Содержание к диссертации
Введение
I. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РЕК ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ 19
1.1. Природные особенности районов исследования 19
1.2. Гидрогеологические характеристики руслового аллювия водных источников для перспективных регионов Восточной Сибири 25
1.3. Изученность влияния гидрогеотермических условий на производительность инфильтрационных водозаборов 30
1.4. Результаты предшествующих исследований процессов тепло-массопереноса в речных долинах 38
1.5. Криотермические процессы и формирование шуголедовых явлений бассейнов рек Восточной Сибири 44
1.6. Гидрогеотермический режим речных долин 54
П. ОСОБЕННОСТИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ В РАЗЛИЧНЫХ ГИД РОГЕОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ 62
2.1. Методы приближенного решения задач тепломассопереноса в гидрогеотермодинамических системах речных долин 62
2.2. Методы расчета динамики геотемпературного поля в различных гидрогеотермических условиях 66
2.3. При учете характера питания 76
2.4. Прогноз пространственного положения границ криогенных во-доупоров 80
III. ВЛИЯНИЕ ГИДРОГЕОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА РАСХОД ПОДРУСЛОВЫХ ПОТОКОВ РЕЧНЫХ ДОЛИН 83
3.1. Натурные исследования сезонных колебаний расхода подземных потоков 83
3.2. Влияние термических характеристик на промерзание водоносных горизонтов речных долин 91
3.3. Физическое моделирование процессов взаимодействия геотемпературных и фильтрационных полей речных долин 94
3.4. Прогнозирование расхода подземных вод с учетом изменения вязкости воды и пространственного положения границ криогенных водоупоров 97
3.5. Гидрографическая характеристика потоков, перспективных для применения инфильтрационных водозаборов 101
4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОДОЗАБОРОВ 106
4.1. Основные конструктивные схемы инфильтрационных водозаборов 106
4.2. Термокольматационные процессы и их влияние на производительность водозаборных сооружений 109
4.3. Процессы инфильтрации речных вод в русловой аллювий под воздействием водозаборов 114
4.4. Относительные величины речных потоков в общем дебите под русловых инфильтрационных водозаборов 117
4.5. Гидравлические режимы инфильтрационных сооружений и их влияние на интенсивность термокольматационных процессов 119
4.6. Влияние русловых деформаций на термокольматацию, подвижность аллювиальных отложений и синхронность пиков жидкого и твердого стоков 127
4.7. Водный режим и типизация гидрографов стоков для прогнозирования эффективности водозаборов инфильтрационного типа 131
V. ГИДРАВЛИКО-ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РЕЧНЫХ ПОТОКОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗВЕШЕННЫХ НАНОСОВ ПО СЕЧЕНИЮ 137
5.1. Схематизация поперечного сечения открытого потока 137
5.2. Схематизация скоростной структуры открытого потока 139
5.3. Схематизация распределения концентрации потока взвешенных наносов по сечению 141
5.4. Расход от взвешенных наносов в открытых потоках 143
5.5. Средняя концентрация от взвешенных наносов по живому сечению потоков 147
5.6. Методика экспериментальных исследований термокольматаци-онных процессов, температурных и уровенных режимов ин-фильтрационных водозаборов 151
VI. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОКОЛЬМАТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗОНЕ АКТИВНОГО ВЛИЯНИЯ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ 166
6.1. Уравнение неразрывности для жидкой фазы 166
6.2. Уравнение неразрывности для твердой фазы 169
6.3. Уравнение неразрывности для суспензии 170
6.4. Уравнение для поля гидродинамического давления 171
6.5. Уравнение конвективного массопереноса 171і
6.6. Уравнение кинетики массообмена суспензии в пористой среде 172
6.7. Система уравнений, описывающая двухмерное течение суспензии в пористой среде 173
6.8. Построение разностной схемы для уравнения, описывающего поле гидродинамического давления 184
6.9. Построение разностной схемы для уравнения массопереноса 197
6.10. Пример расчета процесса кольматации в условиях двухмерной
задачи 205
VII. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ИНФИЛЬТРАЦИОН-НЫХ ВОДОЗАБОРОВ В ЗОНЕ АКТИВНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ
КРУПНЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ 212
