ЭГДР в зоне влияния водозаборов подземных вод

ЭКОЛОГО-ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

ЭГДР предназначены для решения задач:

1. Прогноз гидродинамической обстановки в пределах ПТГГС, измененной в результате эксплуатации инженерного объекта

2. Определения зоны влияния ИС на конец расчетного срока его эксплуатации

3. Оценки опасности возможного загрязнения подземных вод и прогноз миграции ЗВ к источникам водоснабжения

4. Обоснование мониторинга и мероприятий по охране подземных вод от загрязнения

Результаты ЭГДР служат основой для оценки измененных гидродинамических обстановок, определения границы ЗСО водозаборов, разработки превентивных или активных мер по ликвидации загрязнений и устранения его последствий.

Для различных типов ИС методика ЭГДР имеет свои особенности. Рассмотрим их применительно к водозаборам и массивам орошения.

При эксплуатации водозаборов возможно изменение качества подземных вод и его ухудшение вплоть до значительных отклонений от нормативных требований. Основными причинами этого являются: привлечение загрязненных вод из ближайших каналов, рек и других поверхностных источников, фильтрация загрязненных вод с поверхности земли в районе водозабора и др. В зависимости от местоположения и характера источника загрязнения время поступления ЗВ в водозабор определяется по различным зависимостям. При этом для водозаборов в грунтовых водах следует различать вертикальную миграцию от поверхности земли до кровли УГВ и миграцию с латеральным потоком.

Время продвижения ЗВ по вертикали t_в может быть приближенно определено по формуле (6.1) при малой интенсивности инфильтрации (w<k₀) и по формуле (6.2) – при высокой инфильтрации (w<k₀):

_{(6. 1)}

_(6.2)

В формулах (6.1) и (6.2): n₀, m₀ – соответственно активная пористость и мощность пород зоны аэрации.

При расчетах времени продвижения загрязнений должны учитываться процессы физико-химических взаимодействий загрязненных вод с породами зоны аэрации и подземными водами. Однако в ЭГДР чаще всего принимают, что миграция рассматривается, прежде всего, в отношении инертного вещества, что обеспечивает определенный запас в расчетах по сравнению с сорбируемым компонентом.

В зоне латерального потока в районе водозабора формируется две характерные области: область питания и область захвата водозабора (рис.6.1).

область питания ограничена нейтральной линией тока и в ее пределах все линии тока заканчиваются на водозаборе. За ее пределами линии тока огибают водозабор и, следовательно, мигрирующие здесь частицы воды и ЗВ, попадающие на поверхность подземных вод на этом участке, никогда не достигнут водозабора. Размеры области питания определяются по характерным точкам нейтральной линии тока:

;

Область захвата водозабора формируется за время его эксплуатации Т и составляет часть области питания. Частицы воды и ЗВ, располагающиеся внутри области захвата, к концу расчетного срока Т обязательно достигнут водозабора. Область захвата представляет собой эллипс, вытянутый вверх по потоку подземных вод. Площадь области захвата увеличивается в процессе эксплуатации водозабора. Протяженность области захвата вниз по потоку составляет r, вверх по потоку - R, общая протяженность загрязненной области фильтрации составит

(6.3).

Вниз по потоку граница ЗСО, как правило, проводится через водораздельную точку N, но но в тех случаях, когда это расстояние велико, так что время продвижения частицы воды от нее больше расчетного времени Т, величина протяженность ЗСО вниз по потоку принимается равной r<х_в.

(6.4)

Расстояние, которое пройдет загрязнение за расчетное время Т можно представить в виде двух слагаемых:

(6.5),

Где R_q – расстояние, преодолеваемое частицами воды при отсутствии водозабора, ΔR – дополнительное расстояние, которое проходит частица воды при работе водозабора:

(6.6),

(6.7).

