автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Моделирование процессов формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод

> г ^ О Л На правах рукописи

I ' _

, , «&0

30Т03 Кирилл Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ Ф0РМИР08АЖЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ШЗ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре инженерных мелиорация, гидрологии и охраны окрунахцей среды Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор М.А.Михалев;

кандидат техн. наук, с.н.с. М.Я.Кузнецов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.И.Штыков;

кандидат техн. наук, доцент А.И.Лаксберг.

Ведущая организация: ИНВЭКО - ПРОЕКТ

Защита состоится _ 1996г. в /6 часов

на заседании диссертационного совета К 063.38.22 при Санкт-Петер-оургскоя государственной техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул.29, ПГК, зуд.411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

2А1 А

Автореферат разослан " " 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совет; кьнд.техн.наук, профессор

Ю.Б.Полетаев

Актуальность работы определяется отсутствием надежных источников пресной воды в пустынных и полупустышшх региона! аридной зоны. Рациональное использование и охрана водных ресурсов от загрязнения является важной научно-технической задачей.

В маловодных областях аридной зоны предпочтительно хранение воды в подземных водохранилищах, которые могут быть кате естественного, так и искусственного происхождения. Наличие внеокоминорализовагашх грунтовых вод осложняет задачу формирования, восполнения и эксплуатации пресных подземных вод, которые в данных условиях залегают ь виде линз не нижележащих минерализованных водах.

Вопрос о совместном течении " двух смешивающихся жидкостей рапной плотности в зонах полного и частичного насыщения почво-грунтов слабо изучен. Отсутствует надежная методика исследования процессов формирования и вксплуатации линз пресных подземных вод. Применяемые на практике методы для решения этих задач не имеют достаточного научного обоснования.

Учитывая вышесказанное, представляется актуальным имитационное моделирование процессов формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод.

Цели работы:............

1. Модификация модели влаго-солепереноса применительно к задачам формирования и вксплуатации линз , адаптация ее к конкретным объектам.

2. Проведение исследований процессов массопереноса в почвогрунтах.

3. Получегае качественной и количественной оценок взаимодействия инфильтрущихся пресных вод с засоленными породами зоны аэрации и минерализовашнаш водами.

4. Проверка возможности применения, существующих приближенных методов, разработанных для решения проблемы вксплуатации линзовых месторождений.

Разработка- предварительных рекомендаций для принятия проектных, плановых и оперативных решений по формированию, восполнению и эксплуатации линз.

Научная новизна работы. Для исследования процессов массопереноса в грунтах при формировании и эксплуатации линз пресных подземных вод _ предложена модификация модели

водно-солевого обмена в зоне аэрации и грунтовых водах с учетом всех видов движения воды и переноса солей с учетом диффузии, гидродисперсии и конвекции. Теоретически обоснованы методы формирования линз путем погружения поверхностного стока с использованием лнфильтрационного котлована и поглотительной скважины; а также эксплуатации месторождений пресной воды линзового типа путем одновременного отбора пресных и с Олегах вод спаренной системой скважин в типичных условиях пустынь аридной зоны. Проверена методика определения дебитов скважин при работе спаренной системы. Даны предварительные рекомендации для разработки проектных, плановых и оперативных решений по формированию, восполнению и эксплуатации линз пресных подземных вод.

Практическая ценность заключается в том, что полученные результаты позволяют более надежно прогнозировать параметры и технические характеристики сооружений для формирования и эксплуатации месторождений линзового . типа, что повышает обоснованность водосберегающих мероприятий при проектировании и эксплуатации подобных сооружений.

На защиту выносятся:

1) Модификация модели водно-солевого обмена в почво-грунтах применительно к задачам формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод и адаптация модели к конкретным условиям.

2) Данные о качественных и количественных характеристиках взаимодействия двух смешивающихся жидкостей разной плотности и инфильтруюцей жидкости с грунтами зоны аэрации, полученные по результатам имитационного моделирования.

