима изменение обобщенной пьезопроводности пласта аг вдоль пути движения г потока переменной массы подчиняется закону: ar — a°r где X — 2(1 - i[/2i) — параметр водообмена. При отсутствии перетекания (1 — 0) из данной закономерности следует идеальная разновидность квазистационарного режима с присущими ей константами. Типичный график функции аг = /(г), полученной ВСЕГИНГЕО при опытной откачке из безнапорного трещинно-карстового пласта в Центральном Казахстане, приведен на рис. 6. С такой же высокой степе-

2

нью точности закономерность аг = а", / подтверждается всеми опытами, выполненными в Беларуси и других странах.

Таблица 3.

Условия существования естественного регулярного режима неустановившейся фильтрации

Достаточные

1-я разновидность 2-я (идеальная) 3-я разновидность

Необходимые регулярного разновидность регулярного

режима регулярного режима

режима

/ = const 2' > Ь 2/ = /'/) 2/ < ¡о

lp = const тв>т II тв<т

Т = const 2 > Л > 0 Х = 0 X < 0

Тр = const аг=/&) ar = ar° = const ог=Аг)

Иг =/(0 /лг = цг° = const Мг=/(Г)

8. Для естественных разновидностей квазистационарного режима разработан новый метод определения ГП, не имеющий аналогов в мире. Он основан на построении графиков комбинированного прослеживания изменения уровня с использованием преобразования =Л!п(1/г2~;)], широко апробирован на системах вертикального дренажа в Белорусском Полесье и обладает высокой точностью.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сравнительная оценка формул определения промежутка высачивания //Записки Ленинградского горного института, том 48, вып. 2. Л.: 1965. - С. 39 -50.

2. Определение величины промежутка высачивания у стенок горных выработок //Известия вузов. Горный журнал. - 1965, № 9. - С. 3 - 10.

3. Гидрогеологические расчеты дрен и параметров водоносных горизонтов (на примере КМА): Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к. г.-м. н.: 04.00.06/ Ленинград. горный ин-т. - Л., 1965. - 22 с.

4. Об исходных предпосылках при определении промежутка высачивания и параметров пластов //Известия вузов. Геология и разведка. - 1966. № 3. - С. 119 - 128.

5. К определению коэффициента фильтрации опытными откачками // Инженерно-физический журнал. - 1967, т. 12, № 5. - С. 657 - 661.

6. О параметрах неустановившейся фильтрации // Сб. Использование и охрана водных ресурсов БССР. - Минск: Наука и техника, 1967. - С. 197 - 205.

7. Вопросы расчета и моделирования реальных фильтрационных полей // Сб. Вопросы водохозяйственного строительства. - Минск: 1968. - С. 177 - 187.

8. Исследование неустановившейся фильтрации в неограниченном пласте // Сб. Использование водных ресурсов. - Минск: Наука и техника, 1969. - С. 197 - 206.

9. Вопросы гидрогеологической типизации водоносных горизонтов // Сб. Использование водных ресурсов. - Минск: Наука и техника, 1969. - С. 82 - 90.

10. К определению обобщенного сопротивления водопонижающих скважин // Сб. Вопросы водохозяйственного строительства. - Минск: 1969. - С. 103 - 121.

11. К расчету уровня подземных вод при работе вертикального дренажа // Сб. Водное хозяйство Белоруссии, вып. 1. - Мн.: Вышэйшая школа, 1971, - С. 80

- 90.

12. О влиянии несовершенства возмущающей скважины на точность определения коэффициента фильтрации // Доклады АН БССР. - 1971, том 15, № 12.

- С. 1117 - 1120.

13. Водные свойства горных пород // Белорусская Советская Энциклопедия. - Минск, 19714. - Т. 3. - С. 143 - 144.

14. К исследованию несовершенства возмущающей скважины в натурных условиях // Сб. Мелиорация переувлажненных земель, том 20. Труды БелНИИ-МиВХ. - Минск: Ураджай, 1972. - С. 228 - 240.

15. О геометрическом смысле приведенного радиуса возмущающей скважины // Сб. Проектирование и расчет сооружений водохозяйственных систем. Труды БСХА, том 101. - Горки: 1973. - С. 22 - 30.