Расстояние R может быть определено также из формулы:

(6.8)

Расстояние r – из формулы

(6.9)

В формулах (6.4) и (6.6)-(6.9): q - единичный расход естественного потока подземных вод, m – мощность водоносного горизонта, n – активная пористость пород, k – коэффициент фильтрации, S - понижение уровня в водозаборной скважине, R_k - радиус контура питания водозабора.

Ширина области захвата может быть определена из балансового соотношения: и (6.10.),

откуда

(6.11).

В формулах (6.7) и (6.8) Q – дебит водозабора, а πdL/2 – площадь эллипса.

После определения размеров области захвата и области питания водозабора производится расчет водозабора и определения понижения во всех скважинах, входящих в зону влияния. При расчете самого водозабора используют формулы стационарной или квазистационарной фильтрации в зависимости от расчетной схемы, которая составляется с учетом местоположения инженерного объекта и его возможной связи с каналами с использованием критериев:

(6.12)

- время, через которое сказывается влияние границы удаленной на расстояние l; - время наступления стационарного влияния от открытой границы, расположенной на расстоянии d от центра инженерного объекта. После уточнения расчетной схемы и выбора расчетной зависимости выполняется расчет самого водозабора по соответствующим формулам стационарной или квазистационарной фильтрации или методом обобщенных систем скважин. В зоне влияния радиальной фильтрации производится расчет понижения уровня в скважинах, входящих в эту зону.

При стационарном режиме фильтрации величина понижения уровня в любой точке напорного пласта будет равна

, (6.13)

Для безнапорных вод на горизонтальном водоупоре при выполнении условия

S≥0,25h_ст расчет выполняется по формуле

(6.14)

При S ≤ 0,25 в безнапорных водах можно пользоваться формулой для напорных вод

Для скважины у границы I рода.

В условиях квазистационарного режимафильтрации величина понижения определяется по приближенной формуле:

S (r,t) = ln. (6.15)

Расчет n взаимодействующих скважин в полуограниченном пласте (6.16)

При расчетах по методу обобщенных систем используют следующие зависимости:

(6.17)

Здесь для квазистационарного режима фильтрации:,

для стационарного режима фильтрации: (6.18)

Значения r_пр:

· для линейного ряда скважин протяженностью 2 1, r_пр=0,37 1

· для кольцевого расположения скважин радиусом R_о, r_пр=R_о

· для круговой площади радиусом R_о, r_пр=0,61 R_о

Значения r_п

· для контурной системы скважин (линейных, кольцевых),

· для площадной системы, r_n=0,53σ, где σ – половина расстояния между скважинами.

Помимо аналитических расчетов, можно определить положение гидроизогипс, изменившееся под влиянием водозабора, графическим построением гидродинамической сетки движения с учетом естественного потока. Определить расстояния с заданными целочисленными значениями S можно, воспользовавшись формулой (6.13) и переписав ее относительно r:

(6.19)

При квазистационарной фильтрации в формуле (6.19) следует принять.

Линии равных понижений уровня при водоотборе имеют вид концентрических окружностей с центром в скважине, радиусы которых определены по выше приведенной формуле. Для построения ГДС нарушенного потока вычитают значения понижения S из отметки естественного уровня Н_е в местах пересечения соответствующих линий напора, проставляя полученную разность возле точек пересечения. Соединяя одинаковые значения расчетных уровней, строят линии напора, отвечающие нарушенному водоотбором потоку подземных вод. Перпендикулярно к полученным линиям напора будут располагаться линии тока (рис.6.2).

При помощи полученной сетки потока определяют нейтральную линию тока, зону захвата потока скважиной, положение точки водораздела нарушенного потока.

После определения положения уровня в центре водозабора и во всех скважинах, входящих в зону его влияния, оценивают изменение гидродинамической обстановки путем построения карт типов гидродинамических структур потока, типов гидродинамического взаимодействия латерального потока с окружающей средой, эколого-гидродинамического районирования. Сопоставление этих карт с аналогичными картами естественного потока является основой для анализа гидродинамического воздействия инженерного сооружения на гидродинамику подземных вод и экологические условия территории в целом.