Содержание к диссертации
Введение
1. Природно-климатические условия рек восточной Сибири 9
1.1. Природные особенности районов исследования 12
1.2. Гидрогеологические характеристики руслового аллювия водных источников для перспективных регионов Восточной Сибири 16
1.3. Изученность влияния гидрогеотермических условий на производительность инфильтрационных водозаборов 20
1.4. Результаты предшествующих исследований процессов тепломассо-переноса в речных долинах 25
1.5. Криотермические процессы и формирование шуголедовых явлений бассейнов рек Восточной Сибири 29
1.6. Гидрогеотермический режим речных долин 37
1.7. Цели и задачи исследования
2. Особенности решения задач в различных гидрогеотермических условиях 42
2.1. Методы приближенного решения проблемы тепломассопереноса в гидрогеотермодинамических системах речных долин 42
2.2. Методы расчета динамики геотемпературного поля в различных гидрогеотермических условиях 45
2.3. При учете характера питания 54
2.4. Прогноз пространственного положения границ криогенных водоупоров 58
3. Влияние гидрогеотермических условий на расход подрусловых потоков в речных долинах 60
3.1. Натурные исследования сезонных колебаний расхода подземных потоков 60
3.2. Влияние термических характеристик на промерзание водоносных горизонтов речных долин 67
3.3. Физическое моделирование процессов взаимодействия геотемпературных и фильтрационных полей речных долин 69
3.4. Прогнозирование расхода подземных вод с учетом изменения вязкости воды и пространственного положения границ криогенных водоупоров 72
3.5. Гидрографическая характеристика потоков, перспективных для применения инфильтрационных водозаборов 75
4. Эффективность применения инфильтрационных водозаборов 78
4.1. Основные конструктивные схемы инфильтрационных водозаборов 78
4.2. Термокольматационные процессы и их влияние на производительность водозаборных сооружений 80
4.3. Процессы инфильтрации речных вод в русловой аллювий под воздействием водозаборов 83
4.4. Относительные величины речных потоков в общем дебите подру-словых инфильтрационных водозаборов 85
4.5. Гидравлические режимы инфильтрационных сооружений и их влияние на интенсивность термокольматационных процессов 87
4.6. Влияние русловых деформаций на термокольматацию, подвижность аллювиальных отложений и синхронность пиков жидкого и твердого стоков 93
4.7. Водный режим и типизация гидрографов стоков для прогнозирования эффективности водозаборов инфильтрационного типа 95
5. Гидродинамические расчеты инфильтрацион ных водозаборов в зоне активного температур ного и гидрогеологического влияния крупных водохранилищ 99
5.1 Математическая постановка задачи фильтрации 99
5.2 Гидравлический расчет линейного ряда совершенных скважин 102
5.3 Гидравлический расчет группы произвольно расположенных скважин 105
5.4 Гидравлический расчет скважин в условиях значительного колебания уровня подземных вод 108
5.5 Гидравлический расчет водозаборных сооружений с учетом термических характеристик и деформаций пористой среды 117
5.6 Гидродинамический расчет скважин с постоянным понижением 121
5.7 Пример расчета 122
6. Гидродинамические расчеты производительно сти инфильтрационных водозаборов на террито риях распространения многолетнемерзлых пород 125
6.1 Постановка задачи 125
6.2 Гидравлический расчет инфильтрационных водозаборных сооружений берегового типа 126
6.3 Гидравлический расчет подрусловых инфильтрационных сооружений 129
6.4 Процессы тепломассообмена водоносных горизонтов 134
6.5 Зимний режим работы подрусловых водозаборов в суровых кли
матических условиях и на вечномерзлых грунтах 137
7. Технико-экономический анализ иоптимизация инфильтрационных водозабоов 145
7.1. Задачи экономических исследований 145
7.2. Прогнозирование дебита подрусловых инфильтрационных сору жений 148
7.3. Взаимосвязь технических, эксплуатационных и экономических параметров 150
7.4. Критерий эффективности капитальных вложений 151
7.5. Аналитические зависимости для расчета технико-экономических показателей 152
7.6. Выбор метода оптимизации 153
7.7. Аналитическое решение задачи 153
Основные выводы и рекомендации 159
Список использованных источников
- Изученность влияния гидрогеотермических условий на производительность инфильтрационных водозаборов
- Методы расчета динамики геотемпературного поля в различных гидрогеотермических условиях
- Влияние термических характеристик на промерзание водоносных горизонтов речных долин
- Термокольматационные процессы и их влияние на производительность водозаборных сооружений
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в практику проектирования водозаборных сооружений инфильтрационного типа новых методов расчета с учетом тепломассообмена, а также региональных особенностей формирования гидротермического режима речных долин и водохранилищ.