3) Предварительные рекомендации для принятия решений по формированию и эксплуатации линз.

4) Проверка возможности применения существующих приближенных методов для выбора дебитов водозаборных скважин спаренной системы.

Реалг;: чрм работы. Резулитчты исследований использованы Институтом Пусишь ( Туркмешы ) при разработке комплекса мероприятий по формированию и эксплуатации линз пресных подземных вод.

Апробация работы. Результаты исследований докладывялись и обсуждались на постоянно действующи семинарах кафедры

"Инженерных мелиорация, гидрологии и охрани окружающей среди" Санкт-Петербургского государственного технического университета в 1992 - 1995 годах, на конференции "Коллоидная химия з странах СНГ" в июле 1994 года в г.Москве, на XX Генеральной ассамблее европейского геофизического общества (European geophysical society XX general assembly) в апреле 1995 года в г. Гамбург, на конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" в апреле 1995 года в г.С.-Петербурге.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано три печатных работы.

Объем ц структура работы. Диссертация содержит /^т*етраниц печатного текста, и приложения на /^страницах ( общий объем /2/

страниц ). ........... -

. - Автор . выражает глубокую благодарность работникам

лаборатории водных ресурсов Института Пустынь ( Аихябяд >, лаборатории экспериментальной гидрофизики АФНШ ( С.-Петербург ), лаборатории энерго-массообмена Института почвоведения и фотосинтеза РАН ( г. Пущине ) за их помощь в организации и проведении натурных экспериментов.

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса. Представлен исторический обзор теоретических и практических методов решения проблемы водоснабжения пресными грунтовыми содами в случае, когда от взаимодействуют е минерчли-. зоъашшми грунтовыми или морскими водами. В работах В.Н.Купина, Г.Т.Ленинского, Н.Г.Шевченко и др. авторов рассматриваются вопросы поиски и разведки месторождений пресных подземных вод а Каракумах, пустынях Узбекистана и Казахстана. Исследуются проблемы формирования линз пресных вод, определяются эксплуатационные запасы и тип иитзни" существуют* линз. На основе народного опыта предлагаются технические мероприятия по магазинирсванию поверхностного . стока, которые заключаются в аккумулировании воды в естественных или искусственных понижениях и инфильтрации ее в грунт. Пресные инфильтрациошше ' воды, вытесняя соленые, создают..под инфильтрационным котлованом линзу пресных вод. От хранения вода в открытых водоемах метод формирования пресных линз, отличают следуюте особенности : 1) значительно сокращаются потери на испарение,

пресную соду можно использовать в лмбое время, н<-"■> шнеимо от

водности года,

3) вода в процессе инфильтрации очищается и сохраняет качество продолжительное время,

4) отпадает необходимость проведения инфильтрационних мероприятий.

Со строительством крупных магистральных каналов усиливается

интерес к изучению условий формирования прирусловых и

приканальных линз, их искусственному пополнению и формированию

запасов. Этому посвящены работы С.Ф.Аверьянова, Н.Н.Ходжибаева,

С.Ш.Мирзэева,_ А.А.Акрамова. В разработку методики оценки

мссалуатационных запасов линз' пресных вод и их эксплуатацию

существенный вклад внесли В.Д.Бабушкин, И.С.Глазунов,

Б.М.Гольдберг, Ф.М.Еочевер, Н.Г.Шевченко..В результате детального

изучения пресных линз стало очевидно, что без специальных мер

против вторжения соленых нижележащих вод эксплуатация линзы

невозможна. Изучение всемирной литературы показало, что все

существующие меры борьбы с интрузией соленых вод базируются на

искусственном восполнении запасов пресных вод.

Отсутствие дополнительных источников питания реликтовых

каракумских линз поставило задачу по разработке метода

эксплуатации месторождений без дополнительных источников питания.