7.1. Математическая постановка задачи фильтрации 212
7.2. Гидравлический расчет линейного ряда совершенных скважин 216
7.3. Гидравлический расчет группы произвольно расположенных скважин 220
7.4. Гидравлический расчет скважин в условиях значительного колебания уровня подземных вод 223
7.5. Гидравлический расчет водозаборных сооружений с учетом термических характеристик и деформаций пористой среды 234
7.6. Гидродинамический расчет скважин с постоянным понижением 240
7.7. Пример расчета 242
VIII. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ИНФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОДОЗАБОРОВ НА ТЕРРИТОРИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД 247
8.1. Постановка задачи 247
8.2. Гидравлический расчет инфильтрационных водозаборных сооружений берегового типа 247
8.3. Гидравлический расчет подрусловых инфильтрационных сооружений 253
8.4. Процессы тепломассообмена водоносных горизонтов 258
8.5. Зимний режим работы подрусловых водозаборов в суровых климатических условиях и на вечномерзлых грунтах 263
IX. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИНФИЛЬТРАЦИОННОГО ВОДОЗАБОРА И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ 272
9.1. Постановка вопроса и критерий оценки 272
9.2. Анализ затрат на скважинный водозабор 276
9.3. Здания насосных станций 283
9.4. Водоподъемное оборудование 285
9.5. Водоводы 287
9.6. Устройство санитарной зоны строгого режима и дорог 290
9.7. Затраты на электроэнергию и обслуживание 291
9.8. Анализ влияния технических параметров водозабора на критерий оптимальности 292
9.9. Анализ и выбор метода оптимизации 294
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 300
ЛИТЕРАТУРА 307
- Природные особенности районов исследования
- Методы приближенного решения задач тепломассопереноса в гидрогеотермодинамических системах речных долин
- Натурные исследования сезонных колебаний расхода подземных потоков
- Основные конструктивные схемы инфильтрационных водозаборов
- Схематизация поперечного сечения открытого потока
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Освоение природных богатств Восточной Сибири и Крайнего Севера, занимающих значительную часть территории нашей страны, - важнейшая народнохозяйственная задача, направленная на дальнейшее наращивание экономического потенциала северных и восточных районов и повышение их роли в общественном производстве. Для ускоренного развития производственных сил требуется надежное обеспечение сырьевыми ресурсами, важное место среди которых занимают ресурсы пресных подземных вод.
На использовании подземных вод речных долин основано хозяйственно-питьевое водоснабжение большинства крупных и средних населенных пунктов Восточной Сибири. Эксплуатация промышленных месторождений грунтовых вод в долинах рек производится с помощью инфильтрационных водозаборов. Накопленный опыт эксплуатации данных сооружений показывает, что их производительность в холодное время года существенно снижается (до 30-80 %) от проектной величины, а это наносит большой материальный ущерб народному хозяйству. Снижение производительности инфильтрационных водозаборов на конец зимнего периода обусловлено сокращением ресурсов подземных вод вследствие изменения мерзлотно-гидрогеотермических условий речных долин. Существующие методы подсчёта запасов подземных вод не учитывают влияние гидрогео-термичесыгх факторов на их формирование, что ведет к ошибкам в оценке производительности водозаборов при проектировании.
Главной особенностью работы инфильтрационных водозаборов в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера является то, что они эксплуатируют подземные воды зоны многолетней мерзлоты. В теле водо-вмещающих пород в связи с этим развиваются криогенные процессы се-
зонного характера, определяющие условия питания, движения и разгрузки подземных вод. Активное тепловое взаимодействие подземных вод с мёрзлыми породами приводит к большой подвижности границ грунтового потока, значительной изменчивости во времени размеров и формы всего бассейна аллювиальных вод. В холодный период года поверхностные и подземные воды при пониженных температурах имеют наибольшую вязкость. Увеличение вязкости приводит к снижению скорости фильтрации подземных вод, интенсивности их водообмена и, соответственно, уменьшению привлекаемых ресурсов.
