Оценка эффективности программного комплекса Ansdimat 8.1. при подсчете запасов подземных вод (на примере месторождений Северодвинского артезианского бассейна)

Расчетная формула:

+

В формуле:

S_э - понижение в «центре тяжести» проектного водозабора к концу расчетного срока эксплуатации, м;

S_о - понижение в «центре тяжести» водозабора в настоящее время, м;

принимается равным 4,9 м, то есть понижению в скв.№ 6;

Q_э - проектный дебит водозабора, равен 6800 м³/сут;

Q_о - среднесуточный дебит водозабора, равен 3167 м³/сут;

km - коэффициент водопроводимости, равен 363 м³/сут

t_э - расчетный срок эксплуатации, равен 25 лет;

t_о - фактическое время эксплуатации водозабора, равно 30 лет.

Понижение в конце расчетного срока эксплуатации, не превысит допустимое, равное 11,02 м.

Определенные расчетом эксплуатационные запасы микулинско-подпорожского водоносного горизонта на водозаборе «Северо-Западный» в количестве 6800 м³/сут были классифицированы следующим образом.

Эксплуатационные запасы в количестве 4420 м³/сут (среднесуточный дебит водозабора за 2000-2004 гг.) отнесены к категории В.

Эксплуатационные запасы в количестве 2380 м³/сут (разность между общей величиной запасов - 6800 м³/сут и запасами категории В - 4420 м³/сут) отнесены к категории С₁.



2.2.2 Расчет размеров зон санитарной охраны водозабора «Северо-Западный»

В соответствии с п.2.2.1.1 СанПиН 21.4.1110-02 водоносный горизонт относится к недостаточно защищенным; радиус первого пояса ЗСО принимается равным 50 м. Размеры II и III поясов ЗСО определены гидродинамическим расчетом и показаны на рисунке 6.

Размеры второго и третьего поясов ЗСО определялись в соответствии с «Рекомендациями по гидрогеологическим расчетам для определения границ зон санитарной охраны подземных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения» [10]. Результаты расчета II и III поясов ЗСО представлены в таблице 6. В вышеназванном руководстве методика расчета размеров II и III поясов ЗСО разработана только для линейных водозаборов или одиночных скважин. Поэтому размеры этих поясов определялись для каждой скважины отдельно [6].

Таблица 6 Размеры ЗСО

№ скв.	Q, м3/сут	пояс ЗСО	Результаты расчета ЗСО 2004 г	№ скв.	Q, м3/сут	пояс ЗСО	Результаты расчета ЗСО 2004 г
			r, м	R, м	2d, м				r, м	R, м	2d, м
2	300	II	150	62	206	11	600	II	47	248	260
		III	1994	77	528			III	101	2364	552
3	396	II	247	88	178	12	608	II	61	236	259
		III	3244	102	430			III	105	2311	594
4	150	II	183	38	152	15	810	II	121	178	283
		III	2829	39	292			III	209	1687	1371
5	360	II	167	73	218	16	600	II	113	185	264
		III	2046	93	612			III	155	2424	1828
6	840	II	215	139	346	17	600	II	105	169	267
		III	2365	217	1184			III	108	1956	1237
7	480	II	177	86	252	18	600	II	86	196	270
		III	2117	118	742			III	104	2216	995

Рисунок 6 План зоны санитарной охраны (ЗСО) расчетного водозабора



3. Расчетная часть

Программный комплекс ANSDIMAT состоит из набора самостоятельных модулей (программ), каждый из которых отвечает за выполнение определенной гидрогеологической задачи (рисунок 7).

Рисунок 7 Модули входящие в программный комплекс ANSDIMAT

Модуль ANSDIMAT -предназначен для обработки данных опытно-фильтрационных опробований аналитическими и графоаналитическими методами практически по всем распространенным в гидрогеологической практике типовым схемам.

Модуль AMWELLS - предназначен оценки эксплуатационных запасов подземных вод, расчета зон санитарной охраны (ЗСО), проектирования крупных и мелких водозаборов в различных гидрогеологических условиях.

Модуль ANSQUICK - предназначен для планирования опытно-фильтрационных опробований и оценки допустимых понижений в опытных и наблюдательных скважинах, расположенных в различных гидрогеологических условиях.

Модуль ANSRADIAL - предназначен для детализации фильтрационных потоков вблизи опытной скважины в сложных гидрогеологических условиях.

В данной работе будут использованы модули ANSDIMAT и AMWELLS.

Оценка эффективности программного комплекса построена на исследовании нескольких критериев:

· Проверка сходимости результатов. Учитывая значимость исходного материала, накопленного за многолетний режим работы водозаборов «Северо-Западный» и «Нокшино», а так же тот факт, что запасы подземных вод обоих месторождений прошли утверждение ГКЗ, принимаем исходный материал за истинный. В таком случае, сходимость либо отклонения значений, полученных с использованием программного комплекса, по сравнению с исходными, будет являться положительным либо отрицательным показателем соответственно.

· Оценка дополнительных возможностей и выявление достоинств и недостатков данного программного продукта.

Ввиду того, что на обоих месторождениях за расчетные значения для оценки запасов подземных вод взяты параметры водоносных горизонтов, полученные во время кустовых откачек, интерпретация с применением ANSDIMAT будет осуществляться на основании данных кустовых откачек из скважин 30-р (водозабор «Нокшино») и 16-р (водозабор «Северо-Западный»).