Для решения задачи бил выполнен комплекс исследований, включающий

теоретические разработки, акспериментгльные исследования в

лабораторных условиях, а также большой объем исследований в

натурных условиях. Эти работы проводились в 5Ох - 70х годах АН

СССР. В результате для борьбы о вторжением соленых вод был

предложен метод одновременной откачки пресных и соленых вод из

рядом расположенных скважин. При этом было рекомендовано, что

соотношение добитов скважин на пресные и соленые воды X = Q н

—¡у е-,где Qn и Qc - соответственно -дебит пресных и соленых вод,

должно соответствовать соотношению мощностей зон пресных и .ran.

соленых в-: ————¡, или отношению водопроводимоети пород этих

зон £ неоднородной среде, Г ■ ■ - -— , где ш и тс - мощности зоны

^ кс тс )

пресных и сслеш;х вод соответственно, кп и ко -коэффициенты фнльтрэ'иш.

Р последнее время дл/ изучения процессов массопереноса в почБогрунтах широко применяются методы математического

моделирования. Многие модели основаны на численных решениях уравнений влаго-солеперпноса.

Несмотря на большой объем теоретических и экспериментальных работ по изучению линз пресных вод, многие актуальные вопросы остаются нерешенными или не имеют достаточного теоретического обоснования. Среди них: процесс совместного течения двух смешивающихся жидкостей разной плотности в зонах полного и частичного насыщения грунтов, обоснование возможности создания искусственных л,шз за счет аккумуляции и ускоренного погружения поверхностного стока, образующегося в результате выпадения атмосферных осадков, обоснование мероприятий по борьбе с подтягиванием соленых вод снизу к эксплуатационным скважинам водозаборов, определение точности и пределов применения существующих методов.

Во второй главе рассматривается физико-математическая модель процесса формирования и эксплуатации искусственных линз пресных вод. Строгая математическая теория фильтрации была создана Н.Е.Жуковским и Н.Н.Павловским. Дальнейшее развитие она получила в трудах П.Я.Полубариновой-Кочиной, С.Н.Нумерова, И.А.Черного, Н.К.Гиринского. Начало развитию математической теории фильтрации в зоне . аэрацииц было положено работами Richards Ь.А.,в которых предложено обобщение закона Дарем для всего диапазона . увлажненности грунтов.

Учитывая, что пресные и соленые воды являются смешивающимися жидкостями, физические свойства которых являются непрерывной функцией концентрациии состава раствора, систему пресные соленые воды можно рассматривать как однофазную жидкость, для которой справедливы основные законы фильтрации и диффузии вещества.

Согласно обобщенному, закону . Дарси для насыщенной и ненасыщенной зоны грунтов объемная плотность потока V равна : V = Кв( divp + pg ), (1)

где ka - коэффициент, влагопроводности, р -давление почвенной влаги, р -плотность воды, g -ускорение свободного падения.

Использование уравнения неразрывности и закона Дарси дает:

SW

—^- = di7 ( кв( dlvp + pg )), (2)

где К - объемная влажность грунта, t - время.

б

Солевой блок строится на основе теории конвективной диффузии. При описании потока солей N учитываются процессы диффузии, гидромеханической дисперсии и конвекция - перенос вещества вместе с потоком жидкости.

N » ( + X |У| ) СИУС - УС, (3)

где Ст - коьффициент молекулярной диффузии, X - расстояние, или шаг гидродисперсии, С - концентрация раствора.

Уравнение неразрывности в этом случае записывается в следующем виде:

а т, аре, в р сь1 ,, , ,

•-ГГ1- + ~гН- + -Й-- • + х тто.]-«>

где р - объемная масса почвы, С<(и Ск1 - концентрация 1-го иона в почве в ионо-обмещой форме и в виде кристалических фаз.

Для описания равновесия ионного обмена используется

уравнение изотермы обмена в приближенной форме 1/2, 1/2, В J а, 1 К. . = -175--Т75- • (5)

«И ~ Щ

где К( ) - кажущаяся константа обмена 1-го и ¿-го ионов и -соответствующие концентрации ионов 1 и ] в сорбированном состоянии, а( и а^ - активности етих ионов в почвенном растворе, 2( и -числа зарядов ионов.