Фазовые переходы, определяющие специфику забора фунтовых аллювиальных вод в Восточной Сибири, их направленность и степень проявления, определяются термодинамической обстановкой системы пластов, слагающих отложения речных долин. Гидрогеометрический режим в русловых аллювиальных отложениях формируется вследствие протекания сложных процессов переноса и обмена теплом в водоносных горизонтах и окружающих их криогенных водоупоров под влиянием сезонных колебаний температуры воды речного потока и поверхности почвы. Большое число переменных природных факторов, оказывающих влияние на гидрогеометрические условия, сложная взаимосвязь процессов водообмена и теплообмена затрудняют математическое решение задач о степени и характере влияния температуры на гидрогеометрический режим речных долин. Существующие исследования по данному вопросу ограничиваются качественными описаниями происходящих процессов. Количественные описания теплового режима водоносных горизонтов в долинах рек и связанных с ними проявлений факторов криогенного влияния отсутствуют, что не позволяет прогнозировать приток подземных вод к водозабору и всю его работу в целом. Отсутствие рекомендаций, технических указаний по эксплуатации и методам расчета инфильтрациопных водозаборов в районах с суровыми природно-климатическими условиями, а также настоятельные
потребности практики дают основания считать, что исследования в данном направлении являются актуальными.
Использование подземных вод речных долин часто осуществляется с помощью подрусловых водозаборов. Опыт эксплуатации таких сооружений показывает, что их дебит в результате руслового аллювия и влияния низких температур в холодное время года снижается па 30-80 % от проектной величины. Дальнейшее развитие инфильтрационного водоснабжения требует более полного учета природно-климатических, гидрологических и гидрогеологических факторов, определяющих производительность водозаборных сооружений и их экономическую эффективность. В настоящее время предусматривается дальнейшее освоение богатейших" природных ресурсов Сибири, Севера и Дальнего Востока, в связи с чем возникает необходимость ввода в эксплуатацию новых систем водоснабжения и улучшения их технических и экономических показателей. Поэтому разработка новых и усовершенствование существующих методов расчета и проектирования, с учетом широкого круга теплофнзнческих и гидрологических факторов, определяющих производительность водозаборов подземных вод с учетом их экономической эффективности, является актуальной проблемой.
ЦЕЛЬ. Совершенствование методов расчета инфильтрационных водозаборов с учетом термокольматации руслового аллювия и особенностей формирования гидротермического режима речных долин и водохранилищ.
построить математическую модель, учитывающую термические, гидравлические, гидрологические и гидрогеологические особенности формирования водоисточников;
на основе предложенной математической модели провести численный анализ теплофнзнческих и гидродинамических режимов водозаборов и их производительности в зависимости от условий эксплуатации;
провести экспериментальные исследования по определению опыт
ных коэффициентов, учитывающих изменение температурных и гидроди
намических характеристик потоков в зависимости от режимов работы во
дозаборных сооружений инфильтрационного типа;
разработать методы решения полученных нелинейных систем дифференциальных уравнений с учетом ограничений и указанных особенностей;
произвести расчеты, сделать анализ полученных результатов, сформулировать рекомендации по проектированию и строительству ин-фильтрационных водозаборов в условиях Сибири и Крайнего Севера.
