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

Введение к работе

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

1. Несоответствие проектных значений водобалансовых составляющігх 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 {r'₀ , *) и артезианских (г₀, ) скважин с величиной соответственно промежутка высачивания Ah и пьезометрического скачка уровней AS 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 (J)) 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 S_n = AtnO/r²)], 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 AS на стенке возмущающей артезианской скважины; трактовка пределов изменения параметров несовершенства скважины в виде неравенств: / <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 мясс.ы 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 гидрогеологичесюгх 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 матопроницаемых отложений (супеси, суглинки, глины, илы); 4) обнаружено существование пьезометрического скачка уровней AS на стенке возмущающей артезианской скважины и исследованы закономерности его изменения; 5) разработана новая теория несовершенства возмущающих скважин, в которой все показатели несовершенства скважин (r₀, , г) выражаются через величину пьезометрического скачка уровней AS или промежутка высачивания Ah у их стенок; 6) разработан ме-

тод учета пьезометрического скачка уровней AS при моделировании возмушаюших 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 S_n =j[ln(t/r²~^x)\.

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 AS 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 AS; способ построения приведенного радиуса фунтовой (г₀') и артезианской (г₀) скважин; уравнения, в которых показатели несовершенства скважин (г₀, , г) выражаются через величину пьезометрического скачка AS или промежутка высачивания Ah у их стенок; пределы изменения r₀, , г, зависимости, отражающие закономерности изменения во времени пьезометрического

скачка уровней AS, =f(t) и показателей несовершенства скважин r₀, =f(t) и %, -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 S_n = filnft/r²" ^л)]; 9) особенности формирования УГВ и поведения обобщенных ГП в удаленных областях возмущения, за пределами квазиста-ционарного режима; 10) закономерности восстановления депрессионной поверхности в пластах с перетеканием после остановки дренажных скважин и их значимость для методологии определения ГП и прогноза формирования 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), "ГИДРОИНГЕО" (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 с), вошли в "Справочное руководство гидрогеолога" (Л., "Недра", 1979, 512 с.) и энциклопедический справочник "Мелиорация" (Мн., Белорус. Сов. Энцикл., 1984, 567 с).

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.