Хозяйственно-питьевое водоснабжение большинства населенных пунктов и крупных городов Сибири и Дальнего Востока основано на использовании подземных вод. Развитие системы инфильтрационного водоснабжения выдвинуло в области фильтрации качественно новые задачи, удовлетворительные решения которых могут быть получены лишь на основе теорий, учитывающих различные нелинейные комплексы (природно-климатические, гидротермические и гидрогеологические) и экономическую эффективность.
В связи с этим все большее значение приобретает ускорение проектирования, строительства, ввода в эксплуатацию новых систем водоснабжения, улучшение их технических и экономических показателей.
Богатейшие водные ресурсы России и, в частности, Красноярского края и благоприятные технико-экономические перспективы их освоения играют важную роль в развитии производственных сил нашей страны. Одно из ведущих мест в их промышленном освоении занимает задача рационального использования гидроэнергоресурсов. В свете решения этой задачи исключительный практический и теоретический интерес представляет глубокое и всестороннее изучение проблемы рационального использования водных ресурсов бассейнов рек России.
Использование поверхностных вод многих рек для целей водоснабжения сопряжено с рядом затруднений, связанных со спецификой сезонного регулирования. Значительная амплитуда температурных колебаний и связанные с ними колебания уровня, сложные гидротермические условия строительства и эксплуатации из-за деформации берегов, тяжелые термоледовые условия, определяемые теплофизическими процессами в прибрежной зоне, дают основание полагать, что водоснабжение за счет подземных вод обширной прибрежной зоны перспективно и экономически выгодно.
В сложных климатических условиях России большинство водоисточников находятся в хорошо сформированных долинах с мощными аллювиальными отложениями, воды которых имеют прямую гидравлическую связь с открытыми потоками, что обеспечивает возможность применения систем водоснабжения инфильтрационного типа, как в районах уже освоенных, так и в зонах освоения.
Существующие методы подсчета запасов подземных вод не учитывают сложности и особенности температурных эффектов региональных условий, что ведет к ошибкам в оценке производительности инфильтрационных
водозаборов. Решение таких сложных задач аналитическими методами связано с большими трудностями. На данном этапе целесообразно развивать приближенные численные методы. Поэтому задача разработки методов, учитывающих влияние гидротермических региональных факторов и оптимизации водозаборов подземных вод по экономическим показателям является актуальной.
Объект исследования - водозаборные сооружения
инфильтрационного типа.
Предмет исследования - технологические процессы водозаборов с учетом сложных теплофизических условий сибирских регионов.
Цель диссертационной работы - совершенствование методов расчета характеристик инфильтрационных водозаборов в зоне активного влияния гидрогеотермических факторов крупных водохранилищ.
Задачи исследований:
Установить теплофизические и гидрогеологические факторы, влияющие на производительность инфильтрационных водозаборов;
Разработать алгоритмы и комплексные программы расчета характеристик инфильтрационных водозаборов и провести численные экспериментов, выявляющие основные закономерности гидротермических процессов;
Разработать методики оптимизации основных параметров подрусловых инфильтрационных водозаборов с учетом их функционирования в суровых природно-климатических и сложных экологических условиях;
Реализовать рекомендации по проектированию водозаборных сооружений инфильтрационного типа с учетом теплофизических и гидрогеологических факторов их эксплуатации.
Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту:
-впервые установлены зависимости расходных характеристик водозаборов инфильтрационного типа от температуры воздуха, речного и подруслового потоков, основанные на учете коэффициента динамической вязкости открытых и русловых потоков в зависимости от времени и температуры, которые оказывают существенное влияние на параметр производительности водозабора;
-разработаны и реализованы математические модели, алгоритмы и комплексные программы расчета и численного моделирования процессов инфильтрации в реальных теплофизических и гидрогеологических условиях; предложена методика решения задач в условиях таликовой гидрокриозоны. В отличие от ранее известных в предлагаемой методике форма границ и неоднородность (анизотропность) пористой среды могут задаваться с учетом условий непрерывности их пространственного изменения по коэффициентам фильтрации и проницаемости в широком диапазоне от 10 до 1000 м/сутки;
- определены зависимости параметров процессов тепломассообмена и термокольматации руслового аллювия от характеристик потока при изменении концентрации взвешенных наносов и температурных полей открытых и подрусловых потоков с учетом нестационарной двухмерной фильтрации;
-предложена методика технико-экономического обоснования при решении задачи оптимизации характеристик инфильтрационных водозаборов с учетом гидрогеотермических, физических и конструктивных параметров водоисточников.
Практическая ценность. Разработанные алгоритмы и составленные на их основе комплексы программ расчета с использованием ЭВМ могут найти широкое применение в проектных и научно-производственных организациях для решения актуальных инженерных задач тепломассообмена и гидрологии инфильтрационных сооружений в нестационарных природно-региональных условиях. Этим создаются предпосылки к проектированию, строительству и эксплуатации экономически обоснованных и надежных систем водоснабжения.
Использование результатов работы. Программы расчета производительности инфильтрационных водозаборов внедрены в ВСО «Росводоканалпроект», институте «Красноярскгражданпроект», тресте «Водстрой», Главводстрое (г. Красноярск) и ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс».
По данным программам также выполнялись расчеты водоочистных полупромышленных установок в системах оборотного водоснабжения на крупных строительных и промышленных объектах Красноярского края (по заказу УПП Главкрасноярскстроя и проектно-технологического треста «Оргтехводстрой» Главводстроя (г. Красноярск).
Выводы и рекомендации использованы в поисковых работах в ОАО «Трест Гидромонтаж» (Селятино, Московская область).
Теоретическая часть диссертации включена в программу курса
«Водозаборные сооружения», читаемого для студентов специальности
«Водоснабжение и водоотведение» на Инженерно-экологическом факультете
Института архитектуры и строительства ФГОУ ВПО «Сибирский
федеральный университет».
і Достоверность результатов подтверждена сопоставлением численных
и аналитических решений с большим объемом натурных и экспериментальных наблюдений.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской НПК «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2005, 2006, 2007); I и II Совещаниях руководителей служб инженерного обеспечения Ассоциации сибирских и дальневосточных городов (АСДГ) (Красноярск 1995, Иркутск
1996); Всероссийском семинаре МАГ по проблемам водоснабжения крупных городов (Красноярск 2007).
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка и реализация задач исследований, обоснование и формулировка основных положений научной новизны и практической значимости, внедрении полученных результатов совместно со специалистами ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс», института «Красноярскгражданпроект» и другими, которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из которых 2 монографии, 7 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК, 3 - в сборниках научных трудов и материалов научно-технических конференций различного уровня.
Изученность влияния гидрогеотермических условий на производительность инфильтрационных водозаборов
Месторождения надмерзлотных и межмерзлотных вод аллювиальных отложений, песчано-гравийно-галечниковых отложений эксплуатируются с помощью инфильтрационных водозаборов. Широкому распространению такого типа водозаборов также способствовали простота их устройства, их непосредственная близость от потребителя, более высокая надежность и экономичность эксплуатации в сравнении с водозаборами из поверхностного источника. Для северных районов страны водоснабжение из поверхностных источников осложняется вследствие ряда природных особенностей. К числу осложняющих факторов относятся: -значительное промерзание водоемов либо их полное перемерзание; -интенсивное образование шуги в водном потоке и донного льда в осенне-зимний период; -частые заторы; -повышенное содержание минеральных веществ в паводок.
Помимо этого обработка воды, подаваемой на потребление, на очистных сооружениях затруднена вследствие ее низкой температуры, при которой повышается вязкость воды, увеличивается время фильтрации и отстаивания, замедляются химические и физические процессы. Применение инфильтрационных водозаборов в системах водоснабжения позволяет получать питьевую воду высокого качества без применения специальных очистных сооружений. Для малых рек и рек с неустойчивым положением русла эти водозаборы зачастую являются единственным типом сооружений для получения воды.