разработаны схемы течения воды к инфильтрационным водозаборным сооружениям в условиях термокольматации руслового аллювия с учетом нестационарности процесса, термических, гидравлико-гидрологических, гидрогеологических факторов;
предложена математическая модель механизма кольматации руслового аллювия, учитывающая термические, гидравлические, гидрологические и гидрогеологические природные факторы и эксплуатационные режимы;
решена задача исследования влияния формирования потоков в условиях различных офаничений на форму границ и величины скоростей при различных неоднородностях и анизотропии среды;
разработаны численные методы решения предложенных математических моделей, учитывающих теплофизические и гидрологические особенности процессов водозабора;
проведено численное моделирование процесса кольматации реальных термических, гидравлико-гидрологических и гидрогеологических условий для определения изменения полей термогидродинамического давле-
ния, концентрации наносов в подрусловом потоке и насыщенности поро-вого пространства руслового аллювия взвесью;
создан программный модуль, позволяющий вести прогнозирование
работы инфильтрационных водозаборов при определении схемы оптими
зации режимов;
разработана методика и проведено физическое моделирование
процесса кольматации в условиях близких к натурным с учетом больших
температурных перепадов и с целью сравнения результатов математиче
ского и физического моделирования и уточнения модели явления;
разработаны методики решения оптимизационных задач при выбо
ре схем инфильтрационных водозаборов с учетом региональных особенно
стей и условий Сибири и Крайнего Севера.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные результаты исследований использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации инфильтрационных водозаборов, работающих уже в течение 5-Ю лет. Полученные математические модели, алгоритмы и программы по их решению нашли применение в проектных и научно-производственных организациях для решения актуальных инженерных задач по гидравлическим расчетам инфильтрационных сооружений при термокольматации (фильтрационных деформациях) руслового аллювия с учетом природных условий и нестационарности процесса. Созданы теоретические основы расчета и сделаны рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации экономичных и надежных систем водоснабжения в регионах Сибири и Крайнего Севера.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ результаты
по влиянию гидрогеотермических условий и процессов тепломас-сопереноса в речных долинах на производительность инфильтрационных водозаборов;
решению задач определения производительности водозаборов в
различных гидрогеотермических условиях с учетом положения контуров питания;
учету термических характеристик на промерзание водоносных горизонтов речных долин в зоне активного влияния инфильтрациоиных сооружений;
систематизации гидрографических характеристик водонесущих потоков эффективных для водозаборов инфильтрационного типа;
разработке методик гидродинамических расчетов производительности инфильтрациоиных водозаборов при термокольматации руслового аллювия речных долин и водохранилищ Сибири и Крайнего Севера;
оптимизация конструктивных схем водозаборов инфильтрационного типа для данных гидрогеологических условий;
разработке классификации и схематизации водозаборов инфильтрационного типа на основе их системного анализа.
ДОСТОВЕРНОСТЬ исследований подтверждена сопоставлением результатов аналитических решений и экспериментов, тестовыми примерами, выполненными соискателем и другими авторами; сравнением с имеющимися аналитическими тестовыми решениями в стационарных условиях, исследованием сходимости предложенных уравнений к классическим при снятии ограничений и особенностей.
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Программы расчетов на ЭВМ внедрены на ОАО "Красноярскводоканалпроект", Глав-водстрой (г. Красноярск), РАПО (Красноярский край), СахНИПИнефть (о. Сахалин, г. Оха), в УПП Главкрасноярскстроя и проектно-технологическом тресте "Оргтехводстрой" Главводстроя (г. Красноярск).
Результаты исследований включены в программу соответствующих курсов «Водозаборные сооружения», читаемого в КГТУ, КрасГАСА, использовались при выполнении дипломных работ студентами специально-
стей инженерно-физического, теплоэнергетического и инженерно-экологического факультетов КГТУ и КрасГАСА.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В качестве применяемых методов исследований использовались известные методы гидравлики, теории фильтрации, гидрологии и теплофизики с применением специальных методов математической физики и математического анализа.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований докладывались и обсуждались: в период 1988-2000 гг. на коллегиях ряда министерств и ведомств по проблемам водоснабжения регионов Сибири и Крайнего Севера экологически чистой водой из подземных источников; на Международном конгрессе - Биотехнологии, 17-20 июня 1996 г. - Иркутск; на Международном конгрессе "Вода: Экология и технология" - ЭКВАТЭК -2000, Москва; на научно-практических конференциях КНТО "Градостроительство и инженерная экология" 1991-2000 гг. - Красноярск; на I -II совещаниях руководителей служб инженерного обеспечения ассоциации сибирских и дальневосточных городов (АСДГ), 15-17 ноября 1995 г., 11-12 апреля 1996 г., Красноярск - Томск, 28 сентября 1996 г. - Иркутск; на научно-методическом семинаре по водоснабжению и водоотведению по специальности 290800. Госкомвуза РФ, 17-19 сентября 1988 г. -Красноярск.
