ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Изучение фильтрационного потока в зоне влияния магистрального канала

Магистральные каналы представляют собой крупные водотоки, оказывающие значительное влияние на режим и баланс подзем­ных вод прилегающей к ним территории. Анализ этого влияния дает возможность не только оценить условия взаимодействия по­тока подземных вод с каналом, но и определить геофильтрацион­ные параметры в зоне влияния канала на подземные воды.

Фильтрация из магистрального канала может быть свободной или подпертой. Для опразования свободного режима безусловно необходимо, чтобы уровень грунтовых вод располагался ниже дна канала. Этого, однако, недостаточно,— обычно можно ожидать сво­бодной фильтрации, если к тому же между дном канала и уровнем грунтовых вод имеется экранирующий слой, который контролирует фильтрацию из канала. Такой слой в русле канала может быть в виде искусственного экрана или образоваться при кольматации или заилении русла канала (рис. 83, а). Естественное экранирова­ние канала осуществляют супеечано-суглинистые покровные отло­жения и в этом случае свободная фильтрация имеет место при за­легании грунтовых вод ниже подошвы покровных отложений
(рис. 83,6). Структура потока в покровных отложениях опреде­ляется неоднородностью их строения.

При сравнительно однород­ном строении покровных отло­жений этот поток имеет верти­кальное направление с неболь­шим растеканием в сторону, при­чем свободная поверхность здесь имеет выпуклую кверху форму. Вместе с тем для покровных от­ложений характерно уменьшение проницаемости с глубиной с об­разованием уплотненного относи­тельно слабопроницаемого слоя в основании этих отложений. В этом случае поток в покровных отложениях приобретает такой же характер, как и при подпер­той фильтрации, т. е. возникает растекание потока над слабопро­ницаемым слоем и свободная по­верхность может приобрести во­гнутую форму (рис. 83, в).

При изучении характера фильтрации из каналов и выяв­лении возможных зон свободной фильтрации следует прежде всего задать вдоль трассы канала раз­ведочные скважины до уровня грунтовых вод и по соотношению его с уровнем в канале (с учетом строения отложений под кана­лом) установить характер потока. При фильтрации из экраниро­ванного канала важным признаком свободной фильтрации яв­ляется установление зон разрыва сплошности потока под кана­лом, где пьезометрами не должен фиксироваться уровень воды. Хорошую информацию для этой цели дают наблюдения за рас­пределением влажности непосредственно под каналом.

После выявления характера фильтрации задаются типичные участки наблюдений и разрабатывается их программа. При этом следует выделять наблюдения, проводимые непосредственно под каналом и на удалении от него, поскольку в этих зонах поток су­щественно различается по режиму и по структуре.

Непосредственно под каналом режим фильтрации обычно бы­вает стационарным (или квазистационарным). Поэтому здесь целе­сообразно проводить гидродинамическую съемку в характерные пе­риоды работы канала, располагая пьезометрические точки на раз­
ной глубине в створе уреза канала, а также фиксируя в ряде то­чек положение свободной поверхности. В плане такие пьезометры обычно задают по створу, нормальному к направлению канала, считая, что ориентировка створа совпадает с направлением потока из канала. Однако такое предположение требует проверки в связи с влиянием неравномерности фильтрации из канала. Такой створ должен состоять по крайней мере из трехэтажных кустов пьезо­метров, причем наиболее дальний устанавливается на границе зоны резкой деформации потока (примерно полторы-две мощно­сти водоносных отложений), ближайший — непосредственно под ка­налом, а средний — на расстоянии половины мощности водонос­ных отложений. Расположение пьезометров по глубине (этаж­ность) здесь обусловливается слоистостью строения водоносных пластов под каналом. Для возможности «точечных» замеров по глубине размер фильтра пьезометра должен быть небольшим, при­чем фильтр пьезометра ни в коем случае не должен пересекать границы различных слоев.

По этим данным производится решение обратной задачи по определению относительной проницаемости различных слоев. Сле­дует подчеркнуть, что такое решение является эффективным только в том случае, если ему предшествует литолого-фациальный анализ водоносных отложений, позволяющий получить представ­ление о качественном строении водоносных отложений. Значи­тельно более сложной (часто вообще нереальной) является интер­претация таких данных путем построения гидродинамической сетки вне зависимости от литологического строения отложений, как это иногда рекомендуется мелиораторами [11].

На рис. 84 приведены материалы решения такой задачи, в кото­рой определялось соотношение коэффициентов фильтрации k' Ik"^

По данным о замеренных напорах в пьезометрах при свободной фильтрации в покровных отложениях под магистральным каналом без учета сопротивления русловых отложений. На модели реша­лись прямые задачи, в которых на подошве покровных отложений задавался напор #п, равный ее ординате zn при различных соотно­шениях k'Jk'^, после чего модельные и натурные напоры

Нм и Нн сопоставлялись на графике зависимости соотношений (Н° — НМ)1(Н° — Ян) от соотношения k'Jk'^. На этом графике

Интерполяцией или экстраполяцией находилось расчетное значе­ние k'Jk"u, дающее наилучшее соответствие модельных напоров с натурными для всех наблюдаемых точек.