Для отбора подземных вод речных долин применяются скважины, шахтные колодцы, дрены, лучевые водозаборы. По конструктивному устройству применяемые типы водозаборов аналогичны сооружениям, используемым в районах пояса умеренного климата. Отличием могут служить устройства тепловой защиты отдельных узлов в зоне их контакта с мерзлыми грунтами и устройства пункта подогрева воды для предупреждения промерзания отводящих трубопроводов.
Вопросы эксплуатации подземных вод речных долин инфильтрационны-ми водозаборами в районах распространения многолетнемерзлых пород рассматривались в трудах А. И. Калабина, В. В. Земляного, Б. Ф. Турутина, Ю. И. Вдовина, С. Ф. Соломенника, В. М. Голованова, В. Л. Головина, А. С. Ярушкина и других [20, 21, 23, 26-30].
Инфильтрационные водозаборы, построенные и эксплуатируемые без учета влияния природно-климатических условий Восточной Сибири, как правило, не обеспечивают расчетную подачу воды в холодный период года. Практикой эксплуатации этих сооружений установлено значительное снижение их зимней производительности.
В работе В. В. Земляного и А. С. Ярушкина [22] говорится, что при со поставимых уровнях воды в реке и одинаковых понижениях зимняя производительность водозаборов на р. Сучане составляет 60-65 % от летней, водозаборов г. Хабаровска - 40-45 %, г. Красноярска - 60-65 %, г. Новокузнецка - 55-60 %. Ю. И. Вдовиным [8] приводится величина уменьшения дебита водозаборов для районов Крайнего Севера на 80-90 %.
В работе Л. А. Монастырского [45] указывается на снижение удельного дебита водозаборных сооружений в зимний период года. Многолетние наблюдения, проведенные автором, показали, что в зимний период уровень воды в эксплуатационных скважинах (при постоянном водоотборе) понижается примерно на 1,5-2,0 м.
В проведенных исследованиях выявляется главная причина снижения производительности инфильтрационных водозаборов - особенности гидрогеотермических условий речных долин, называемые различными авторами по-разному": термическим режимом водонасыщенных пород, температурным фактором или просто температурой подземных вод. Наблюдаемые изменения производительности водозаборов и удельного дебита водозахватных сооружений по сезонам года вызваны сезонными колебаниями эксплуатационных запасов подземных вод, связанными с их режимом температуры и температурой водо-вмещающих пород.
Влияние гидрогеотермических условий на величину эксплуатационных запасов подземных вод речных долин проявляется через прямую связь свойств текучести положения криогенных границ потока аллювиальных вод с термодинамической обстановкой водоносных отложений. В процессе промерзания водоносные породы переходят в новое качественное состояние - криогенные во-доупоры, которые в пространственном расположении не совпадают с геологическими водоупорами. Криогенные водоупоры изменяют естественные размеры и форму грунтового потока, ослабляют взаимосвязь поверхностных и подземных вод речных долин. Пониженные значения температуры приводят к увеличению вязкости и, следовательно, возрастанию фильтрационного сопротивления водопроводящих путей движения вод речного аллювия.
Отличительной особенностью инфильтрационных водозаборов, располагаемых в районах криолитозоны, является то, что в процессе их работы мерз-лотно-гидрогеологические условия речных долин существенно меняются во времени. Во-первых, данные условия изменяются в связи с началом эксплуатации подземных вод при запуске в работу водозабора и закономерной смене гидрогеотермического режима. В этот период происходит значительное увеличение глубины сезонного промерзания, степени деградации и аградации мерзлоты в толщах водопроницаемых пород. Во-вторых, сезонная динамика мерз-лотно-гидрогеологических условий претерпевает изменения. Значительная динамичность во времени размеров и формы бассейнов долин характерна и для естественного режима. Однако в связи с отбором подземных вод и соответственной интенсификацией водообмена увеличивается амплитуда сезонных колебаний температур, более продолжительными по времени становятся периоды как повышенных, так и близких к О С значений температуры водовмещающих пород. Следствием этого является усиление процесса в водоносных отложениях, приводящее к большей подвижности криогенных водоупоров. Возрастание динамичности мерзлотно-гидрогеологических условий еще более осложняет работу инфильтрационных водозаборов.