3.1 Обработка данных опытно-фильтрационного опробования и обоснование схемы интерпретации куста скважины 30р

По данным откачек из скважин, располагаемых у реки, определяем параметры фильтрационного пласта и сопротивление ложа водотока. Для использования аналитических решений берег реки в ходе влияния откачки принимается прямолинейным [12].

Формирование воронки депрессии, складывается главным образом из следующих факторов: наличия вертикальных сопротивлений основного пласта, динамики водоотдачи и влияния питающей границы - реки. В режиме изменения уровней при откачке на графиках временного прослеживания выделяются четыре характерных этапа режимов изменений уровня (рисунок 8): упругого (I), ложностационарного (II), гравитационного (III) и затем в связи с влиянием реки изменения уровней начинают стабилизироваться, стремясь к своему стационарному положению (IV) [12].

Рисунок 8 Типовая кривая временного прослеживания уровня в водоносном безнапорном пласте [12]

Следует подчеркнуть, что при диагностике типовой кривой необходимо убедиться в достижении истинной стабилизации уровней, не отнеся к ним данные этапа ложностационарного режима. Наиболее четкая диагностика при этом проводится путем сопоставления уровней в пьезометрах [12].

При анализе графика временного прослеживания (рисунок 9) наблюдательных скважин куста 30-р, было выявлено только два участка, первый из которых предположительно соответствует гравитационному режиму, а второй, влиянию реки. Так как необходимых данных для подтверждения стабилизации уровней в отчете не приводится, было выбрано три пути интерпретации:

1. Предположить, что связи с рекой нет и взять расчетную схему «Безнапорный неограниченный в плане водоносный пласт»

2. Предположить, что нет влияния сопротивления русловых отложений, и проинтерпретировать по схеме Безнапорный полуограниченный в плане водоносный пласт c границей обеспеченного питания.

3. Использовать схему безнапорного полуограниченного водоносного пласта с граничным условием III рода и определить влияние сопротивления русловых отложений.

В программе Ansdimat реализована возможность мгновенного изменения типовых схем. При этом за каждой схемой закреплено одно или несколько решений, а также определенный набор методов интерпретации.

Это позволяет более точно определить расчетную схему, соответствующую реальным условиям проведения опыта, а также более верно определять различные диагностические признаки опытных кривых, построенных по данным откачек.

Рисунок 9 График временного прослеживания куста скважин 30-р

Схема «Безнапорный неограниченный в плане водоносный пласт» (рисунок 10)

При обработке сложных опытно-фильтрационных опробований (влияние границ, переменный расход, групповая откачка, несовершенная скважина и т.д.) на стандартных графиках временного, площадного или комбинированного прослеживания сложно (или невозможно) определить требуемые параметры. В программе Ansdimat предусмотрена возможность преобразования соответствующих уравнений фильтрации, что позволяет построить графики изменений уровня в таких координатах, которые дают возможность использовать графоаналитические способы для нахождения параметров.

Рисунок 10 Схема проведения опыта [13]

На графиках временного (), площадного () и комбинированного ( ) прослеживания (Приложение Д) для выбранной схемы определялись коэффициенты фильтрации и уровнепроводность водоносного пласта:



, ,

Где - величина, которую отсекает прямая линия на оси ординат;

- угловой коэффициент прямой линии.

Уравнение для квазистационарного периода при этом имеет вид:

,

Где - уровнепроводность водоносного пласта, м²/сут;

- коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

- начальная обводненная мощность водоносного пласта, м;

- расход опытной скважины, м³/сут;

- расстояние от опытной скважины до наблюдательной скважины, м;

- понижение в наблюдательной скважине, м;

- время от начала откачки, сут.

Для нахождения параметров на графике временного прослеживания был выбран прямолинейный участок I (рисунок 9), на котором еще не сказалось действие реки. Результат интерпретации (таблица 7) показал высокую уровнепроводность (10⁵), не характерную для гравитационной водоотдачи [14], а также высокие коэффициенты фильтрации пласта - 134 м/сут, относительно утвержденных ГКЗ (110,5 м/сут).

На графике комбинированного прослеживания для наблюдательных скважин наблюдается взаимосвязь с рекой, т.к. концы кривых расходятся (рисунок 11) и есть тенденции к стабилизации напоров.

Рисунок 11 График комбинированного прослеживания. График построен по фактическим данным понижения [от автора]

При попытке получить параметры водоносного пласта способом подбора, был выявлен большой разброс значений (10-20 %). В программе Ansdimat подобный разброс при переходе от одних методов интерпретации к другим служит индикаторным признаком несоответствия выбранной схемы реальным гидрогеологическим условиям. Учитывая подобный разброс значений, завышенные параметры водоносного горизонта, а также взаимосвязь с рекой, показанную на графике комбинированного прослеживания, сделан вывод о том, что выбранная схема не соответствует условиям проведения опыта и полученные расчетные значения могут привести к ошибочным выводам.

Схема «Безнапорный анизотропный полуограниченный в плане водоносный пласт» (рисунок 12)

Рисунок 12 Схема проведения опыта [13]

Решение Менча А.Ф. для понижения в наблюдательной скважине:

,

,

Где - горизонтальный коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

- вертикальный коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

- вертикальное расстояние от начального уровня грунтовых вод до середины фильтра наблюдательной и опытной скважины, м;

- длина фильтра наблюдательной и опытной скважины, м;

- начальная обводненная мощность водоносного пласта, м;

- расход опытной скважины, м³/сут;

- горизонтальное расстояние от опытной скважины до наблюдательной, м;

- водоотдача водоносного пласта;

- гравитационная водоотдача водоносного пласта;

- понижение в наблюдательной скважине, м;

- время от начала откачки, сут;

- горизонтальное расстояние от наблюдательной скважины до фиктивной, м.