В наиболее общем случае процесс водно-солевого обмена в зоне аэрации и грунтовых водах описывается системой уравнений (1-5).

Единственное средство решения этой системы - численное интегрирование с использованием ЭЕМ. Однако, даже при использовании мощных ЭВМ для относительно небольших промежутков времени требуется значительный расход машинного времени , что ~ ограничивает использование такого рода кабелей в настоящее время; возможные упрощения связаны с конкретными особенностями фильтрации грунтовых вод и влагопереноса з зоне аэрации.

Примем /чд допущений, упрощающих постановку краевой задачи.

1. Зона моделирования по своей гидрогеологической структуре приведена к системе неоднородных в вертикальном направлении слоев. В горизонтальном направлении физико-химические свойства выделенных слоев принимаются неизменными.

2. 5:. время Фсрмировения и эксплуатации линзы ее сносом

естественным фильтрационным потоком можно пренебречь.

Это допущение имеет важное практическое значение, поскольку условия относительной бессточности территории определяют возможность формирования и эксплуатации искусственных линз подземных пресных вод.

3- Третье допущение касается представления инфильтрационного котлована в виде усеченного конуса, при етом будем также считать, что скважина находится в центре котлована.

Последнее допущение, как правило, наблюдается на практике. При ' сделанных выше допущениях постановка задачи допускает значительные упрощения. В этом случае водносолевой поток обладает осевой симметрией, а-задача может быть сведена к двумерной в цилиндрической системе координат.

При этом уравнения водного- и солевого баланса (2),(4) имеют

вид:

э те

Т г 9ГР1! ЭГ в (.82 + ^

а яс, ар с, эре, л я ( 1> ас, )

' + ■ ' + ... ■. _ _!_1г_'__V о '

XI + ах + г з г

[ в 8 О»

а ъ I " а ъ

"Л а г э~1 " г з г ТТ

- т. (7>

Здесь Уг и V* - проекции скорости фильтрации на ось гиг соответственно.

На рис.1, 2 представлен характерный разрез области моделирования.

Для того, чтобы получить единственное решение сформулированы начально-краевые условия.

На поверхности почвы краевое условие формируется исходя из баланса.потоков влаги в виде :

К~Н- + ев = °П-БФ <9> '"...

где 0п , Еф - интенсивность осадков и испарения соответственно.

■-На - нижней границе, области моделирования в общем виде задается следующее краевое условие •.

- ■ К [-Н- + Рв.) = - коб [ р - Ро0<г>) <10>'

где к^ - коэффициент обмена с нижележащими слс "и; роа _■ величина напорного давления в нижележащем слое.

Рис.1 Формирование линзи пресных подземных иод, Схематический разрез области моделирования

оадиусн котлована у поверхности почвы и ® основании Г<и<. - радиус погпотитепьно* скважины

¿,. /.» - модности горизонтов с коэффициентами фильтрации К,Ка. 1>Г - мощность грунтовых вод - глубина котлована

\* 1

4 1

Щ ^ОРеен&х бое

-1- -------

Аз 1 ¿ад

Г / ) ) } > > / / 1 / / / Иг

Рис. 2 Эксплуатация пинзи пресны* подземных вол. Схематический разрез области моделирования.

/>, мощность зоны аэрации />£ - модность воны пресных вод /, - - мощность соленых вод

На оси симметрии за исключением области, занятой котлованом, условие задается в виде:

lim г k I Р- ■ = 0 (11)

i^O d г

на внешней боковой поверхности, принятой за бесконечность, задзется естественное граничное условие,отражающее ограниченность зоны влияния инфильтрационного котлована:

lim г к —= 0 ' (12)

В качестве начального условия задается вертикальное распределение влажности W или давления р во всей области моделирования, то есть W (z,r,0) = i(z),

или р (z,r,0) = l(z), -

где i(z) - известная функция., .

