Расчеты водозаборных сооружений на месторождениях в пластовых системах краевой зоны артезианских бассейнов (стр. 2 из 2)

Формирование качества воды на месторождениях в пластовых системах краевой зоны артезианских бассейнов

"Естественное" изменение качества воды при эксплуатации

Для крупных артезианских бассейнов платформ характерно сложное естественное распределение минерализации - как по площади в основном пласте, так и в вертикальном разрезе. Поэтому при разведке необходим широкий комплекс пространственных гидрогеохимических опробований, тщательные наблюдения во времени при откачках (особенно длительных).

Нормальная вертикальная гидрогеохимическая зональность, свойственная пластовым толщам артезианских бассейнов, представляет собой важный естественный фактор возможного изменения качества воды при длительной эксплуатации водозаборов. Еще более сложные условия создаются в случае инверсных гидрогеохимических разрезов.

Рассмотрим ситуацию с расположением водозабора в крупной речной долине, т.е. в зоне разгрузки межпластовых горизонтов по схеме Мятиева-Гиринского (случай Б, рис.8.2).

Рис.8.5. Принципиальная схема формирования качества воды при работе водозабора в пластовой системе

Зона захвата имеет форму концентрических кругов вокруг водозабора:

- для нижнего горизонта - вся площадь депрессионной воронки;

- для верхнего - только площадь зоны полной инверсии естественной разгрузки из основного горизонта.

Важно: при оценке возможных изменений качества извлекаемой водозабором воды следует учитывать только величины дополнительно возникшего питания основного пласта (т.е. привлекаемые ресурсы), так как величина естественного питания уже отражена в фоновых значениях минерализации пластовой воды

.

Исходя из этой позиции, солевой баланс эксплуатационного водоотбора следует представить в таком виде:

где

- расход дополнительного питания из верхнего горизонта (перетекание, возникшее в зоне полной инверсии разгрузки вокруг водозабора), - расход дополнительного питания из нижнего горизонта (суммарное увеличение интенсивности естественного перетекания по всей площади депрессии).

Отсюда общая формула смешения:

где - естественная минерализация пластовой воды основного горизонта, - то же для верхнего и нижнего смежных горизонтов соответственно.

В условиях нормального гидрогеохимического разреза

обычно меньше (если говорить об общей минерализации, а не каких-то специфических показателях качества воды). Соответственно при эксплуатации принципиально возможно постепенное разбавление извлекаемой водозабором воды, т.е. улучшение ее качества. В то же время интенсификация перетекания снизу потенциально создает угрозу ухудшения качества, т.к., как правило, .

В условиях конкретных месторождений эта простейшая базовая схема может осложняться возможностью постепенного изменения

при значительном распространении депрессии в смежных горизонтах.

Еще одна интересная особенность:

- для нижнего разделяющего слоя величина сорбционной емкости

в естественных условиях уже насыщена по отношению к минерализации , так как это естественное направление перетекания в течение длительного (даже в геологическом смысле) времени. Поэтому теоретически сразу после начала эксплуатации в основной горизонт начнет поступать дополнительное количество воды с концентрацией

- иная картина в верхнем разделяющем слое. Здесь естественная емкость

насыщена по отношению к величине - в соответствии с естественным направлением перетекания. Поэтому, когда в зоне полной инверсии возникнет дополнительное перетекание противоположного направления и с меньшей минерализацией , то в разделяющем слое должны пройти процессы десорбции - в течение некоторого времени в разделяющий слой из верхнего горизонта входит "пресная" вода, а выходит в основной горизонт уже насыщенная (за счет десорбционного "сноса") до уровня .

Длительность "промывки", т.е. постепенного продвижения фронта десорбции от кровли разделяющего слоя к его подошве, можно ориентировочно оценить по схеме поршневого вытеснения:

где

- эффективная пористость пород разделяющего слоя, - вертикальный градиент напора при перетекании, - разность напоров между основным и смежным горизонтом, - действительная скорость движения воды в разделяющем слое.

Таким образом, эффект разбавления из верхнего горизонта может быть отложен по времени, причем величина этой задержки может быть весьма значительной. При эффективной пористости порядка 0.1 (скорее всего, это даже заниженная величина для глинистых пород), градиенте напора порядка 1, мощности разделяющего слоя порядка первых десятков метров и коэффициенте фильтрации 10-3-10-4 м/сут длительность промывки может составлять от 3-5 до 25-50 и более лет.

Проектирование ЗСО

Расчет размеров зоны санитарной охраны водозаборов для условий изолированного пласта (с транзитным естественным потоком или без него) рассмотрен нами выше в качестве примера при характеристике общих принципов таких расчетов.

Для взаимодействующих пластов:

а) Если эксплуатируется грунтовый водоносный горизонт при наличии перетекания из нижележащего первого межпластового горизонта, то предполагается, что общая конфигурация ЗСО сохраняется, однако размеры ее уменьшаются. Поэтому рекомендуется производить расчеты следующим образом:

- Расстояние до раздельной точки А :

где

- соотношение проводимости основного (1) и смежного (2) горизонтов, - символ функции Бесселя второго рода первого порядка от мнимого аргумента, - специальный фактор перетекания, рассчитываемый по зависимости .

При незначительной интенсивности перетекания

(как для изолированного пласта), при явном преобладании перетекания или отсутствии естественного потока

- Полуширина ЗСО

.

- Расстояния

рассчитываются по зависимостям для изолированного пласта, но с использованием вычисленного в п.1 значения .

б) Межпластовые водоносные горизонты, как правило, являются достаточно защищенными от проникновения загрязнений с поверхности земли в связи с наличием перекрывающих слабопроницаемых, с большой сорбционной емкостью, слоев. Однако и для них рассчитывается зона санитарной охраны, в пределах которой ограничивается, главным образом, различного рода деятельность в недрах - в первую очередь, бурение скважин. Расчеты производятся как в случае (а) - с учетом перетекания из смежных горизонтов.

В условиях подчиненной роли естественного потока (по сравнению с расходами перетекания) некоторыми исследователями предлагается рассчитывать зону ограничений в форме круга с радиусом

, где W0 - некая интегральная интенсивность перетекания в пределах депрессионной воронки.