Выбранная схема не предполагает использование графоаналитических методов обработки для получения параметров водоносного пласта. В связи с этим обработка производилась решением прямой задачи.

На основании полученных результатов (таблица 7) оказалось что, полученные при обработке значения коэффициента фильтрации по горизонтали K_X увеличиваются в сторону реки, это прослеживается по наблюдательным скважинам 30/1 и 30/3 перпендикулярного луча, при этом значения упругой водоотдачи µ* увеличивается в этом же направлении, а значения гравитационной водоотдачи µ уменьшаются. Учет профильной анизотропии, показал, что значения коэффициента фильтрации по вертикали K_Z уменьшаются в сторону реки, но увеличиваются от центральной скважины в направлении наблюдательных скважин 30/2 и 30/4 параллельного луча.

Минусом данного решения является отсутствие учета сопротивления русловых отложений, вследствие этого рассчитанные параметры получились явно заниженными: коэффициенты фильтрации по горизонтали в среднем 84 м/сут, относительно утвержденных ГКЗ (110,5 м/сут).

Схема безнапорного полуограниченного водоносного пласта с граничным условием III рода. (рисунок 13).

Выбранная схема предполагает использование одного из графоаналитических способов - горизонтальную прямую. Данный способ используется как разновидность классического способа прямой линии для определения фильтрационных параметров по стационарным участкам индикаторной кривой при заданном сопротивлении русловых отложений.

Для определения расчетных параметров водоносного горизонта был использован метод подбора. За основу расчета взято решение Хантуша М.С.

Рисунок 13 Типовая схема безнапорного полуограниченного водоносного пласта с граничным условием III рода [13]

Решение Хантуша М.С.:

,

,

,

Где - уровнепроводность водоносного пласта, м²/сут;

- специальная функция;

- коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

- коэффициент фильтрации русла реки, м/сут;

- расстояние от наблюдательной и опытной скважины до реки, м;

- начальная обводненная мощность водоносного пласта, м;

- мощность русла реки, м;

- расход опытной скважины, м³/сут;

- расстояние от опытной скважины до наблюдательной скважины, м;

- понижение в наблюдательной скважине, м;

- время от начала откачки, сут;

- функция влияния скважины;

- расстояние от наблюдательной скважины до фиктивной, м.

- дополнительное фильтрационное сопротивление русла реки, м.

Результаты расчета методом подбора показали высокую сходимость с результатами 1984 г. Значения коэффициента фильтрации составило 116 м/сут, сопротивления русловых отложений - 151 м, относительно значения 135 м, принятого ГКЗ.

Графоаналитический способ при заданном параметре сопротивления русловых отложений, полученным при решении прямой задачи, дал также хорошую корреляцию (117,3 м/сут). Как уже говорилось ранее, сходимость результатов при переходе от одних методов к другим показывает соответствие выбранной схемы реальным условиям проведения опыта.

Результаты расчета имеют высокую сходимость со значениями, полученными при оценке запасов в 1984 г.

Расчетное значение коэффициента фильтрации принимается равным 116 м/сут. Расчетное сопротивление русловых отложение - 151 м. Допустимое понижение уровня - 5,7 м.

Таблица 7Сводная таблица результатов обработки опытно-фильтрационного опробования куста скважины 30р

Расчетная схема	№ скв. П-р	график	30/0	30/1	30/3	30/2	30/4	30/7	30/9	Средн.	Способ обработки	Расхождение, %
Безнапорный полуограниченный пласт, граница I рода (1984 г)	k, м/сут	s-lg(t)	156	121	128	113	132	Прямая	-
		s-lg(r)	110,5	-	Прямая
	L	s-lg(r)	135	-	Прямая
Безнапорный неограниченный в плане пласт	k, м/сут	s*-lg(t)	151	135	141	126	139	118	128	134	Прямая	19
		s*-lg(r)	132	-	Прямая
		s*-lg(t/r2)	131	-	Прямая
		s*-lg(t)	188	147	153	96	121	142	151	-	Подбор
	a, м2/сут	s*-lg(t)	8*105	1*105	1*105	5*104	2*105	3*105	3*105	-	Прямая
		s*-lg(r)	5*104		Прямая
		s*-lg(t/r2)	6*104		Прямая
Безнапорный полуограниченный в плане пласт (граница I рода)	kx, м/сут	s-lg(t)	103	94	83	74	86	77	89	87	Подбор	-21*
	kz, м/сут	s-lg(t)	4	11	9	5	7	8	9	7	Подбор
	µ	s-lg(t)	0,079	0,029	0,022	0,012	0,018	0,082	0,045	0,041	Подбор
	µ	s-lg(t)	0,39	0,11	0,12	0,092	0,11	0,13	0,096	0,15	Подбор
Безнапорный полуограничен водоносный пласт (граница III рода)	k, м/сут	s-lg(t)	124	119	121	109	117	104	116	116	Подбор	5*
		s-lg(t)	122	112	114	117	116	116	121	117	Гор. прямая
	a, м2/сут	s-lg(t)	1*104	2*104	2*104	5*104	1*104	4*104	5*104	-	Подбор
	L	s-lg(t)	158	192	151	148	152	128	131	151	Подбор

3.1.1 Создание аналитической модели водозабора «Нокшено» для предварительного подсчета запасов и расчета поясов ЗСО

Подсчет эксплуатационных запасов подземных вод осташковско-голоценового аллювиального горизонта выполнен для линейного водозабора в г. Великий Устюг, работающего в круглосуточном режиме.