РАБОТА ВЫПОЛНЯЛАСЬ согласно плана НИР, НИОКР, Федеральной программы "Строительство", Краевой программы "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" (Красноярск, 1998-2000), программы "Проблемы экологии и развития городов" - 2000 и программ "Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения" Красноярское краевое НТО "Градостроительство и инженерная экология", 1995-2000.
Л1ШНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Автору принадлежит постановка проблемы и задач данного исследования, обоснование, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практиче-
скую значимость работы, формулировка задач теоретических и экстремальных исследований, участие в экспериментальных исследованиях, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов заключений для принятия решений.
АВТОР ВЫРАЖАЕТ признательность руководителям и сотрудникам МУЛЛ "Водоканал" г. Красноярска, институту "Красноярскграждан-проект", Красноярскому филиалу ВІІИИ ВОДГЕО, сотрудникам кафедры "Водоснабжение и водоотведение" Красноярской государственной архитектурно-строительной академии, КНТО "Градостроительство и инженерная экология", администрации Красноярского государственного технического университета, а также всем, кто способствовал исследованию, за неоценимые консультации, содействие и помощь в становлении, обсуждении и окончательном оформлении диссертационной работы.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты исследований изложены в монографиях, статьях и тезисах докладов. Всего в области исследований температурного и гидрологического влияния русловых потоков и водохранилищ автором опубликовано 35 работ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из девяти глав, выводов, списка использованной литературы (наименований) и приложений, включающих программы и инструкции по расчетам на ЭВМ, акты внедрения результатов исследований.
Природные особенности районов исследования
Климат региона резко-континентальный, характеризующийся большими амплитудами температур теплого и холодного сезонов. Континенталь-ность и суровость климата обусловлена удаленностью территории от теплых морей и беспрепятственным проходом холодного арктического воздуха с севера.
Преобладание по региону масс холодного и сухого воздуха определяет среднегодовые температуры воздуха ниже О С: по различным частям территории Красноярского края ее значение изменяется от минус 15,6 до О С, Якутии - от минус 15,5 до минус 5,5 С, Иркутской области - от минус 8,6 до минус 2,0 С, Читинской области - от минус 7,0 до минус 7,3 С. Погода зимой на большей части территории устойчива, характерны сильные морозы. Температура опускается в отдельные дни до минус 53 С на юге и до минус 70 С на севере. Зима продолжительная, с сильными ветрами и метелями, начинается в сентябре-октябре и длится 8-10 месяцев.
Лето короткое, но жаркое, средняя температура самого теплого месяца-июля - колеблется от +1 С на Таймыре и до +21 С на юге Красноярского края. Безморозный период длится от 50 дней на севере и до 130 дней на юге. Абсолютный максимум температуры в южных районах достигает летом 40 С, в центральных районах разница средних температур самого теплого (июль) и наиболее холодного (январь) месяцев составляет 55-65 С, а амплитуда абсолютных температур достигает 100 С.
Количество осадков за год в среднем составляет 350-400 мм. Меньшее количество осадков выпадает на побережье Арктики и в лесостепных рай 20 онах - от 200 до 300 мм, большее - в горах, где оно может достигать 1000 мм. Распределение осадков в течение года неравномерно. В холодный период года выпадает 10-15 % годового количества осадков, в теплый -около 85 %. Глубина снежного покрова в среднем составляет 20-40 см, в горных районах достигает 1,3 м. Продолжительность снегозалегания у Северного полярного круга - 240-250 дней, в таежной местности - 170-180, в лесостепи - от 150 до 170 дней.