Для различных районов распространения многолетнемерзлых пород влияние термического режима водоносных пластов на их гидрогеологические условия различны. В работе Н. А. Вельминой [9] отмечается, что в условиях Крайнего Севера совершенные дрены при аградации мерзлоты в подошве водоносного пласта частично или полностью могут перемерзать. Для северовосточных районов страны В. И. Калабиным [31] рекомендуется учитывать сокращение запасов подрусловых вод к концу зимнего периода и принимать их равными 50% от летнего. В исследованиях В.Л.Головина [17] приводятся данные о влиянии термического режима на привлекаемые ресурсы подземных вод при их эксплуатации водозаборами в районах Дальнего Востока. При общем снижении дебита сооружений на 41-67 % в зимний период влияние изменения вязкости на это уменьшение составляет 23-43 %, а промерзание -21-37 %. В условиях Западной Сибири водозаборы снижают свою производительность за счет промерзания фильтрующих грунтов в прибрежной части на 10-15 %, а за счет вязкости - на 25-30 %.
Методы расчета динамики геотемпературного поля в различных гидрогеотермических условиях
Количественные исследования задач тепломассопереноса в природных гидрогеотермодинамнческих 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 кондуктивным - 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.
Введем следующие обозначения: T(X,Z,T), T}(X,Z,T), T2(X,Z,T) - функции, описывающие температурные поля соответственно в водоносном пласте, кровле и подошве; т, т} - мощность водоносного пласта и перекрывающего слоя; с, сх, сг - объемные теплоемкости пород водоносного пласта, кровли и подошвы; Я, A,, , - коэффициенты теплопроводности в вертикальном направлении для водоносного пласта, кровли, подошвы; Vx, V,, - составляющие скорости фильтрации; f{z,r) - внутригодовое изменение температуры пород пласта по глубине на урезе воды реки; g(r) - температура воздуха; Г0 - температура пород на глубине т2 подошвы слоя годовых изменений температуры. На основании проведенных рассуждений, исходные дифференциальные уравнения, описывающие геотемпературное поле речных долин, можно записать в следующем виде:
По контуру питания водоносного горизонта речных долин осуществляются внешняя связь гидрогеотермодинамических систем с открытым водным потоком реки в виде обмена массой (поглощение части водного потока в фунт, либо разгрузка подземного потока) и обмен теплом. Положение контура питания относительно водоносного горизонта существенно сказывается на характере взаимосвязи поверхностного и подземного потоков, что приводит к необходимости различного описания гидрогеотермодинамических систем, отличающихся пространственным расположением контура питания. В соответствии с принятой классификацией гидрогеотермодинамических систем речных долин выделяются системы с совершенным врезом русла реки в водоносный горизонт (класс 1) и несовершенным (класс 2).
Элементами гидрогеотермодинамических систем речных долин с совершенным врезом являются: водоносный слой песчаных и песчано-галечниковых отложении долины; перекрывающий слои супесчаных, суглинистых, глинистых пород; подстилающий слой водоупорных пород различного генезиса. Формирование термического режима элементов системы происходит вследствие протекания процессов теплообмена под влиянием годовых циклических изменений температуры воды в реке /(г), колебания температуры воздуха g(r) и температуры "нейтрального слоя" под руслом реки Т0. Исходные дифференциальные уравнения, представляющие геотермическую модель системы (рис. 2.1), можно записать в следующем виде:
Влияние термических характеристик на промерзание водоносных горизонтов речных долин
Водозабор г. Якутска. Хозяйственно-питьевое водоснабжение г. Якутска основано на использовании подрусловых вод р. Лены. Горизонтальный подру-словой водозабор расположен в акватории Адамовской протоки в нескольких километрах от города ниже по течению реки. Ширина протоки в месте расположения водозабора составляет 1,2-1,3 км.
Левый берег протоки представлен поймой основного русла, поверхность которой возвышается над меженным уровнем воды в среднем на 5-6 м. Глубина протоки составляет около 3 м. Аллювиальные отложения водозаборного участка представлены мелко- и среднезернистыми песками мощностью 12 м. Коэффициент фильтрации пород продуктивного пласта изменяется в пределах территории участка от 5 до 25 м/сут. На глубине 10-15 м под дном русла залегают многолетнемерзлые породы. Повышение летнего положения уровня воды в реке над меженным может достигать 10 м.
