Тема 15. Движение подземных вод в районах орошаемых массивов

По гидрогеологическим условиям массивы орошения делятся на две основные группы - обеспеченные и необеспеченные подземным стоком. Для прогноза режима грунтовых вод на массивах оро­шения применяются методы гидродинамических расчетов - аналити­ческие и метод конечных разностей, метод балансовых расчетов, а в очень сложных условиях - метод моделирования. Возможность и целесообразность применения каждого из этих методов опреде­ляется как конкретными гидрогеологическими условиями, так и размером и характером массивов. При проработке темы надо усво­ить основы каждого из этих методов и данные, необходимые для проведения расчетов.

Вопросы для самопроверки

1. В чем сущность балансового метода прогноза режима подземных вод на орошаемых массивах?

2. В каких условиях возможно применение! аналитических методов для прогноза режима?

3. Как методом конечных разностей дать прогноз режима на орошаемых массивах?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные основные законы движения подземных вод и методы решения различных гидрогеологических задач показывают значение этого раздела гидрогеологии.

Однако дальнейшее развитие науки и техники ставит перед динамикой подземных вод все новые проблемы. С одной стороны, увеличение влияния человека на природу требует решения мно­гих проблем как в региональном масштабе, так и для глубоких горизонтов, что определяет значительное усложнение условий и необходимость учета минерализации, плотности и температуры воды.

Поэтому наряду с совершенствованием аналитических мето­дой для решения подобных задач внедряются методы математического моделирова­ния.

С другой стороны, при решении многих проблем, например, формирования состава подземных вод, охраны и от загрязнения, захоронения промстоков и ряда других, необходимо, помимо кон­вективного, учитывать также диффузионно-кондуктивный перенос частиц воды.

В настоящее время разработаны основы материи миграции подземных вод, учитывающие влияние физико-химических условий на процессы массопереноса и теплопереноса в подземных водах и основные данные, необходимые для их количественной оценки. Разработаны и внедрены в практику решения для отдельных схем.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Контрольная работа включает в себя решение пяти задач по различным вопросам курса. При выполнении отдельных задач необходимо прежде всего составить по приведенным данным гидродинамическую схему, применительно к которой выбирается рас­четная формула. Эта схема должна быть приведена в тетради вы­полнения контрольного задания. При подстановке в формулы чис­ловых значений надо обращать внимание на согласование размер­ностей.

Контрольное задание содержит пять вариантов. Студенты, учебный шифр которых заканчивается цифрами I и 6, выполняют вариант 1, цифрами 2 и 7 - вариант 2, цифрами 3 и 8 - вариант 3, цифрами 4 и 9 - вариант 4 и цифрами 5 и 0 - вариант 5.

Вариант 1

1. Безнапорный водоносный горизонт приурочен к супесям с коэффициентом фильтрации 0, 8 м/сут и подстилающим их пескам с коэффициентом фильтрации 11, 2 м/сут. Пески на всем участке имеют выдержанную мощность 7, 2 м.

Водоупором служат горизонтально забегающие глины с отметкой кровли 22 м. На участке пробурены две скважины, расположенные по направлению потока. Расстояние между скважинами 1200 м. Отметка уровня воды в скв. I - 31, 5 и в скв. II - 28, 0 м.

Рис. 1.

Требуется определить единичный расход грунтового потока и расстояние от скв. I до точки А - пересечения уровнем грун­товых вод границы между водоносными слоями (рис. 1). При ре­шении задачи рекомендуется приравнять расход на участках: скв. 1 - точка А и точка А - скв. 2.

2. Междуречье шириной 2, 8 км сложено среднезернистыми песками с коэффициентом фильтрации 8 м/сут., содержащими го­ризонт грунтовых вод, подстилаемый горизонтально залегающими глинами. Уровень воды в левой реке 12, 0 м и в правой реке 9, 0 м над водоупорным основанием. Скважина, пройденная в 700 м от уреза воды в левой реке вглубь берега, вскрыла грун­товую воду с отметкой уровня 16, 0 м над водоупорным основа­нием.