Гидрогеологические условия описываемого участка могут быть схематизированы полуограниченным в плане и не изолированным в разрезе пластом.

Подсчет эксплуатационных запасов в 1984 г производился на неограниченный срок. Следует отметить, что подобная оценка носит условный характер, т.к. в связи с освоением территории в большинстве случаев в процессе эксплуатации происходят изменения водохозяйственной и природной обстановки, которые невозможно было предусмотреть в процессе оценки запасов подземных вод. В связи с этим расчетное время работы водозабора для дальнейших расчетов принимается равным 10⁴ сут. Этот срок превышает период амортизационный период работы водозаборных сооружений и является достаточным для проведения переоценки запасов, либо для изыскания других дополнительных источников водоснабжения рассматриваемого объекта [15]. В программе AMWELLS подсчет запасов производится гидродинамическим методом с использованием аналитической схемы безнапорного полуограниченного водоносного пласта с граничным условием III рода:

,

Где - функция, описывающая расчетную гидрогеологическую схему опытного опробования;

- количество опытных скважин;

- постоянная величина (зависит от расчетной схемы);

- постоянный расход в i-й опытной скважине, м³/сут;

- расстояние от наблюдательной скважины до i-й опытной скважины, м;

- понижение в наблюдательной скважине на период стационара, м.

Решение строится на стационарной зависимости для понижения уровня в наблюдательной скважине, когда откачка осуществляется из одной опытной скважины:

,

,

,

Где - специальная функция, зависит от соотношения и ;

- расстояние от наблюдательной и опытной скважины до реки, м;

- расход опытной скважины, м³/сут;

- расстояние от опытной скважины до наблюдательной скважины, м;

- понижение в наблюдательной скважине на период стационара, м;

- проводимость водоносного пласта, м²/сут;

- дополнительное фильтрационное сопротивление русла реки, м.

При этом строится сеточная аналитическая модель, разбитая на определенное количество блоков (рисунок 14). Понижение определяется в центре каждого блока. Полученное значение присваивается всему блоку. Размер модели для водозабора «Нокшено» принят 5300*4100 м. Для лучшей наглядности модели количество блоков принято равным 24000 шт. (x - 200, y - 120). Результат аналитического моделирования можно просмотреть в трехмерном виде и включить режим анимации изменения уровня в пространстве.

Рисунок 14 Аналитическая модель водозабора «Нокшино» на конец срока эксплуатации [от автора]

Программа AMWELLS также позволяет построить карту равных понижений на любой момент времени от начала работы водозаборного сооружения. Карта понижений на конечный срок эксплуатации предствлена на рисунке 15.

Рисунок 15 Карта равных понижений водозабора «Нокшино» на конец срока эксплуатации [от автора]

Максимальное понижение, вызванное системой взаимодействующих скважин по результатам расчета составило 2,37 м. Выбранная схема не учитывает дополнительное понижение, зависящее от расположения скважин внутри системы, их несовершенства и расхода каждой скважины, поэтому оно было рассчитано отдельно.

Для водозаборов, состоящих из идентичных по конструкции и равнодебитных скважин, дополнительное понижение во всех типовых расчетных случаях рассчитывается по формуле [15]:

H₁- мощность водоносного горизонта с учетом понижения в пласте;

Q - дебит одной скважины;

- приведенный радиус условной области влияния данной скважины;

- радиус скважины;

- дополнительное фильтрационное сопротивление, обусловленное несовершенством скважин.

По результатам расчета общее понижение уровня на конечный срок эксплуатации составит: 2,37 + 1,02 = 3,39 м, относительно принятого ГКЗ 3,2 м.

На водозаборном участке для целей питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения планируется использовать 26 водозаборных скважин суммарной производительностью 26000 м³/сут.

В соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1110-02 «Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов питьевого назначения» на водозаборах хозяйственно-питьевого водоснабжения ЗСО организуется в составе трех поясов.

Радиус зоны первого пояса в соответствии с СанПиН 2.1.4.1110-02, должен составлять 100 м [11].

Основным параметром, определяющим расстояние от границы II пояса ЗСО до водозабора, является расчетное время Т продвижения микробного загрязнения к водозабору. Это время, в соответствии с рекомендациями СанПиН 2.1.4.1110-02, для недостаточно защищенных безнапорных подземных вод принимается равным 400 сут.

При проектировании III пояса ЗСО время продвижения загрязненной воды от его границы до водозабора принимаем Т = 10⁴ сут.

В программе AMWELLS оконтуривание границ II и III поясов ЗСО осуществляется следующим образом: на основе полученных понижений в опробуемом водоносном пласте, заданного градиента естественного фильтрационного потока и его направления рассчитывается поле напоров (рисунок 16), по которому определяется траектория движения частиц (линии тока). Скорость движения частиц вычисляется по формуле:

,

Где - расчетный напор в точках 1 и 2, находящихся на расстоянии друг от друга, м;

- коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

- расстояние между двумя точками (1 и 2), в которых определяется напор, м;

- пористость;

- действительная скорость фильтрации, м/сут.