Водозабор состоит из шахтного колодца и 10 горизонтальных дрен диаметром 300 мм, уложенных под русло реки на глубине 3,5-4,0 м параллельно направлению русла реки (рис. 3.6). Общая длина дрен составляет 65 м. Дрены соединяются двумя водоотводящими линиями труб диаметром 500 мм с водоприемным колодцем. Колодец совмещен с насосной станцией I подъема и станцией подогрева воды. Водоотводящие самотечные линии проходят через слой многолетнемерзлого грунта берегового участка длиной 80 м и имеют тепловую защиту. Расчетная проектная производительность водозабора составляет 1,6 тыс. м3/ч. Фактически данную величину подачи водозабор обеспечивает только в летнее время. Зимняя подача водозабора снижается до 0,75 тыс. м /ч, падая ниже проектной более чем в 2 раза.
По данным непосредственного обследования работы дрен через внутреннюю область труб самотечной линии, проведенного в зимнее время, установле но почти полное перемерзание 6 дрен, уложенных в средней части створа водоприемных сооружений (рис. 3.7).
Подрусловой водозабор г. Якутска: а - схема; б-разрез эксплуатационного пласта; в - мерзлотная обстановка на конец зимнего периода Промерзание водоносного горизонта в центральной части долины не наблюдалось ранее до ввода в эксплуатацию водозабора. Оно связано с изменением гидрогеотермических условий пласта в связи с пуском в работу водозаборного сооружения, которые способствовали увеличению промерзания с поверхности отложений и аградации многолетнемерзлых пород в подошве пласта.
Физическое моделирование процессов взаимодействия геотемпературных и фильтрационных полей речных долин
Гидрогеодинамический и гидрогеотермический режимы тесно связаны между собой. Нестационарность температурного поля в потоке обусловливает изменение свойств текучести подземных вод, вследствие чего гидрогеодинами-ческая структура потока существенно изменяется во времени. Анализ геотемпературных полей водоносного горизонта показывает, что в локализованных областях подземные воды с более низким тепловым содержанием движутся с меньшими скоростями, чем в областях с более высоким теплосодержанием. Ввиду этого большая часть расхода подземного потока поступает к водозаборным сооружениям через области с более высокой температурой. Неоднородность температурного поля создает сложную картину линий тока воды в водоносном горизонте и тем самым оказывает значительное влияние на расходные характеристики подземного потока.
Грунтовый лоток по моделированию взаимодействия геотемпературного и фильтрационного полей: а -разрез; б - план лотка сечение 1-І сечение П-П
Для изучения взаимодействия гидрогеодинамического и гидрогеотермического режимов необходимо выявить качественную определенность динамической структуры подземного потока в условиях пространственной неоднородности температурного поля.
Опытная установка, на которой проводилось изучение этих процессов, представляет собой грунтовый лоток, собранный из органического стекла размерами 1,0x0,6x0,5 м (рис. 3.8). Внутри лотка на расстоянии 0,1 м от торцевых стенок размещаются перфорированные перегородки, отделяющие основное пространство лотка с водопроницаемой загрузкой от отсеков поступления воды в лоток и ее отвода с противоположной стороны. Эти отсеки моделируют контуры питания и разгрузки фильтрационного потока. Отсек контура питания разделен на две равные части глухой вертикальной перегородкой для приема воды с различной температурой: 1 - воды с повышенной температурой; 2 - воды с меньшей температурой. Отсек 3 служит для приема профильтрованной воды и является контуром разгрузки. На каждом из отсеков установлены водосливы для поддержания постоянных напоров. По трубам 4 и 5 подается вода с различной температурой в отсеки 1 и 2. Из отсека 3 по трубе 6 вода отводится к мерной емкости и далее сбрасывается в канализацию.