На рассматриваемой территории расположены крупные речные системы Енисея, Лены, Хатанги, Пясины, Анадыря, Яны и др., принадлежащие бассейну Северного Ледовитого океана. Большинство рек текут с юга на север. Обладая большой тепловой емкостью, воды речных потоков переносят большое количество тепла, накопленного в южных районах, на север. Атмосферные осадки являются основным источником питания рек. На реках с преобладанием снегового питания режим уровней характеризуется высоким весенним половодьем, повышенным летним положением и низкой зимней меженью. Разница максимальных уровней половодья и межени составляет 5-10 м. Ледостав длится 6-9 месяцев с мощным ледовым образованием. Толщина льда на реках изменяется в пределах от 0,7 до 2,5 м. В ледоставный период отдельные малые реки и верхние участки средних рек промерзают до дна. Вскрытие рек сопровождается интенсивным ледоходом, не редко с заторами льда. К моменту проявления ледовых образований происходит переохлаждение воды рек, после чего температура несколько повышается, оставаясь до момента вскрытия близкой к 0 С. Большое разнообразие физико-географических условий определяет ряд различий в гидрологическом режиме рек по районам территорий.
Геологическое строение Восточной Сибири сложно и разнообразно как в геолого-структурном плане, так и по комплексу магматических, метаморфических и осадочных пород различного возраста. Повсеместное распространение имеют четвертичные отложения, представленные генетическими типами, среди которых широко развиты аллювиальные отложения. Аллювий выполняет днище долин больших и малых рек и слагает пойму и надпойменные террасы. Ширина пойм может быть от десятков метров в горных районах и до десятков километров на равнине. Мощность речного аллювия и его состав зависят от особенностей и истории развития гидрографической сети региона, уклона реки, геологического строения.
Русловой аллювий состоит преимущественно из гравия и галечника с валунами и песчаным заполнителем. Пойменный аллювий представлен преимущественно суглинками, супесями, мелкозернистыми песками, реже встречаются гравийно-галечниковые отложения. Мощность аллювия достигает 20-60 м. Русловой аллювий на поймах, как правило, перекрыт на всех участках долины пойменным аллювием мощностью 3-Ю м. Некоторые отличия в строении отмечаются в переуглубленных долинах рек Талнах, Ергалах. Мощность рыхлых аллювиальных отложений на этих реках достигает 130 м.
Суровый климат способствует глубокому промерзанию почвы. Глубина сезонного промерзания для Красноярска в среднем составляет 1,8 м, Иркутска - 2,2 м, Читы - 3,8 м. Глубина сезонного оттаивания мерзлых пород изменяется в зависимости от конкретных сочетаний природных условий. Мощность сезонно-талого грунта колеблется от 0,3-0,7 м на севере до 2,5-3,5 м на юге территории.
Методы приближенного решения задач тепломассопереноса в гидрогеотермодинамических системах речных долин
Количественные исследования задач тепломассопереноса в природных гидрогеотермодинамических системах сводятся к необходимости решения уравнений в частных производных второго порядка с заданными начальными и граничными условиями.
Для речных долин характерно однослойное строение водоносной толщи, перекрываемой сверху и подстилаемой снизу водоупорными породами (береговая зона фильтрации). Такое строение долин позволяет схематизировать гидрогеологические условия (при наличии постоянной гидравлической связи подземных и речных вод) в виде пласта-полосы с прямолинейными границами. В качестве одной из границ принимается река как контур питания, в качестве другой - поверхность фильтровой части дренажных сооружений. Расчетная схема теплообмена в отложениях долин в этом случае состоит из трехслойного тела с конвективным переносом в соседнем слое и кондук-тивным - в его окружающих.
Несовершенный врез русла реки приводит к значительным деформациям фильтрационного потока под руслом реки (русловая зона фильтрации). Эту область при геофильтрационных расчетах выделяют как самостоятельную с характерным строением водоносного слоя и своеобразной структурой подземного потока. Соответственно этому, формирование гидрогеотермического режима имеет свои особенности, которые должны рассматриваться самостоятельно. Расчетная схема теплообмена может быть представлена двухслойным телом с конвективным переносом в верхнем слое и кондуктивным - в нижнем.
Формирование температурного поля водоносного горизонта можно описать следующей схемой: на контуре питания водоносного пласта наблюдается изменение во времени температуры подземных вод в соответствии с ходом температуры воды поверхностного потока; перенос тепла в водоносном пласте осуществляется путем конвекции по всей области движения подземных вод; водоносный пласт обменивается теплом с окружающими его водоупорными породами через кровлю и подошву, в которых перенос тепла осуществляется молекулярной теплопроводностью; на глубине "нейтрального слоя" устанавливается некоторая постоянная температура.