По рассчитанным линиям тока и скоростям определяется время движения частицы для второго и третьего пояса ЗСО. Время прохождения частицы до водозабора выражается следующей суммой:



,

Где - количество интервалов, сумма которых равна длине траектории перемещения частицы за время ;

- длина i-го интервала, м;

- время прохождения частицы от произвольной точки до водозабора, сут;

- время прохождения частицы от произвольной точки до окончания i-го интервала, сут;

- время прохождения частицей одного i-го интервала, сут;

- действительная скорость фильтрации для i-го интервала, м/сут.

ЗСО описывается границей, определяемой областью захвата. Рассчитывается площадь этой области, а также длина и ширина прямоугольника, который включает область захвата. Длина равна сумме максимальных расстояний от центра водозабора до границы зоны вверх (R) и вниз (r) по потоку, а ширина (2d) - равна максимальной ширине области захвата.

Рисунок 16 Схема фильтрации подземных вод к водозабору: 1 - линия равных напоров; 2 - линия тока; 3 - граница ЗСО; 4 - водозабор; 5 - точка контура ЗСО [13]

Рассчитанные зоны санитарной охраны приведены на рисунке 17.

Рисунок 17 Положение скважин в плане и расчет зон санитарной охраны водозабора. Стрелка показывает направление естественного фильтрационного потока [от автора]

Исходные параметры для расчета:

Размер модели в плане: 5300 м на 4100 м.

Координаты модельной области, м: X1 = 0; Y1 = 0; X2 = 5300; Y2 = 4100.

Градиент естественного фильтрационного потока: 0,001.

Пористость: 0,3

Направление потока: юго-восточное.

Время расчета ЗСО для второго пояса: 400 суток.

Время расчета ЗСО для третьего пояса: 10⁴.

Результаты расчета границ II и III пояса и сравнительный анализ приведены в таблице 8.



Таблица 8 Сравнительный анализ границ II и III пояса зон санитарной охраны для группы скважин водозабора «Нокшино»

Пояс ЗСО	Результаты расчета ЗСО 1984 г	AMWELLS	Расхождения, %
	R, м	r, м	2d, м	R, м	r, м	2d, м	R, м	r, м	2d, м
II	200	100	300	205	100	271	3	0	-9
III	3000	100	4590	3103	100	4133	3	0	-10

3.2 Обработка данных опытно-фильтрационного опробования и обоснование схемы интерпретации куста скважины 16р

Основной расчетной зависимостью для понижения уровня при откачке с постоянным дебитом в изолированном напорном пласте является уравнение Ч. Тейса:

При этом режим снижения уровня имеет два основных периода: нестационарный и квазистационарный, при чем последний на графике прослеживания s - lg(t) выражается прямой линией (рисунок 18).

Рисунок 18 Типовые кривые прослеживания уровней в неограниченных напорных пластах: А - однородный изолированный пласт, Б - гетерогенный изолированный пласт, В - перетекание из соседнего пласта [12]

Этот характер временной кривой прослеживания является важнейшим диагностическим признаком соответствия наблюдаемого процесса его теоретическому описанию. Отклонения от такого характера временного графика обуславливаются обычно влиянием гетерогенности пласта, признаком чего являются небольшие изломы временного графика с образованием горизонтальных или близких к ним площадок, или плановой неоднородности пласта, проявления которой также приводят к локальным изломам временного графика, но с меньшим изменением его уклона. Кроме того, при длительной откачке может проявляется перетекание через разделяющие слои, которое уже приводит к необратимым уменьшениям уклона временного графика [12].

При анализе графика временного прослеживания (рисунок 19) наблюдательных скважин куста 16 р влияния граничных условий, согласно принятой в 2004 г схематизации, установлено не было. Это объясняется тем, что зона влияния пятисуточной откачки не распространилась до выделенных границ I и II рода. Следовательно, интерпретация опробования может проводиться по схеме неограниченного изолированного напорного водоносного пласта (рисунок 20), как это было сделано в 2004 г.

Рисунок 19 График временного прослеживания куста скважин 16 р

Рисунок 20 Типовая схема неограниченного изолированного напорного водоносного пласта [13]

Расчетные зависимости для квазистационарного периода имеют вид:

,

Где - пьезопроводность водоносного пласта, м²/сут;

- расход опытной скважины, м³/сут;

- расстояние от опытной скважины до наблюдательной скважины, м;

- понижение в наблюдательной скважине, м;

- проводимость водоносного пласта, м²/сут;

- время от начала откачки, сут.

На графике временного прослеживания способом прямой линии определяются проводимость и пьезопроводность водоносного пласта:

, ,

Где - величина, которую отсекает прямая линия на оси ординат;

- угловой коэффициент прямой линии.

Визуальный анализ графиков временного прослеживания понижения уровня также показывает, что по наблюдательным скважинам 1 и 6, за исключением горизонтальных площадок, полученные графики имеют вид прямых линий, что свидетельствует о наступлении квазистационарного режима в радиусе 100 м от центральной скважины практически с первых минут. В четвертой наблюдательной скважине квазистационар наступает через 7 часов, о чем свидетельствует прямолинейность графика на отрезке .