Требуется определить: 1) величину инфильтрационного пита­ния грунтовых вод на междуречье; 2) расстояние от левой реки до водораздела и мощность потока в водораздельной точке; 3) единичный расход потока у уреза левой и правой реки.

3. Определить положение кривой депрессии в процессе раз­вития подпора в сечениях на расстоянии 200 и 500 м от уреза через 200, 500 и 1000 суток.

Водоносный горизонт приурочен к пескам с коэффициентом фильтрации 5 м/сут и недостатком насыщения μ - 0, 20. Естест­венная мощность водоносного горизонта у уреза водохранилища 12, 0 м, в скважине на расстоянии 500 м от уреза 15, 0 м. Подпор в водохранилище составляет 8 м, заполнение водохранилища можно считать мгновенным, водоупор горизонтальный, инфильтра­цией атмосферных осадков вследствие ее незначительности мож­но пренебречь. Граница горизонта находится на большом расстоя­нии от реки и его можно принять полуограниченным.

4. На расстоянии 1, 5 км от реки проектируется карьер раз­мером 2, 0x1, 5 км. Карьер будет проходиться в песках, содержа­щих безнапорный водоносный горизонт, гидравлически связанный с рекой, в другую сторону горизонт распространен более чем на 20 км. Мощность водоносного горизонта 50 м, средний коэффици­ент фильтрации 5 м/сут., водоупором служат горизонтально зале­тающие глины. Системой скважин, расположенных по контуру карь­ера, необходимо понизить уровень подземных вод в его центре на 25 м. Требуется определить необходимое понижение уровня в скважинах радиусом 0, 15 м для случаев 12 и 24 скважин.

5. Определить коэффициент фильтрации м/сут уровнепроводности м²/сут и величину водоотдачи безнапорного горизонта по данным откачки из одиночной совершенной скважины. Мощность горизонта 12 м. Постоянный дебит скважины при откачке 5 л/с, понижение уровня в скважине через 0, 25 ч - 1, 25 м, через 2, 5 ч - 1, 75 м.

Вариант 2.

Горизонт грунтовых вод, дренируемый рекой, приурочен к пескам коренного берега и причлененной к нему надпойменной террасы шириной 100 м. Водоупором на обоих участках служат горизонтально залегающие мергелистые глины. Коэффициент филь­трации песков коренного берега 4, 0 м/сут, надпойменной тер­расы 18, 0 м/сут. Мощность водоносного горизонта у уреза реки 12, 0 м, а в скважине на расстоянии 300 м от реки 18, 0 м. Тре­буется определить единичный расход водоносного горизонта и его мощность на контакте слоев. Инфильтрацией атмосферных осадков можно пренебречь.

Из одиночной скважины проведена опытная откачка при трех понижениях уровня: S₁ = 8, 3 м, S ₂= 12, 7 м, S₃ = 18, 0 м.

Установившийся дебит составляет соответственно: Q₁ = 1, 6 л/с, Q₂ =2, 2 л/с, Q₃ = 2, 7 л/с. Водоносный горизонт безна­порный. Определись ожидаемую величину дебита этой скважины при понижении уровня на 32, 0 м.

3. Плотина шириной 120 м сооружается в долине реки, сло­женной в верхней части суглинками средней мощностью 6 м, ниже которых залегают трещиноватые известняки мощностью 22 м, подстилаемые плотными мергелистыми глинами, являющимися водоупором. Средний коэффициент фильтрации суглинков К₁ =0, 8 м/сут, известняков К₂ = 10, 2 м/сут_.. Величина напора в верхнем бьефе Δ Н = 8 м. Требуется определить: 1) величину фильтрационного расхода под плотиной на 1 м ширины и величину напорного гради­ента на выходе в нижнем бьефе; 2) те же характеристики на участке отсутствия суглинков в верхнем бьефе; 3) величину кри­тического градиента и возможность выпора грунта в нижнем бьефе, принимая удельный вес суглинков γ = 2, 60 и их порис­тость n = 0, 35.