Поверхность почвы является непроницаемой для солей, то есть обычно считается, что соли не испаряются, а выпадающие осадки являются пресными:

-. (v x|v|] + V 0 = 0 <14)

Аналогично формулируется условие на нижней границе:

■ - (D,+ X|V|| + v2* с = V06* 0об t (15)

где Voö - скорость обмена с нижележащими слоями, "Соб i ' -концентрация i-ro иона в нижележащем напорном горизонте.

На вертикальных боковых границах условия формируются аналогично рассмотренным, а именно :

- на оси симметрии при г = О

Ид [ г (Dm + X [V | > - VrCi] = 0 (16)

- и на внешней боковой границе при г = »

lim [ г (Dmi + XlV| > - VrCi] = 0 (17)

г .л о г J

В качестве " начального условия необходимо задать распределение солей в вертикальном - профиле, а именно: распределение солей в растворе, почвенно-поглащающем комплексе, а также концентрацию солей в кристаллах.

Решение задачи осуществляется численно с использованием неявных, консервативных конечно-разностных схем, построенных на неравномерной пространственно- временной сетке.

Третья глава посвящена рассмотрению вопросоь4 адаптации-

модели к реальным объектам и выбора параметров модели.

Целью адаптации модели к конкретным объектам явилось достижение необходимой степени адекватности. Исследования автора показали возможность достижения качественного и количественного соответствия модели "водно-солевого обмена объекту путем предварительного определения параметров модели на основе отдельных натурных и лабораторных опытов с последующим уточнением части из них методом идентификации. Необходимо отметить, что успех такой работы определяется степенью изученности объекта и подготовленности исследователя к анализу получаемых результатов.

Экспериментальному определению подлежали следующие параметры модели:

1.Гидрофизические характеристики ( коэффициенты ■ фильтрации, характеристики водоудерживания, коэффициенты гидродисперсии )

2. Ионообменные характеристики ( емкость и константы обмена ). Для определения пораметров Использовались данные натурных и лабораторных опытов. Последние были проведены в СПбГТУ автором, Институте Пустынь ( г. Ашхабад ), Институте почвоведения и фотосинтеза АН СССР ( г. Пущино ), АФНИИ ( г. С.-Петербург ) на образцах грунта, отобранных на исследуемых объектах.

В конкретных условиях при расхождении данных натурных и лабораторных исследований в качестве параметра модели использовали то значение, при котором результаты моделирования лучше соответствовали реальным процессам.

При исследовании ковффициентов фильтрации учитывали влияние концентрации порового раствора. Результаты опытов описываются зависимостью вида:

= 1.7 * 0.11§С, кф-( см/сут ), С-(г/л).

Кривые водоудерживания определены в тензиометрическом диапазоне рР ( от 0.6 до 2.7 рР ,). Результаты показывают заметное влияние концентрация раствора на эти кривые, которые хорошо аппроксимируются зависимостями вида:

" н

У» =

1 ♦ ( Р/Рн ]П

где я - влажность насыщения почвы, р„ и п -константы, зависящие н и

от концентрации солевого раствора:

Рн = А + В С ; XI = В + Е С

Величины коэффициентов А, В, D, Е представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры зависимостей аппроксимирующих кривых водоудерживания

Параметр Глубина, м

4 - 5 5 - 8 8-15

А 2.95 1.44 2.'27

В 0.15 0.12 0.15

ъ 1.25 1.32 1.41

И 0.17 0.03 0.15

Зависимость кооффициента влагопроводности к от всасывающего давления р определялась по кривой водоудерасивания и значениям коэффициента фильтрации широко используемой аппроксимационйой формулой:

К*

---_

1 + f Р / ри 1 V " J

т

где р , ш - константы.

Л

В табл. 2. приведены значения втих констант, найденных по

методу наименьших квадратов.

Таблица 2.

Параметры аппроксимационной зависимости

к =

3L

1 + f р / р V

v J

Глубина, ш Р.