Лоток размещен на устройстве регулирования его наклона относительно горизонта с целью задания необходимых величин гидравлического уклона подземному потоку. Внешние стенки лотка термоизолированы от внешней среды листовым пенопластом. Опыт начинается с постепенного насыщения водой водопроницаемой загрузки и придания лотку необходимого уклона для обеспечения равномерной установившейся фильтрации воды через загрузку. В приемные отсеки 1 и 2 по трубам 4 и 5 подается водопроводная вода с различной температурой. По достижению стационарного распределения температур воды внутри загрузки производятся измерения распределения температуры в лотке с помощью электротермометров АМ-28М. Термодатчики приборов размещались равномерно по площади в плоскостях 4-х различных равноудаленных вертикальных сечений лотка. Результаты измерений оформляются графически. Опыт заканчивается определением времени наполнения заданного объема мерной емкости подаваемой воды по трубам 4 и 5.
В качестве заполнителя при проведении опыта использовался крупнозернистый однородный песок с диаметром зерен 2 мм. В приемный отсек 1 подавалась вода с температурой 10 С, в отсек 2 - вода с температурой 50 С. Более высокие температуры фильтрующейся воды в сравнении с наблюдаемыми в натуре были выбраны для возможности более наглядного отражения природных гидрогеотермических процессов на весьма небольшой лабораторной установке, моделирующей поведение реальных объектов. Результаты распределения температуры по 4-м равноотстоящим сечениям потока приведены на рис. 3.3.2. Вычисленные расходы воды при проведении измерений составляли: подаваемой холодной - 0,03 л/с; подаваемой нагретой - 0,13 л/с; профильтрованной -0,16 л/с.
По опытным данным распределения температуры в сечениях фильтрационного потока видно, что вода с более высокой температурой охватывает большую часть пространства и как бы вытесняет воду с меньшими величинами температуры, хотя гидравлические уклоны и площадь питания у них одинаковы. Заметно поднятие более теплой воды по пути ее фильтрации вследствие гравитационного вытеснения водой с меньшей температурой, обладающей большей плотностью. Неоднозначны и результаты замеров расходов этих потоков с различными величинами фильтрующейся воды с ожидаемыми расчетными. Так, вязкость воды при 10 С составляет 0,000001306 м2/с, а при температу-ре 50 С - 0,000000556 м /с, значение величины которой в 2,3 раза меньше. Учитывая одинаковые условия фильтрации потоков с различными температурами, следовало бы ожидать такое же обратное соотношение их расходов. Однако опытная величина расхода более теплой воды превышает величину расхода холодной воды в 4,3 раза. Такое расхождение объясняется особыми условиями формирования структуры потока с неоднородными значениями поля температуры и говорит о важности учета взаимовлияния гидрогеотермического и гидродинамического режимов подземных вод при расчетах расходов их потоков.
Термокольматационные процессы и их влияние на производительность водозаборных сооружений
Для изучения взаимодействия гидрогеодинамического и гидрогеотермического режимов необходимо выявить качественную определенность динамической структуры подземного потока в условиях пространственной неоднородности температурного поля.
Опытная установка, на которой проводилось изучение этих процессов, представляет собой грунтовый лоток, собранный из органического стекла размерами 1,0x0,6x0,5 м (рис. 3.8). Внутри лотка на расстоянии 0,1 м от торцевых стенок размещаются перфорированные перегородки, отделяющие основное пространство лотка с водопроницаемой загрузкой от отсеков поступления воды в лоток и ее отвода с противоположной стороны. Эти отсеки моделируют контуры питания и разгрузки фильтрационного потока. Отсек контура питания разделен на две равные части глухой вертикальной перегородкой для приема воды с различной температурой: 1 - воды с повышенной температурой; 2 - воды с меньшей температурой. Отсек 3 служит для приема профильтрованной воды и является контуром разгрузки. На каждом из отсеков установлены водосливы для поддержания постоянных напоров. По трубам 4 и 5 подается вода с различной температурой в отсеки 1 и 2. Из отсека 3 по трубе 6 вода отводится к мерной емкости и далее сбрасывается в канализацию.
Лоток размещен на устройстве регулирования его наклона относительно горизонта с целью задания необходимых величин гидравлического уклона подземному потоку. Внешние стенки лотка термоизолированы от внешней среды листовым пенопластом.