4. В напорном водоносном горизонте, приуроченном к из­вестнякам, на расстоянии 800 м от контура их выклинивания, где они прислоняются к водоупорным породам (в другую сторону они распространены на расстояние свыше 40 км), проектируется устройство водозабора из трех скважин, дебитом 600 м³/сут каждая. Мощность горизонта 22, 0 м, средний коэффициент филь­трации 12 м/сут, коэффициент пьезопроводности 4, 10⁵ м²/сут;

Рис 2.

Расположение скважин приведено на рис. 2. Требуется определить понижение в скв. 2 через 10, 100 и 500 суток после начала работы водозабора.

5. Определить коэффициент фильтрации и пьезопроводности напорного водоносного горизонта по данным откачки из совер­шенной одиночной скважины радиусом 0, 2 м. Откачка проводилась с постоянным дебитом q = 16 л/с. Мощность горизонта 24 м, области питания и разгрузки находятся далеко от участка, дан­ные о понижении уровня в скважине приведены в табл. I.

Таблица I

Вариант 3.

1. Определить коэффициент фильтрации песков, слагающих безнапорный водоносный горизонт, по данным кустовой откачки из совершенной скважины, проведенной на два понижения. Мощ­ность горизонта 12 м, водоупором служат горизонтально залега­ющие глины. Радиус центральной скважины 0, 1 м. Расстояние от центральной скважины до первой наблюдательной 6 м, до второй наблюдательной 12 м. результаты откачки приведены в табл. 2

Таблица 2

2. Определить величину инфильтрационного питания по се­зонам года на участке междуречного плато дня грунтового пою на, приуроченного к покровным суглинкам со средним коэффици­ентом фильтрации 0, 3 м/сут и коэффициентом водоотдачи μ = 0, 02. Водоупор горизонтальный на отметке 152 м. В табл.3 приведены данные режимных наблюдений по скв. 1, 2 и 3, расположенными по направлению потока. Расстояние между СКВ. 1 и 2 - 280 м, между скв, 2 и 3 - 250 м.

Таблица 3

3. Определить положение кривой депрессии в процессе раз­вития подпора на расстоянии 100 и 500 м от уреза водохранили­ща через 250 и 1000 суток с момента его заполнения. Водоносный горизонт приурочен к пескам с коэффициентом фильтрации 12, 0 м/сут и недостатком насыщения μ = 0, 15. Мощность водо­носного горизонта у уреза водохранилища 16 м, в скважине, находящейся в 500 м от уреза, 21 м. величина подпора 9 м, заполнение водохранилища, происходящее в весеннее время, можно считать мгновенным. Водоупор горизонтальный, граница горизонта находится на большом расстоянии от реки, инфильтрационное питание незначительно и им можно пренебречь.

4. Водоносный горизонт со свободной поверхностью приуро­чен к пескам, средняя мощность которых 25 м. Области питания и разгрузки горизонта находятся на расстоянии более 10 км от участка. Коэффициент фильтрации песков 18 м/сут, уровнепроводности 3000 м²/сут. На участке пройдено три водозаборных сква­жины радиусом 0, 2 м, которые работают с постоянным дебитом: скв. 1 - 200 м³/сут, скв. 2 - 150 м³/сут и скв. 3 - 250 м³/сут,

Расположение скважин показано на рис. 3. Требуется определить понижение в скважинах 2 и 3 через 100, 500 и 1000 суток после начала их работы.

Рис. 3

5. Определить коэффициенты фильтрации и пьезопроводности напорного водоносного горизонта, мощностью 28, 0 м, по дан­ным откачки из одиночной совершенной скважины, радиусом 0, 1 м. Откачка проводилась с постоянным дебитом 30 м³/ч. Данные о понижении приведены в табл. 4.