Не параллельность прямолинейных участков индикаторных графиков, а также немногочисленные горизонтальные площадки свидетельствует о неоднородности фильтрационных свойств исследуемой области фильтрации.

Далее определение параметров выполнялось методом площадного прослеживания. Для этого для каждой пары наблюдательных скважин был построен график S- In(r) (приложение 4) на момент t= 55 часов (2,3сут), т.е. в период когда во всей исследуемой области фильтрации установился квазистационарный режим.

Также интерпретация данных откачки была проведена с помощью решения прямой задачи.

Получившиеся параметры, рассчитанные графоаналитическими методами, показали высокую корреляцию с параметрами, рассчитанными решением прямой задачи (таблица 8). Также, полученные результаты показали очень высокую сходимость, с параметрами, полученными при оценке запасов в 2004 г. Расхождение между значениями водопроводимости составило < 1%.

Расчетное значение водопроводимости принимается равным 364,5 м²/сут. Пьезопроводность - 1,7*10⁵ м²/сут. Допустимое понижение уровня - 11,02 м.

Таблица 8 Сводная таблица результатов обработки опытно-фильтрационного опробования куста скважины 16р

Расчетная схема	№ скв. П-р	График	1	4	6	1-4	1-25	6-4	6-25	4-25	Ср.	Способ обр.	Расх., %
Напорный неограниченный в плане водоносный пласт (2004 г)	km, м2/сут	s-lg(t)	664	352	513	806	664		601	Прямая	-
	a, м2/сут	s-lg(t)	3,5*106	1,7*105	1,2*106	5,5*106	1,8*106		-	Прямая
	km, м2/сут	s-lg(r)		677	196	564	137	328	363	Прямая
Напорный неограниченный в плане водоносный пласт	km, м2/сут	s-lg(t)	665	355	596	808	648		614	Прямая	0,4
	a, м2/сут		3,7*106	1,7*105	1*107	4,9*106	1,6*106		-	Прямая
	km, м2/сут	s-lg(t)	411	606	801		606	Подбор
	km, м2/сут	s-lg(r)		678	194	567	136	331	364	Прямая

Размещено на http://www.allbest.ru/

3.2.1 Создание аналитической модели водозабора «Северо-Западный» для предварительного подсчета запасов и расчета поясов ЗСО

Подсчет эксплуатационных запасов подземных вод микулинско-подпорожского горизонта выполнен для группового водозабора в г. Великий Устюг, работающего в круглосуточном режиме.

Гидрогеологические условия описываемого участка могут быть схематизированы ограниченным в плане и неизолированным в разрезе пластом. Срок эксплуатации водозабора принимается равным 10000 сут.

Общее стационарное уравнение для понижения уровня в наблюдательной скважине при групповой откачке с постоянным расходом имеет вид:

,

Где - функция, описывающая расчетную гидрогеологическую схему опытного опробования;

- количество опытных скважин;

- постоянная величина (зависит от расчетной схемы);

- постоянный расход в i-й опытной скважине, м³/сут;

- расстояние от наблюдательной скважины до i-й опытной скважины, м;

- понижение в наблюдательной скважине на период стационара, м.

Решение строится на стационарной зависимости для понижения уровня в наблюдательной скважине, когда откачка осуществляется из одной опытной скважины.

Уравнение для стационарного периода:



,

Где - расход опытной скважины, м³/сут;

- расстояние от опытной скважины до наблюдательной скважины, м;

- понижение в наблюдательной скважине на период стационара, м;

- проводимость водоносного пласта, м²/сут;

- расстояние от наблюдательной скважины до фиктивной, м.

Согласно принятой схематизации, с западной стороны, на расстоянии 1100 м от водозабора проходит граница выклинивания водоносного горизонта. Согласно Биндеману Н.Н., если скважина расположена в 100 м от водоупорной границы, то понижение в ней только на 15% больше, чем при отсутствии этой границы. При заложении скважины на более значимое расстояние (>500 м) наличие водоупорной границы практически не влияет на понижение [15]. Следовательно, в данном случае, границу I рода допускается не учитывать.

С южной стороны на расстоянии 1300 м от водозабора, развитие депрессионной воронки путем стабилизации понижений ограничит р. Сухона. Для численного определения понижения с учетом границы I рода построим аналитическую модель.

Размер модели для водозабора «Северо-Западный» принят равным 4800*5500 м. Количество блоков сеточной модели составило 10000 шт (рисунке 21).



Рисунок 21 Аналитическая модель водозабора «Северо-Западный» на конец срока эксплуатации [от автора]

Максимальное понижение, вызванное системой взаимодействующих скважин, составит 10,03 м. Таким образом, конечное понижение не превысит допустимого 11,02 м.

Для проверки правильности выбранной схемы, смоделируем работу водозабора в неограниченном в плане водоносном пласте (рисунок 22). Максимальное понижение, по результатам расчета, составило 13,77 м, что на 2,75 м больше допустимого. Следовательно, принятая схематизация ограниченного в плане водоносного пласта отвечает реальным гидрогеологическим условиям.

Рисунок 22 Аналитическая модель водозабора «Северо-Западный» на конец срока эксплуатации с учетом границы I рода [от автора]

Также для расчетных схем с разными граничными условиями были построены карты равных понижений на конечный срок эксплуатации (рисунок 23).

В соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1110-02 «Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов питьевого назначения» на водозаборах хозяйственно-питьевого водоснабжения ЗСО организуется в составе трех поясов.