16. Исследование несовершенства возмущающей скважины при неустановившейся фильтрации // Доклады АН БССР. - 1974, том 18, № 9. - С. 848 - 850.

17. Натурные исследования неустановившейся фильтрации к скважинам // Сб. Водное хозяйство Белоруссии, вып. 4. - Мн.: Вышэйшая школа, 1975. - С. 48

- 55.

18. Осушительно-увлажнительные системы на базе вертикального дренажа в Белорусском Полесье // Гидротехника и мелиорация. - 1975, № 1. - С. 62 - 69 (Соавторы А.И.Мурашко и А.Т.Шпаков).

19. Регулирование водного режима осушаемых площадей вертикальным дренажем и орошение подземными водами // Сб. Проблемы Полесья, вып. 4. -Минск: Наука и техника, 1975. - С. 133 - 151 (Соавторы А.И.Мурашко и А.Т. Шпаков).

20. Временные рекомендации по применению вертикального дренажа в Припятском Полесье / УкрНИИГиМ, Киев: 1978. - 60 с. (Соавторы Г.И.Пастухов, Ю.АЛирва, Г.А.Халметов).

21. К определению начального градиента напора и водопроницаемости грунтов в приборах Дарси // Сб. Конструкции и расчеты осушительно-увлажнительных систем, вып. 2. - Минск: 1978. - С. 154 - 168.

22. К исследованию граничных условий и проницаемости водоносных пластов лабораторными методами // Сб. Мелиорация земель Полесья и охрана окружающей среды. - Киев: 1978. - С. 166 - 171.

23. О размещении наблюдательной сети при производстве опытных откачек // Сб. Современные методы исследований и обработки данных в гидрогеологии, вып. 4. - Ташкент: 1978. - С. 86 - 91.

24. Исследование промежутка высачивания и несовершенства дренажных скважин // Сб. Мелиорация переувлажненных земель. Труды БелНИИМиВХ, том 27. - Минск: Ураджай, 1979. - С. 101 - 111.

25. О неустойчивости движения ньютоновских и аномальных жидкостей в приборах Дарси // Сб. Краевые задачи теории фильтрации. Тезисы докладов Всесоюзного совешания-семинара. Часть 2. - Ровно: 1979. - С. 194 - 195.

26. Гидрогеологические основы вертикального дренажа. - Минск: Наука и техника, 1979. - 288 с.

27. Гидрогеологические расчеты при осушении и орошении земель // Кн. Справочное руководство гидрогеолога. Под ред. В.М.Максимова. Том 1. Л.: Недра, 1979. - С. 451 - 454.

28. Способ обработки данных опытных откачек при неустановившейся фильтрации // Сб. Конструкции и расчеты осушительно-уалажнительных систем. - Вып. 4. - Минск: 1979. - С. 51 - 63.

29. Вопросы гидрогеологического обоснования вертикального дренажа в зоне Полесья // Сб. Мелиорация и водное хозяйство. № 52. - Киев: Урожай, 1981. - С. 17 - 21.

30. О влиянии длины фильтра на понижение кривой депрессии вблизи скважины // Сб. Новые конструкции мелиоративных систем и сооружений на них. - Минск: 1982. - С. 171 - 180.

31. О структуре режимно-балансовой сети на опорных участках осушаемых территорий Ц Сб. Вопросы проектирования и эксплуатации мелиоративных систем. - Минск: 1984. - С. 136 - 141.

32. Закономерности восстановления депрессионной поверхности в пластах с напорным питанием // Сб. Повышение эффективности использования мелиорированных земель. Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции. Часть 1. - Ровно: 1984. - С. 40 - 41.

33. Исследование перетекания в трехслойных пластах при их осушении горизонтальным или вертикальным дренажем // Сб. Конструкции и методы расчета мелиоративных систем. - Минск: 1985. - С. 128 - 139.

34. Новые модели движения грунтовых вод в глинистых почвогрунтах // Сб. Осушительные и осушительно-увлажнительные системы. - Минск: 1986. - С. 76 -91.

35. Фильтрация // Природа Белоруссии. - Минск: Белорус. Сов. Энцикл., 1986. - Т. 5. - С. 206 - 207.

