Использование режимных наблюдений за уровнями воды для определения фильтрационных параметров водоносных пластов
Для полевого определения фильтрационных параметров водоносных горизонтов необходимо создать гидродинамическое возмущение. Как правило, гидродинамический импульс в пласте создается искусственным путем за счет откачки (или нагнетания) воды в скважину. Однако, изменение уровня в водоносном пласте может возникать и под воздействием естественных факторов: например, если исследуемая территория располагается вблизи поверхностного водоема, уровень в котором периодически меняется во времени. В таком случае, для расчета фильтрационных параметров нет необходимости использовать насосы или компрессор – достаточно просто проанализировать колебания уровня воды в водоеме и в наблюдательных скважинах.
Задача плоскопараллельного потока (рис. 1), которая описывает реакцию уровней подземных вод на рост или понижение уровня воды в реке/водоеме может быть решена с использованием классического уравнения подпора (1). Однако, приведенное уравнение ориентировано на однократное изменение уровня воды (s0) в водоеме и описывает, скорее, идеальные условия, которые в природе встречается крайне редко.
В программе ANSDIMAT уравнение (1) адаптировано для целого набора типовых гидрогеологических условий, что позволяет учитывать при решении взаимосвязь со смежными водоносными пластами, фильтрационное сопротивление ложа, несовершенство наблюдательных скважин, фильтрационный режим подземных вод, дополнительные непроницаемые границы, а также изменение во времени положения уровня воды в реке/водоеме.
Продемонстрируем возможности использования такого подхода по определению фильтрационных параметров на реальном примере изысканий под строительство индустриального объекта на берегу р. Дунай в одной из Европейских стран.
Участок расположения строительной площадки имеет довольно сложные гидрогеологические условия. Первые 30 метров геологического разреза сложены хорошо проницаемыми крупнозернистыми песками и гравием аллювиального происхождения. Ниже аллювиальных отложений залегает региональный напорный водоносный горизонт, который отделен от четвертичных отложений 20 метровой толщей суглинков. Режим подземных вод на территории площадки строительства контролируется гидрологическим режимом р. Дунай. Годовая амплитуда уровней воды в реке может достигать 10 м (рис. 2б).
На площадке имеются две режимные скважины, расположенные на расстоянии 150 и 500 м от реки, дополнительно был организован гидропост (рис. 2а). В работе использовался непрерывный ряд данных режимных наблюдений за 3 года с разрешением 1 замер в 5 дней (рис. 2b).
Для расчета фильтрационных параметров по режимным наблюдениям гидрогеологические условия площадки были схематизированы до типовых условий водоносного горизонта с перетеканием, где также учитывалась степень несовершенства гидравлической связи реки с подземными водами (рис. 3).
Уравнение подпора (1) для выбранных условий было модифицировано до следующего вида (Teloglou I.S., Bansal R.K., 2012):
Интерпретация фильтрационных параметров проводилась следующим образом: амплитуда колебаний уровня воды в реке разбивалась на ступени (рис.3а) (подобно ступеням при откачке с переменным дебитом), а далее имитировалась реакция водоносного горизонта в разных точках на изменение уровня в реке по уравнению (2). Фильтрационные параметры подбирались до тех пор, пока отклонения фактических и расчетных колебаний уровней воды в наблюдательных скважинах не достигали минимальных значений. Результаты подбора приведены на рисунке 3 b,c.
Использованный метод обработки позволил без проведения откачек из скважин оценить пьезопроводность (водоотдачу) изучаемого водоносного горизонта, параметр перетекания через разделяющий слабопроницаемый слой, а также степень гидравлического несовершенства реки.
Интересно проанализировать, какую физическую роль играет каждый из определенных на основании уравнения (2) параметров. Так, параметр пьезопроводности характеризует скорость распространения гидродинамического импульса в водоносном пласте. Величина несовершенства русла реки замедляет время реакции скважины на событие в реке и одновременно уменьшает амплитуду уровней в скважине. Параметр перетекания, также как и сопротивление русла реки, сокращает амплитуду изменения уровня в скважине, однако не приводит к увеличению временной задержки реакции скважины на событие в реке.
Область применения метода:
– Определение фильтрационных параметров водоносных пластов вблизи поверхностных водотоков, где положение уровней грунтовых вод находится под прямым влиянием гидрологического режима поверхностного водоема;
– Оценка возможности подтопления грунтовыми водами прибрежных территорий за счет увеличения уровня воды в реке/водоеме.
Определяемые параметры:
– Фильтрационное сопротивление ложа реки/водоема;
– Пьезопроводность (водоотдача) водоносного горизонта;
– Величина перетекания (B);
– Коэффициент фильтрации водоносного горизонта.
Решения для интерпретации данных мониторинга УГВ интегрированы в программу АНСДИМАТ.