Таблица 4

Вариант 4

I. Коренной берег сложен мелкозернистыми песками с коэф­фициентом фильтрации 3, 0 м/сут. К нему причленяется терраса, сложенная разнозернистыми песками с коэффициентом фильтрации 24, 0 м/сут. ширина террасы 140 м. В песках коренного берега и террасы содержится горизонт грунтовых вод, гидравлически связанный с рекой. Мощность горизонта у уреза реки 6, 0 м, а в скважине, расположенной в 400 м от уреза, 16, 0 м. Водоупором на всем участке являются горизонтально залегающие глины. Требуется определять единичный расход грунтового потока и мощ­ность водоносного горизонта на контакте коренных и аллюви­альных отложений. Инфильтрационное питание горизонта можно не учитывать. Определить те же характеристики (расход потока и мощность горизонта в 140 м от реки) для случая отсутствия террасы.

2. Определить коэффициент фильтрации песков, содержащих напорный водоносный горизонт, по результатам кустовой откач­ки из совершенной скважины диаметром 0, 2 м. Мощность горизон­та 28 м. Расстояние от центральной скважины до первой наблю­дательной 6 м, до второй наблюдательной 12 м. Откачка прово­дилась на два понижения, ее результаты приведены в табл. 5.

Таблица 5

3. Плечо проектируемой плотины примыкает к коренному берегу, сложенному сверху вниз следующими горизонтально-за­легающими породами: 1) суглинки покровные мощностью 3-5 м; 2) пески мелко- и среднезернистые мощностью 25-30 м; 3) глины плотные. Пески содержат безнапорный водоносный горизонт, дре­нируемый рекой. Мощность горизонта у реки в естественных ус­ловиях 8 м, уклон потока 0, 012, средний коэффициент фильтра­ции песков 12 м/сут. Величина напора в верхнем бьефе 12 м, радиус полуокружности обтекаемого контура плотины r₀ = 10 м. Требуется определить: 1) ширину зоны обходной фильтрации в верхнем бьефе; 2) величину фильтрационного расхода в обход берегового устоя плотины.

4. В напорном водоносном горизонте, гидравлически свя­занной с рекой, пройдены эксплуатационные скважины 1 и 2, ра­ботающие с постоянным дебитом, соответственно 400 и 600 м³/сут. Расположение скважин показано на рис. 4. Радиусы обоих скважин 0, 2 м. Средняя мощность водоносного горизонта 16 м, коэффици­ент фильтрации 12 м/сут, коэффициент пьезопроводности 2, 10⁵ м²/сут, величина напора в естественных условиях 16 м.

Требуется определить понижение в скв. 2 через 10, 40 и 100 суток после начала откачки. При решении задачи необходимо вначале определить радиус влияния для этих периодов, чтобы выяснить режим движения.

Рис. 4.

5. Определить коэффициенты уровнепроводности и фильтрации и величину водоотдачи по данным откачки из совершенной сква­жины, вскрывшей безнапорный водоносный горизонт мощностью 25 м. Откачка проводилась с постоянным дебитом 1800 м³/сут; Уровни, по техническим причинам, замерялись только в наблюда­тельной скважине, расположенной в 25 м от центральной. Резуль­таты откачки приведены в табл. 6.

Таблица 6

Вариант 5

1. Междуречье шириной 3 км сложено разнозернистыми пес­ками с коэффициентом фильтрации 6 м/сут, к которым приурочен горизонт грунтовых вод, подстилаемый горизонтально залегающими глинами, уровень воды в реке А (левой) 9 м, в реке Б (правой) 5 и над водоупором, в скважине, пройденной в 1200 м от реки А, I2, 5 м.

Требуется определить величину инфильтрационного пита­ния грунтовых вод, расстояние от реки А до водораздела, мощ­ность грунтового потока на водоразделе и единичный расход потока у уреза правой и левой реки.