0-12 12-31.5 2.23 2.69 0.1 . 0.1 . 0.7 4

■ Использование полученных параметров при адаптации модели к условиям реальных объектов показало хорошее соответствия результатов моделирования фактическим процессам. Расхождение рас" :х данных с натурными не' превысило 15 - 20 %, что позволило сделать вывод о возмозкности исследования процессов формирования и эксплуатации пресных линз .методом имитационного моделирования.

В четвертой главе приводятся результаты численного моделирования процессов инфильтрации воды из котлована и формирования линзы пресных подземных вод и их анализ.

Расчеты были выполнены применительно к условиям оазиса Карры-Куль в Туркмении, где в 1965-1969 гг Институтом Пустынь проводились натурные ииследования формирования линз.

Б первой серии вычислительных экспериментов рассматривалось формирование линзы при работе инфильтрационного котлована без использования дополнительных гидротехнических сооружений, что соответствовало фактическим условиям проведения натурных экспериментов. Полученные в результате моделирования данные по динамике уровня воды в инфильтрационном котловане и интенсивности впитывания находятся в хорошем согласии с данными натурных измерений. Это позволило провести вторую серию вычислительных экспериментов, с целью оценки влияния конструктивных изменений системы на эффективность работы гидрокомплекса. Так было предложено использовать,- наряду с инфильтрационным котлованом, поглотительную скважину для ускорения процесса погружения воды. Выполненные расчеты позволяют оценить еффективность использования поглотительной скважины при данных конкретных . условиях. В рассматриваемом случае продолжительность затопления была в среднем уменьшена на 10& за счет наличия скважины. Одновременно уменьшилась толщина кольматационной корки от Д = 0.05 м без скважины, до' Д = 0.04 м - с использованием поглотительной скважины. Однако наличие скважины определяет интенсивность инфильтрации воды из котлована в первой половине процесса, тек как впоследствии в результате кольматацкк проводимость ее резко падает: По результатам имитационных экспериментов дана предварительная рекомендация . о целесообразности устройства поглотительной скважины. При втом необходимо предусмотреть меры по ее очистке от наносов.

Формирование линзы, как и инфильтрация воды, рассматривалось в двух вариантах: .

1) формирование линзы в результате работы только инфильтрационного котлована, что соответствовало фактическим условиям проведения натурных вкспериментов,

2) формирование линзы в результате совместной работы инфильтрационного котлована и поглотительной скважины.

Результатом расчета является объем линзы, ее качественный и количественный состав. В обоих случаях первый и второй годы отмечаются промывкой зоны аэрации и снижением минерализации грунтовых вод под инфильтрациетшкм котлованом, создавая предпосылки для формирования линзы. Третий - пятый годы характеризуются созданием и последовательным увеличением объема линзы. При этом установлено, что наличие поглотительной скважины позволяет сформировать более глубокую линзу (рис.3), что улучшает возможности ее эксплуатации.

Для оценки - влияния фильтрационных свойств грунтов на закономерности формирования . пресных линз были проведены вычислительные эксперименты с различными коэффициентами фильтрации по вертикали. Различие коэффициентов фильтрации ухудшает условия формирования линз. Установлено, что чем больше отличаются коэффициенты фильтрации слоев, тем более распластанная и мелкая образуется линза, что значительно затруднит ее эксплуатацию и приведет к потере большого количества воды. В тоже время; наличие однородного водоносного горизонта способствует созданию глубокой компактной линзы. Результаты расчетов подтверждают вывод о необходимости устройства поглотительных скважин для увеличения проницаемости верхнего слоя.

В пятой главе рассматриваются и - анализируются ..эксперименты по эксплуатации линз пресных подземных вод.

Для проверки работоспособности модели, модифицированной для решения задачи, проводилось сравнение результатов расчетов с данными натурных экспериментов, проведенных в 1960-ые годы. АН СССР и Управлением геологии Туркменской СССР на Ясинской линзе пресных подземных вод.