Рисунок 23 Карты равных понижений водозабора «Северо-Западный» на конец срока эксплуатации (а. - полуограниченный, б. - неограниченный)

На водозаборном участке для целей питьевого и хозяйственного водоснабжения планируется использовать 12 скважин суммарной производительностью 6800 м/сут³.

Размер первого пояса ЗСО в соответствии с СанПиН 2.1.4.1110-02, должен составлять не менее 50 м.

Основным параметром, определяющим расстояние от границы II пояса ЗСО до водозабора, является расчетное время Т продвижения микробного загрязнения к водозабору. Это время, в соответствии с рекомендациями СанПиН 2.1.4.1110-02, для слабо защищенных напорных подземных вод принимается равным 400 сут.

При проектировании III пояса ЗСО время продвижения загрязненной воды от его границы до водозабора принимаем Т = 10⁴ сут.

Оконтуривание границ II и III поясов ЗСО водозабора выполнено графоаналитическим методом в программе AMWELLS.

Рассчитанные зоны санитарной охраны приведены на рисунке 24.

Рисунок 24 Положение скважин в плане и расчет зон санитарной охраны водозабора. Стрелка показывает направление естественного фильтрационного потока [от автора]

Исходные параметры для расчета:

· Размер модели в плане: 5300 м на 4800 м.

· Координаты модельной области, м: X1 = 0; Y1 = 0; X2 = 5300; Y2 = 4100.

· Градиент естественного фильтрационного потока: 0,0017.

· Пористость: 0,35

· Направление потока: юго-восточное.

· Время расчета ЗСО для второго пояса: 400 суток.

· Время расчета ЗСО для третьего пояса: 10⁴.

Результаты расчета границ II и III пояса и сравнительный анализ приведены в таблице 9.

Таблица 9 Сравнительный анализ границ II и III пояса зон санитарной охраны для группы скважин водозабора «Северо-Западный»

№ скв.	Q, м3/сут	пояс ЗСО	Результаты расчета ЗСО 2004 г	AMWELLS	Расхождения, %
			R, м	r, м	2d, м	R, м	r, м	2d, м	R, м	r, м	2d, м
2	300	II	150	62	206	185	79	258	24	27	25
		III	1994	77	528	2104	96	1639	5	25	210
3	396	II	247	88	178	241	58	279	-2	-34	57
		III	3244	102	430	2457	96	1250	-24	-6	191
4	150	II	183	38	152	219	46	267	20	20	76
		III	2829	39	292	2521	96	1406	-11	146	381
5	360	II	167	73	218	141	124	274	-16	70	26
		III	2046	93	612	1333	398	2835	-35	328	363
6	840	II	215	139	346	243	96	333	13	-31	-4
		III	2365	217	1184	2808	96	1953	19	-56	65
7	480	II	177	86	252	231	45	258	30	-47	3
		III	2117	118	742	2746	96	966	30	-19	30
11	600	II	248	115	370	275	57	287	11	-51	-22
		III	3178	155	1008	2682	96	883	-16	-38	-12
12	608	II	236	115	360	272	62	286	15	-46	-20
		III	2989	157	1006	2671	96	545	-11	-39	-46
15	810	II	178	115	350	160	123	278	-10	7	-20
		III	2090	209	1116	1750	251	1329	-16	20	19
16	600	II	209	113	302	160	142	305	-23	26	1
		III	2424	155	942	2095	208	1948	-14	34	107
17	600	II	209	183	302	176	90	269	-16	-51	-11
		III	2424	155	942	1957	96	1649	-19	-38	75
18	600	II	166	107	320	220	90	294	33	-16	-8
		III	2216	155	922	2497	96	1071	13	-38	16

Рассчитанные по результатам аналитического моделирования допустимые понижения на водозаборах «Нокшино» и «Северозападный» (S_Нокш. = 3,39 м; S_С-З. = 10,03 м) показывают практически стопроцентное совпадение с результатами оценок эксплуатационных запасов, проведенных в 1984 и 2004 гг соответственно (S_Нокш. = 3,2 м; S_С-З. = 10,25 м), что говорит о правильно смоделированных гидрогеологических условиях, а следовательно и о высокой точности расчетного алгоритма, заложенного в программу AMWELLS.

По рассчитанным понижениям взаимодействующих систем скважин установлено положение прогнозных уровней подземных вод и построены карты равных понижений на расчетный срок работы водозаборов.

Сравнительный анализ расчетов II и III поясов зон санитарной охраны проведенный по трем характеристикам (R - длина пояса против потока, r -длина пояса по потоку, 2d - ширина пояса) показывает различную сходимость результатов в зависимости от аналитической схемы.

Для линейного группового водозабора вблизи реки, расхождения в среднем составили: 3% для R, 0% для r, и -9% для 2d.

Для группового водозабора с беспорядочным расположением скважин в отдалении от реки расхождения получились с большой амплитудой разброса по каждому параметру. Так для R максимум составляет 33, минимум -35; для r максимум 328, минимум -56; для 2d максимум 381, минимум -46.

Подобное несоответствие результатов объясняется различием методик расчета зон санитарной охраны. Как уже упоминалось ранее, в руководстве ВОДГЕО методика расчета размеров II и III поясов ЗСО разработана только для линейных водозаборов или одиночных скважин. Поэтому в случае беспорядочного расположения скважин, ЗСО для каждой рассчитывается отдельно.