2. Определять фильтрационный расход под плотиной, соору­жаемой в речной долине. Длина плотины 400 м, ширина по осно­ванию 30 м. Плотина возводится па супесях мощностью 6 м с средним коэффициентом фильтрации 1, 2 м/сут, ниже залегают пески мощностью 12 м с коэффициентом фильтрации 10 м/сут. Пески подстилаются горизонтально залегающими глинами. Превыше­ние напора в верхнем бьефе над нижнем 8 м. Определить также расход под плотиной для случая, когда супеси отсутствуют и вся толща мощностью 18 м сложена песками.

3. На расстоянии 4 км от реки предполагается строительство карьера размером 2х2 км. Карьер проходится в песках, содер­жащих безнапорный водоносный горизонт, гидравлически связан­ный с рекой, в другую сторону горизонт распространен па более чем 15 км. Мощность водоносного горизонта 32 м, средний ко­эффициент фильтрации 8 м/сут, водоупором служат горизонталь­но залегающие глины. Необходимо системой скважин, расположен­ных по контуру карьера понизить в его центре на 20 м. Опреде­лить необходимое понижение уровня в скважинах радиусом 0, 2 м для случаев 16 и 40 скважин.

4. Определить коэффициент фильтрации по данным откачки из одиночной скважины, вскрывшей напорный водоносный гори­зонт мощностью 32, 0 м, сложенный разнозернистыми песками. Фильтр длиной 4 м расположен в средней части горизонта, ради­ус фильтра 0, 2 м. Понижение уровня 4 м, установившийся дебит 3, 5 л/с. Радиус влияния, по данным исследований в соседнем районе, принять равным 300 м.

5. Определись коэффициенты пьезопроводности и фильтрации напорного водоносного горизонта мощностью 18 м по данным от­качки из совершенной одиночной скважины радиусом 0, 2 м с по­стоянным дебитом 16, 2 л/с. Данные о величине понижения приведены в табл. 7.

Таблица 7

ПЕРЕЧЕНЬ КУРСОВЫХ РАБОТ И ТЕМ К НИМ

Курсовая работа:

а) закрепляет и углубляет знания, полученные студентом при прохождении курса в целом;

б) позволяет студенту самостоятельно поставить и решить экспериментальную, научно- методическую или инженерного содержания работу;

в) приучает студента к публичным выступлениям. Целесообразно защиту наиболее интересных курсовых работ с рецензированием их самими студентами проводить на аудиторных занятиях.

Перечень курсовых работ

1. Постановка и проведение вычислительного эксперимента по изучению особенностей и закономерностей процессов фильтрации и миграции, формирующихся пол влиянием различных естественных и техногенных факторов.

2. Определение гидрогеологических и миграционных параметров по данным опытно-фильтрационных, опытно-миграционных работ и режимно-балансовых наблюдений.

3. Гидродинамический и вероятностно-статистический анализ режима подземных вод.

4. Составление инженерных прогнозов и выявление закономерностей формирования нарушенного режима подземных вод под влиянием различных техногенных факторов.

5. Факторно-диапазонный анализ при исследовании особенностей и закономерностей процессов фильтрации на основе использования аналитических решений и численных методов.

Основная литература

1. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М. Моск. гос. горный ун-т, 2009.

2. Ленченко Н.Н. Динамика подземных вод. - М.: Недра 2008.

Дополнительная литература

1. Синдаловский Л.Н. Справочник аналитических решений для интерпретации опытно-фильтрационных опробований. Идз.С.-Петерб. ун-т, 2006.

2. Ленченко Н.Н., Фисун Н.В. Практикум по динамике подземных вод. Изд. М., Недра-Бизнесцентр, 2008.

3. Потапов Г.И. Сборник задач по динамике подземных вод. Изд. М., МГОУ, 2001.

МАЗИН Владимир Владимирович

ПОЛИЩУК Евгения Александровна

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Методические указания, контрольные задания, темы курсовой работы

для студентов специальности

130101.65 - Прикладная геология

специализации

130101.02 - Поиски и разведка подземных вод

и инженерно-геологические изыскания