Большой объем данных позволил адаптировать модель к конкретным условиям и провеет, вычислительные эксперименты. Сравнение результатов, полученных фактически с результатами имитационного моделирования, представлено на рис. 4 Удовлетворительное кочествекное и количественное согласно результатов позволило провести исследование режимов эксплуатации линз пресных подземных вод методом математического моделирования. В х'. ,«кспер:!ментов решались задачи выбора оптимального режима эксплуатации линзы, возможность использования рекомендуемого

а~4 г /2 /6 £0 £4 £3 32. 3€ -{О /ГЛ/

Рис.Э Формирование линзы пресных вод. Изолинии минерализации, г/л. сквакины,

скважина.

} 2 4 ~ё / /¿> /2 М /6 ** го К"

рисЛ Эксплуатация линзы. Одиночная откачка. Изолинии минерализации, г/л.

/""" гакткчески, /—"расчет.

Q п

отношения дебитов скважин на пресные и соление воды 0 =Х, где

ran т ta 4

W — ( при kn = lee ) или Хопт= ( при ¡m*kc) . а

также границы применения отого соотношения. Одновременно

рассматривалось влияние различных факторов на работу водозабора,

а именно: коэффициентов фильтрации и водопровсдимости водоносных

пластов, мощности слоев грунтовых вод различной- минерализации,

глубины залегания водоупора, положения рабочих частей фильтров по

глубине и длины фильтров.

Результатом расчета являлись данные по распределению

влажности, гидравлического ' напора, концентрации солей,

вертикальной и- горизонтальной составляющих потока по всей области

фильтрации, средней минерализации откачиваемой воды на верхнем и

нижнем фильтрах.

Результаты исследования по откачке только пресной воды

показали, что во всех случаях образуется купол соленых вод,

мощность которого определяется дебитом скважины . Режим работы

водозабора в етом случае рекомендуется выбирать на основе

имитационного моделирования, исходя из необходимых параметров

системы ( дебит скважины, допустимая минерализация откачиваемой

воды, период времени откачки )........... .....

Исследования одновременной откачки пресных и соленых вод

спаренной системой скважин в однородном пласте при газ/ас = 2

показали, что при X = XQnT не происходит образование купола

соленых вод, а на расстоянии 10-20 м от скважины происходит

смешивание пресных и соленых вод, вызванное гидроинамической

дисперсией и ростом вертикальных составляющих скоростей потоков

по море приближения к скважине. Граница раздела потоков у

фильтров почти совпадает с границей пресные - соленые вода

(рис.5). При \ < Хопт пресные воды внедряются в"зону соленых ,

что ведет к потере первых. В етом случае граница раздела потек—

лежит в зоне пресных вод. Этот вариант рекомендуется использова.,,

для опреснения купола соленых вод на водозаборах, где произошло

внедрение соленых вод в зону пресных.

''начительный интерес представляет вариант, когда \ > \шт .

В si'.)* случае образуется купол соленых вод. Наиболее интенсивно

процесс смешивания происходит а. верхней части купола, где

вертикальная скорость потека достигает максимальных значений.

Г6

Изолинии минерализации воды, г/п. С. г/л

Рис.б Ияменение минерализации воды в верхней *ильтое

Процесс куполообразования наиболее интенсивно происходит в первие

10 - 20 суток. Форма купола сущуственно зависит от коэффициента

фильтрации. Чем он больше, тем более распластанную форму имеет

купол. Исследованиями установлено, что при этом допустимый дебит

Q п может быть больше, чем в случаях с меньшими коэффициентами

фильтрациии. Рекомендуется представлять результаты расчетов в

виде графиков, пользуясь которыми легко определить по известным

времени откачки и допустимой минерализации дебиты верхнего и

нижнего фильтров ( рис.6).

На формирование купола соленых вод и минерализацию воды в

верхнем фильтре оказывает влияние длина рабочих частей фильтров и

расположение их. в водоносном пласте.

Увеличение расстояния от границы пресные - соленые воды до

подошвы верхнего"фильтра способствует формированию более крутого-

и более разбавленного конуса. Это объясняется особенностями

распределения вертикальных составляющих потоков, направленных к

верхнему и нижнему фильтрам.