Для получения прогнозных методик расчета геотемпературного поля нет необходимости рассматривать дифференциальные уравнения теплопереноса в общей постановке, так как из всех физических процессов для каждого конкретного случая только некоторые будут иметь определяющее значение. Так, скорость фильтрации в пластах на участках расположения водозаборов в среднем составляет 0,5-5,0 м/ч. Число Пекле, характеризующее соотношение величин переноса тепла конвекцией и теплопроводностью, при данных скоростях фильтрации имеет величину порядка 100, что говорит о преимущественном переносе тепла конвективным путем. Поэтому при рассмотрении переноса тепла вдоль направления движения потока величиной переноса тепла теплопроводностью можно пренебречь. Градиенты температуры в кровле и подошве в течение года изменяются в значительных пределах, достигая величин порядка 2-5 С/м. В горизонтальном направлении пласта в кровле и подошве градиент температуры редко превышает 0,001-0,005 С/м. Исходя из этого, передача тепла в горизонтальном направлении в водоупорных породах в формировании геотемпературного поля играет подчиненную роль.
Натурные исследования сезонных колебаний расхода подземных потоков
Водозабор эксплуатирует месторождение подземных вод, относящееся к современным четвертичным аллювиальным отложениям р. Енисея, с постоянной величиной водоотбора 2,5 тыс. м /ч. Водоносный горизонт речной долины слагают валунно-галечниковые отложения с песчаным заполнителем мощностью 12-13 м. Снизу водоносный пласт подстилается слаботрещиноватыми песчаниками среднедевонского возраста, сверху перекрывается слоем супеси мощностью 2-3 м. Натурные наблюдения за режимом подземных вод проводились на сети наблюдательных скважин, охватывающих участок расположения водозабора. Изменения уровня подземных вод, уровня воды в реке и на водозаборе выполнялись в течение года 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30-го числа каждого месяца. На основе этих наблюдений было установлено, что дебит водозабора в основном формируется за счет притока подземных вод со стороны реки. Поэтому гидрогеотермические условия береговых участков водоносного пласта мест размещения водозаборов и будет определять влияние их на расходные характеристики фильтрационного потока воды к водозаборным сооружениям.
На рис. 3.1.1 приведены данные уровенного режима подземных вод для скважин, расположенных между рекой и водозабором. Наблюдательная скважина № 1 располагается непосредственно на урезе воды реки. Расстояние от береговой кромки реки до скважины № 2 составляет 70 м. Уровни воды в водозаборных скважинах, находящихся в 100 м от уреза воды реки, в точности повторяют колебания воды в скважине № 2. На рис. 3.1.2 построены графики изменения отрыва уровня подземных вод (уровень воды в скважине № 1) от уровня воды в реке, гидравлического уклона подземного потока к водозабору и удельный дебит водозабора по времени года.
Анализ уровенного режима подземных вод (рис. 3.1.1) показывает, что он характеризуется четкой сезонной изменчивостью с неуклонным понижением уровня в течение холодного периода и его подъемом с наступлением теплого периода, в то время как уровень воды в реке остается относительно постоянным в связи с зарегулированностью р. Енисей. На сезонные колебания накладываются суточные колебания небольшой амплитуды уровня воды в реке, связанные с режимом работы Красноярской ГЭС (изменение расхода реки по часам суток, а также по рабочим и нерабочим дням недели). Изменение уровня подземных вод при их сезонных колебаниях приводит к изменению мощности подземного потока и коэффициента водопроводимости пласта по сезонам года.