Модуль AMWWELS производит расчет ЗСО с учетом взаимодействия всех скважин, что в свою очередь может, как завышать значения параметров, так и занижать их по сравнению с расчетом для каждой скважины в отдельности. Учет взаимодействия скважин повышает точность расчета, но в случае больших размеров зон, может быть экономически нерентабельным. Это объясняется соблюдением особого режима на территориях II и III зон санитарной охраны, предусмотренного САНПИН 2.1.4.1110-02.

Когда в рассчитанную зону попадают населенные пункты, предприятия, накопители промстоков, шламохранилища, захоронения и пр., необходимо разрабатывать и проводить меры по перенесению и/или изоляции объектов, способных ухудшить состав воды [11]. Поэтому на практике, как правило, используют способы уменьшения территории II и III поясов ЗСО.

Подобное тестирование программы аналитического моделирования AMWELLS на предмет правильности расчета 2 и 3 пояса ЗСО, было проведено 03.02.2014 г в Санкт-Петербургском отделении геоэкологии РАН [16].

Для тестирования были выбраны базовые аналитические решения из официального методического руководства Орадовской А.Е. [10] и примеры расчетов ЗСО к этим решениям, опубликованные там же.

Расчеты проведены для следующих схем:

1) одиночный водозабор в удалении от реки;

2) линейный кустовой водозабор в удалении от реки;

3) одиночный водозабор вблизи реки (поток направлен к реке);

4) одиночный водозабор вблизи реки (поток отсутствует);

5) одиночный водозабор вблизи реки (поток направлен от реки);

6) линейный кустовой водозабор вблизи реки (поток направлен к реке).

В программе AMWELLS задавались гидрогеологические условия и параметры из описанного в методичке примера, а затем сравнивались с результатами расчетов по трем характеристикам (R-длина пояса против потока, r-длина пояса по потоку, 2d - ширина пояса). Расхождение для всех примеров в среднем составило 1,6 %, при этом было выделено два типа ошибок:

1) Отклонение результатов AMWELLS в диапазоне (4-6 %) от методички связано с приблеженностью некоторых решений, приведенных в ней, а также точностью снятия с номограмм безразмерных параметров.

2) Отклонения в диапазоне (11-32 %) объясняются ошибками в уравнениях для конкретных схем, которые изложены в методичке [16].

Также, для доказательства достоверности расчетов AMWELLS дополнительно были проведены расчеты на программе численного моделирования MODFLOW, при этом расхождения для всех примеров составило менее 1 %.

Результаты тестирования представлены в приложении 6.

В результате анализа тестирования, сделанного ИГЭ РАН, удалось выявить равные погрешности между аналогичными схемами, что говорит о правильном проведении расчетов и корректной работе программы.

Проведенное в настоящей работе исследование, на примере реально действующих водозаборов подтверждает достоверность результатов тестирования модуля AMWELLS и его эффективность при подсчете запасов подземных вод, в случае упорядоченного расположения скважин.

3.3 Оценка дополнительных возможностей программного комплекса ANSDIMAT

Основным достоинством программного комплекса является наличие практически всех типовых схем, распространенных в гидрогеологической практике работ.

Помимо рассмотренных ранее аналитических зависимостей для напорного и безнапорного водоносного пласта, программа позволяет проводить расчеты для напорно-безнапорных и планово-неоднородных пластов, водоносных комплексов с перетеканием и слоистых систем (рисунок 25).

Рисунок 25 Вариации типовых схем [13]

При этом есть возможность учитывать изменение уровня в смежных пластах и емкость разделяющих слабопроницаемых слоев. Также, при анализе результатов опытных опробований, пользователь может дополнительно оценить влияние плановой и профильной анизотропии, переменную мощность и наклон изучаемых пластов.

В комплексе учитывается наклон и несовершенство опытных и наблюдательных скважин по степени вскрытия пластов, а также емкость и кольматация опытной скважины и конфигурация пьезометра (рисунок 26).

В программе ANSDIMAT реализован ряд решений для обработки экспресс опробований, проведенных в различных гидрогеологических условиях, что является очень актуальным в настоящее время, так как этот способ все чаще используется на практике в силу своей простоты и дешевизны (рисунок 27).

Данные необходимые для перечисленных выше типовых схем, вводятся в журнал откачек с помощью редактора (рисунок 28).

Рисунок 26 Вариации типовых схем [13]

Рисунок 27 Типовые схемы для экспресс опробования [13]

Рисунок 28 Диалоговое окно «Редактор для ввода данных» [от автора]

Редактор позволяет сохранять, добавлять или заменять имеющуюся информацию. Основными преимуществами редактора является ввод временных замеров любой размерности, использование стандартных комбинаций клавиш Windows, а также возможность вставки замеров из наблюдательных скважин с использованием разной временной шкалы. Во время работы с редактором ввода данных обнаружены следующие недостатки:

· В случае различия временных шкал, программа раздвигает нужные поля и вставляет значения замеров понижения уровня подземных вод. Когда временная шкала отличается только у одной наблюдательной скважины, проблем со вставкой значений не возникает, и программа работает корректно. Но если, несколько наблюдательных скважин имеют разную временную шкалу, программа реагирует не корректно: редактор дублирует значения и расставляет их не по порядку, что делает невозможным дальнейшее проведение обработки данных. В связи с этим, для кустовых откачек, ка...