При mn/mc < 1 происходит вторжение пресной воды в зону

соленой . Таким образом, не рекомендуется использовать Q п пп кп

соотношение ^ с = —^— для выбора режима откачки в подобных условиях, а.оптимальные параметры водозабора необходимо выбирать на основе имитационного моделирования.

В заключении представлены основные результаты и вывода работы.

Результаты:

1. Имитационная модель, основанная на известных уравнениях влаго-солепереноса, модифицирована применительно к задачам формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод. Модель успешно адаптирована к конкретным объектам.

2. Проведены имитационные исследования процессов массопереноса в

зоне аэрации и грунтовых водах с учетом Есех видов движения вг. и переноса солей с учетом диффузии, гидродисперсии и конвекции.

3. Определено влияние минерализации грунтовых; вод на процесса массопереноса.

4. Л--" учена качественная и количественная оценка взаимодействия икфильтрующихоя пресных вод с засоленными породами зоны аэрации и минерализованными грунтовыми водами.

5. Проверена возможность применения существующих приближенных методов обоснования режимов эксплуатации линзовых месторождений.

6. Подготовлены предварительные рекомендации для разработки проектных, плановых и оперативных решений по формированию, восполнению и эксплуатации линз пресных вод на основе имитационного моделирования.

Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. Разработка научно-обоснованных мероприятий по формированию, восполнению и эксплуатации линз возможна только на основе имитационного моделирования, включающего исследование объекта, создание математической модели, проведение экспериментов на натурном объекте и на модели.

2. Процесс формирования линзы пресных вод зависит, как от природных условий (объем стока, испарение, засоление грунтов зоны аэрации, минерализация грунтовых вод, коэффициенты влагопроводности), так и от технических решений (устройство отстойников для осветления воды, оборудование поглотительных скважин для ускорения погружения поверхностного стока, очистка дна и откосов инфильтрационного котлована от кольматационной корки).

3. Более компактная и глубокая линза формируется в однородном водоносном горизонте, а также при наличии поглотительных скважин. В неоднородном водоносном горизонте предпочтительнее вариант, когда более проницаемым является нижний слой грунта.

4. Возможно применение метода одновременной откачки пресных и соленых вод фильтрами из одной или из рядом расположенных скважин при эксплуатации мелких (от 20 до 40м) линз пресных вод.

5. Полученные методом имитационного моделирования качественные характеристики процессов взаимодействия пресных и соленых вод полностью соответствуют натурным даьным. При мощности проспи;: вод больше или равной мощности соленых вод можно использовать (для предварительных расчетов) приближенный метод для определения дебатов скважин.

6. Использование приближенного мсода для выбора режимов эксплуатации линз при мощности пресных вод менше еоленых ведот к неоправданным потерям первых, режим эксплуатации может бить выбран только на 'основе имитационного моделирования.

7. Коэффициенты фильтрации и технические решения, такие как различное расположение фильтров по глубине в водоносном горизонте, значительно влияют на выбор параметров эксплуатации пресных линз.

В дальнейшем представляется целесообразным рассмотрение трехмерной задачи фильтрации двух смешивающихся жидкостей разной плотности, а также применение метода , имитационного моделирования для решения задачи о совместном течении двух несмсшваюшихся жидкостей (например вода - нефтепродукты) в зоне аэрации и грунтовых водах.

Публикации по теме диссертации

1. Верификация-модели формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод.//Рос. научн.-техн..ковф."Итювацисттэ наукоемкие технологии для России",ч.1,стр.33.

2. Обоснование мероприятий по созданию гарантированных эксплуатационных запасов пресных подземных вод на базе использования местного стока в аридных условиях.// Рос. научн.-техи. конф."Инновационные наукоемкие технологии для России",ч.1, стр.34.

3. Model veriíioation oí ealt water intrusión íor íreBh ground water lcr.ses management.//- European Ceophyaioal Sooiety. Anrnl, Geophysioal, Pt.2, Supiemant II, vol.13, p.441.