Основные конструктивные схемы инфильтрационных водозаборов
Расчетные инфильтрационные водозаборы используют подрусловые и грунтовые воды аллювиальных отложений в условиях постоянного их пополнения фильтрацией из рек-водоисточников. Их выполняют в виде вертикальных скважин, береговых шахтных колодцев, горизонтальных галерей, лучевых водозаборов (рис. 4.1.1). По расположению водоприемных частей инфильтрационные водозаборы делят на вертикальные и горизонтальные сооружения, составляющие шесть основных схем. На рис. 4.1.1 показаны:
а - одиночные несовершенные шахтные колодцы (вертикальные скважины) с питанием только через дно и боковые стенки;
б - ряд близкорасположенных взаимовлияющих береговых несовершенных шахтных колодцев (вертикальные скважины);
в - береговые несовершенные горизонтальные дрены, параллельные оси движения речного потока;
г - подрусловые несовершенные горизонтальные дрены, параллельные оси движения речного потока;
д - подрусловые несовершенные горизонтальные дрены, нормальные оси движения речного потока;
е - лучевые водозаборы - береговые и подрусловые несовершенные горизонтальные дрены, радиально сходящиеся к шахтному колодцу.
Методы расчета производительности инфильтрационных водозаборов разрабатываются на основе общей теории фильтрации, получившей отраже 107 ниє в фундаментальных трудах Н. Н. Павловского, Л. С. Лейбензона, П. Я. Полубариновой-Кочиной. Для расчета исключительную ценность представляют исследования общетеоретического и прикладного характера B. Н. Щелкачева, И. А. Парного, М. А. Гуссейн-Заде, Ю. П. Борисова и многих других специалистов в области нефтяной подземной гидравлики. Широко используются для этих целей также фильтрационные расчеты в гидротехнике и в области водопонижения и дренажа: работы С. К. Абрамова, C. Ф. Аверьянова, В. И. Аравина, Н. Н. Веригина, В. М. Григорьева, В. П. Недрига, С. Н. Нумерова, Л. Н. Павловской, А. В. Романова, В. С. Усенко, В. М. Шестакова и других. Однако наряду с общностью проблем подземной гидродинамики в различных областях необходимо иметь в виду и специфические особенности гидрогеологических задач, возникающих в связи с применением инфильтрационных водозаборов. Эти особенности определяются главным образом тем, что при длительной и интенсивной эксплуатации данного вида сооружений происходит заиление (кольматация) русловых отложений.
В последнее время в гидрогеологическую практику, как и в другие отрасли, все шире внедряются методы моделирования на аналоговых приборах и расчетов на электронно-вычислительных машинах. Как показано ниже, такие методы могут быть применены и при расчетах производительности инфильтрационных водозаборов в кольматируемых руслах для прогнозирования их дебитов на длительный период. Нужно, однако, иметь в виду, что точность и надежность гидрогеологических расчетов находятся в прямой зависимости от точности и достоверности исходных данных, которыми характеризуется природная гидрогеологическая обстановка.
Схематизация поперечного сечения открытого потока
Пусть имеется в общем случае несимметричный относительно вертикальной оси Z(H) ПОТОК С шириной по верху В и максимальной глубиной Я, поперечный профиль которого аналитически описывается двумя смежными функциями f{x), характеризующими очертание дна и боковых стенок его русла соответственно в левой и правой частях живого сечения в системе прямоугольных координат х(В) и z(H) с началом в наинизшей точке дна (рис. 5.1.1).
Для нахождения этих функций применим известный в речной гидравлике метод приведенных сечений русла, по которому поперечный профиль потока задается степенным уравнением вида f(x) -2р-х с вертикальной осью симметрии по оси ординат z{H). Это уравнение в зависимости от величины показателя степени — может описать все профили русла начиная от соответственно для правой и ле вой частей живого сечения. В случае параболического русла всегда должно быть — 1,0, чтобы выпуклость дна Дх) -2р-хе располагалась вниз. При уравнение определяет прямые, совпадающие с горизонтальной є осью. Как показали исследования, вышеуказанное уравнение при — = 2,0 для симметричного параболического профиля достаточно точно описывает речные русла в натуре при статистическом осреднении их форм с наиболее распространенными широкими сечениями. В дальнейшем будем рассматривать только симметричные потоки, характеризующиеся условиями Ві - В2- — и , полагая, однако, что эти параметры могут быть различными для левой и правой частей сечения в руслах неправильных форм.