Опыт начинается с постепенного насыщения водой водопроницаемой загрузки и придания лотку необходимого уклона для обеспечения равномерной установившейся фильтрации воды через загрузку. В приемные отсеки 1 и 2 по трубам 4 и 5 подается водопроводная вода с различной температурой. По достижению стационарного распределения температур воды внутри загрузки производятся измерения распределения температуры в лотке с помощью электротермометров АМ-28М. Термодатчики приборов размещались равномерно по площади в плоскостях 4-х различных равноудаленных вертикальных сечений лотка. Результаты измерений оформляются графически. Опыт заканчивается определением времени наполнения заданного объема мерной емкости подаваемой воды по трубам 4 и 5.
В качестве заполнителя при проведении опыта использовался крупнозернистый однородный песок с диаметром зерен 2 мм. В приемный отсек 1 подавалась вода с температурой 10 С, в отсек 2 - вода с температурой 50 С. Более высокие температуры фильтрующейся воды в сравнении с наблюдаемыми в натуре были выбраны для возможности более наглядного отражения природных гидрогеотермических процессов на весьма небольшой лабораторной установке, моделирующей поведение реальных объектов. Результаты распределения температуры по 4-м равноотстоящим сечениям потока приведены на рис. 3.3.2. Вычисленные расходы воды при проведении измерений составляли: подаваемой холодной - 0,03 л/с; подаваемой нагретой - 0,13 л/с; профильтрованной -0,16 л/с.
По опытным данным распределения температуры в сечениях фильтрационного потока видно, что вода с более высокой температурой охватывает большую часть пространства и как бы вытесняет воду с меньшими величинами температуры, хотя гидравлические уклоны и площадь питания у них одинаковы. Заметно поднятие более теплой воды по пути ее фильтрации вследствие гравитационного вытеснения водой с меньшей температурой, обладающей большей плотностью. Неоднозначны и результаты замеров расходов этих потоков с различными величинами фильтрующейся воды с ожидаемыми расчетными. Так, вязкость воды при 10 С составляет 0,000001306 м2/с, а при температу-ре 50 С - 0,000000556 м /с, значение величины которой в 2,3 раза меньше. Учитывая одинаковые условия фильтрации потоков с различными температурами, следовало бы ожидать такое же обратное соотношение их расходов. Однако опытная величина расхода более теплой воды превышает величину расхода холодной воды в 4,3 раза. Такое расхождение объясняется особыми условиями формирования структуры потока с неоднородными значениями поля температуры и говорит о важности учета взаимовлияния гидрогеотермического и гидродинамического режимов подземных вод при расчетах расходов их потоков.
Пространственная неоднородность значений температуры подземных вод области фильтрации создает условия их движения при переменных значениях вязкости. Ввиду того, что величина значения коэффициента фильтрации обратно пропорционально зависит от вязкости, задача определения расхода подземного потока с учетом изменения вязкости сводится к задаче фильтрации в неоднородных пористых средах.
Обозначим через k(x,z) переменные в пространстве водоносного пласта значения коэффициента фильтрации, H(x,z) - изменение напора в области фильтрационного движения подземных вод, #,,Я2 - величины напоров на контурах питания и дренажа. Математически указанная задача формулируется в виде дифференциального уравнения с краевыми условиями в виде
Область фильтрации в общем случае имеет произвольную конфигурацию, что создает дополнительные сложности при решении поставленной краевой задачи (3.1)-(3.4). В таких случаях область произвольной конфигурации конформно отображается на более простую по форме область, для которой решение краевой задачи фильтрации может быть получено. Путем подстановки выражений конформного преобразования в решение для преобразованной области, получаем решение исходной задачи. Аппарат конформных преобразований достаточно хорошо развит и можно выполнить отображения областей боль шинства встречающихся в практике фильтрационных полей. Особенностью конформных преобразований является то, что при этом вид исходного дифференциального уравнения (3.1) не изменяется. Учитывая это обстоятельство, можно, без ограничения общности, рассмотреть наиболее простую по форме область фильтрации в виде прямоугольника с длинами сторон т и L. В этом случае краевая задача фильтрации в неоднородной пористой среде выразится в виде дифференциального уравнения (3.1) с граничными условиями (3.6) Задача (3.1), (3.5), (3.6) решается методом вариационного исчисления. Полученное решение задачи для определения расхода фильтрационного потока выражается в виде [57]