36. Гидрогеологические основы применения вертикального дренажа в осу-шительно-увлажнительных мелиорациях: Автореф. дис. на соискание уч. ст. д-ра техн. наук: 04.00.06 / Институт гидрогеологии и инжен. геологии им. О.КЛанге. -Ташкент, 1990. - 41 с.

37. Учет гидрогеологических условий при захоронении вредных веществ // Архитектура и строительство Беларуси. - 1994, № 4. - С. 15 - 20.

38. Основные свойства фильтрационных потоков переменной массы // Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА. Часть 1: Тезисы докл. международ, конф. - Минск, 1995. - С. 109 - 110.

РЭЗЮМЕ КАСЦЮК0В1Ч ПЕТР М1КАЛАЕВ1Ч

Тэарэтычныя асновы вызначэння пдрагеалапчных параметрау ва умовах перацякання падземных вод I пры фарМ1раванш разрыва узроуняу на сценцы узбуджаючай свщравшы

Ключавыя словы: пдрагеалапчныя параметры ваданосных пластоу, закон руху фшьтрацыйных патокау пераменнай масы, фашчныя эфекты у трубках Дара, нелшейная фшьтрацыя, сын-эфект свщравшы, доследныя адпампоуванш у пластах з перацяканнем.

Аб'ект даследаванняу — пдрагеалапчныя параметры ваданосных пластоу, гратчныя умовы 1 законы руху фшьтрацыйных патокау, вертыкальны дрэнаж.

Мэта працы — навуковае забеспячэнне тэхшчнага прафэсу у гтдрагеалоги на аснове новай метадалогц вызначэння пдрагеалапчных параметрау.

Метад даследаванняу / апаратура — тэарэтычньш распрацоую, лабараторныя 1 палявыя даследаванш з прымяненнем традыцыйных I арыпнальных методык.

Атрьшаныя вынШ / ¡х навана — распрацаваны новыя методы вызначэння пдрагеалапчных параметрау, у аснове я их ляжаць наступньм палажэнш 1 з'явы, упершыню выяуленыя I сфармуляваныя аутарам: 1) заканамернасш 1 уласщвасщ фшьтрацыйных патокау пераменнай масы 1 заснаваная на ¡х тэорыя абагульненых пдрагеалапчных параметра}/; 2) ураунснш, характарызуючыя заканамернасш праяулення ускладняючых грашчных супрашуленняу пры ацэнцы вацапрашкаль-насщ фунтау у трубках Дара; 3) тэорыя абагульненых мадэляу нелшейнай фшь-трацьп I пабудаваная на ёй метадалот вызначэння фшьтрацыйных уласшвасцей малапрашкальных адкладау; 4) з'ява юнавання п'езаметрычнага скачка узроуняу Л5 на сценцы узбуджаючай артэз'шнскай свщравшы 1 заканамернасш яго змянення; 5) новая тэорыя недасканаласщ узбуджаючых свщравщ, у якой паказчьта недаскана-ласш свиравшы выражаюцца праз вел^чыню АЗ або прамежак высачвання АН на яе сценцы; 6) ¡снаванне двух новых разнавщнасцеи кваз1стацыянарнага рэжыма неустанав^шайся фшьтрацьи у пластах з перацяканнем 1 IX асноуныя уласщвасщ; 7) метад вызначэння пдрагеалапчных параметрау у пластах з перацяканнем, засна-ваны на ужыванш пераутварэння =Л'л('А2"1)]-

Ступень выкарыстання — асноуныя распрацоую выкарыстаны у даведачна-нарматыунай лггаратуры 1 подручниках, ужыты пры гщрагеалапчным абгрунтаванш вертыкальнага дрэнажу у Беларусюм Палеса, шырока скарыстоуваюцца на лек-цыйных 1 практычных занятках са студэнташ 1 астрантам1.

Вобласць прьшянення — доследна-фшьтрацыйныя даследаванш пры геолагараз-ведачных работах 1 ¡нжынерна-геалапчных пошуках; ацэньванне запасау падземных вод; пдрагеалапчныя разлш узбуджаючых свщравш.

РЕЗЮМЕ

КОСТКЖОВИЧ ПЕТР НИКОЛАЕВИЧ

Теоретические основы определения гидрогеологических параметров в условиях перетекания подземных вод и при формировании разрыва уровней на стенке возмушаюшей скважины

Ключевые слова: гидрогеологические параметры водоносных пластов, закон движения фильтрационных потоков переменной массы, граничные эффекты в трубках Дарси, нелинейная фильтрация, скин-эффект скважины, опытные откачки в пластах с перетеканием.

Объект исследования — гидрогеологические параметры, граничные условия и законы движения фильтрационных потоков, вертикальный дренаж.

Цель работы — научное обеспечение технического прогресса в гидрогеологии на основе новой методологии определения гидрогеологических параметров.

Метод исагедования и аппаратура — теоретические разработки, лабораторные и полевые исследования с применением традиционных и оригинальных методик.

Полученные результаты и их новизна — разработаны новые методы определения гидрогеологических параметров, в основе которых лежат следующие положения и явления, впервые сформулированные и обнаруженные автором: 1) закономерности и свойства фильтрационных потоков переменной массы и основанная на них теория обобщенных гидрогеологических параметров; 2) уравнения, характеризующие закономерности проявления осложняющих граничных сопротивлений при оценке водопроницаемости грунтов в трубках Дарси; 3) теория обобщенных моделей нелинейной фильтрации и построенная на ней методология определения фильтрационных свойств малопроницаемых отложений; 4) явление существования пьезометрического скачка уровней у стенки возмущающей артезианской скважины и закономерности его изменения; 5) новая теория несовершенства возмущающих скважин, в которой показатели несовершенства скважины выражаются через величину ЛБ или промежутка вы-сачивания ЛИ у ее стенки; 6) существование двух новых разновидностей квазистационарного режима неустановившейся фильтрации в пластах с перетеканием и их основные свойства; 7) метод определения гидрогеологических параметров в пластах с перетеканием, основанный на использовании преобразования =/[//г(//г?"')].

Степень использования — основные разработки использованы в справочно-нормативной литературе и учебниках, применены при гидрогеологическом обосновании вертикального дренажа в Белорусском Полесье, широко используются на лекционных и практических занятиях со студентами и аспирантами.

Область применения — опытно-фильтрационные исследования при геологоразведочных работах и инженерно-геологических изысканиях; оценка запасов подземных вод; гидрогеологические расчеты возмущающих скважин.

SUMMARY

P.N. KOSTYUKOVICH

Theoretical grounds for the liydrogeological parameters determination in the ground water leakage conditions and of the water table gap forming at the pumping well

Key words: hydrogeological parameters of aquifers, the law of variable mass filtration flow motion, border effects in Darcy tubes, non-linear filtration, skin effect of the well, pumping tests in leaky aquifers.

Object of research — hydrogeological parameters of water aquifers, border conditions of filtration flows, laws of ground water motion, vertical drainage.

Subject of the thesis — to provide scientifically technical progress in hydrogeology based on new methodology of aquifer hydrogeological parameters determination.

Method of research and equipment — theoretical research, laboratory and field experiments with traditional and original method use.

Received results and their novelty — new methods for hydrogeological parameter are developed which are based on the next main principles and phenomena, for the first time discovered and formulated by the author: 1) regularities and properties of variable mass filtration flows which form the basis of the theory of generalized hydrogeological parameters; 2) equations, characterizing the regularities of development of complicated border resistances which assessment of water permeable soils in Darcy tubes; 3) the theory of generalized models of non-linear filtration which in the basis of the methodology for determining filtration characteristics of weak-permeable sedimentations; 4) the phenomenon of the existence of AS level piezometric sudden leap at the side of disturbing artesian well and regularities of its changes; 5) the new imperfection theory of disturbing well, in which the well imperfection indicators are expressed in value or the gap of Ah ooze at its side; 6) the existence of two new varieties of quasipermanent regime of unsteady filtration in a leaky aquifers; 7) the method , for determining hydrogeological parameters in a leaky aquifers based on the function Srt ^f^lnit/r2 - *)].

Extent of utilization — the main results of the researches are used in the reference normative books, textbooks and at hydrogeological substantiation of vertical drainage in Byelorussian Polesye, broadly used at lectures and practical work with students and postgraduates.

Sphere of utilization — experimental-filtration research during geological exploring works and engineering geological surveys; evaluation of ground water resources; hydro-geological calculations of disturbing wells.