На рис. 84, б приведен график такой зависимости для участка наблюдений на магистральном канале, под которым покровные от­ложения имеют менее проницаемые слои в своей нижней части. Как видно, в этом случае по пьезометрам 2б и 2в получены близ­кие расчетные значения k'(k'^=l00, соответствующие совпа­дающим значениям модельных и натурных напоров, где соотноше­ние (Н° — НМ)/(Н° — #н)=1; такого же порядка соотношение

K'Jk"x получается и по данным пьезометра 1. Существенно дру­гие результаты дает расчет по пьезометру 2а (соотношение k'Jk" получается здесь на порядок меньше), однако чувствитель­ность этого пьезометра к изменчивости соотношения k'Jk^ значи­тельно меньше, так что при выборе расчетного значения k'Jk'^

Этими данными можно пренебречь. Таким образом, по данным этой обратной задачи получается соотношение k^ /k'^, свидетель­ствующее о значительной неоднородности покровных отложений под каналом.

Если уровень подземных вод под каналом превышает уровень воды в канале, то фильтрационный поток поступает в последний, который при этом играет роль дрены. Под крупным магистраль­ным каналом может возникнуть такая ситуация, когда с верховой стороны канал будет дренировать фильтрационный поток, а с ни­зовой стороны питать его. Если к тому же уровни подземных вод превышают уровни поверхности земли вблизи канала, то в прика­нальной зоне образуется выклинивание фильтрационного потока, что существенно осложняет структуру потока в этой зоне. В этих случаях для анализа фильтрационного потока обязательно исполь­зование моделирования, которое каждый раз должно проводиться по специальной программе, включающей в себя и обоснование наб­людательной сети.

Для периодически действующих каналов при расположении уровней грунтовых вод ниже дна канала непосредственно после на­полнения канала под ним формируется поток свободного просачи­вания. После того как просачивающийся поток достигает поверх­ности грунтовых вод, может постепенно образоваться условие подпертой фильтрации. При этом вблизи канала формируется зона резкой деформации потока, в пределах которой образуется поток сложной структуры с падением напоров сверху вниз и довольно быстрым формированием квазистационарного режима. На некото­ром расстоянии от канала (порядка мощности пласта) поток при­обретает плановую структуру, осложняющуюся только перетека­нием по вертикали —к свободной поверхности потока — при фор­мировании нестационарного подпора грунтовых вод. В соответст­вии с этими особенностями потока режимные наблюдательные скважины располагаются по створам, нормальным к направлению канала, причем за пределами зоны резкой деформации с каждой стороны от канала устанавливаются три пьезометра в основном пласте с дублированием их на свободной поверхности. Вместе с тем наблюдения показывают, что поток вблизи канала может деформи­роваться в плане из-за неравномерности фильтрационных потерь по длине канала и изменчивости проводимости пласта в плане. С учетом этого фактора рекомендуемая схема расположения пьезометров вблизи канала (рис. 85) включает в себя вне зоны резкой деформации два нормальных к каналу створа пьезометра (Oi—2i и 02—22) с поперечным створом пьезометров (13—Ц); кроме того, в зоне резкой деформации добавляются пьезометры для замеров уровней свободной поверхности, а также более глу­бокие пьезометры в различных литологических слоях. Имея в виду сложную структуру потока вблизи канала, целесообразно дополни­тельно к режимным наблюдениям провести через некоторое время после начала работы канала гидродинамическую съемку с едино­временными замерами уровней по этому же створу как в пределах зоны резкой деформации потока для оценки слоистой неоднород­ности пород, так й для более подробных замеров уровней свобод­ной поверхности по поперечным створам для изучения деформаций потока в плане. По данным таких наблюдений определяются ко­эффициент уровнепроводности пласта, приведенные расходы фильтрации из канала и параметры сопротивления ложа канала. Для интерпретации этих данных может быть использован различ­ный аппарат гидродинамических решений обратных задач плано­вой геофильтрации [17].

Наиболее простой и гибкий в использовании аппарат такого рода расчетов основывается на применении конечно-разностных уравнений. Дадим обоснование такого пути решения обратных за­дач, считая поток вблизи канала одномерным в плане и предпо­лагая пренебрежимо малым влияние инфильтрации (последнее предположение допустимо, если расход инфильтрации или испаре­ние в пределах створа значительно меньше расхода потока из ка­нала). Тогда для удельного расхода q0, фильтрующего от канала

В сторону створа пьезометров 0—1 — 2, запишем уравнение

(б.65)

Где AFq — изменение площади насыщения в зоне между каналом и серединой створов пьезометров 0—1 за время At (площадь AF0 заштрихована на рис. 85), определяемое по данным замеров уров­ней свободной поверхности в этой зоне; /оі — градиент напора в створе пьезометров 0—1 в середине интервала времени At (по­ложительное при направлении от канала) ;7oi — проводимость пла­ста в этом же створе, определяемая по данным опытных откачек (при их отсутствии проводимость устанавливается по аналогам). Величина удельного расхода qK, фильтрующего из канала в сто­рону одного берега, определится выражением

FK—roiA/oi + M-^г - (6-66)

Где A/oi = /01 — /°01 (/oi— градиенты напора между пьезометрами

0—1 при работе канала; — то же, до наполнения канала). При

Такой записи уравнения исключается влияние погрешностей при­вязки пьезометров и может уменьшаться роль неоднородности пласта.

Для определения величины р используются данные нестацио­нарного режима в пьезометрических створах 0 — 2, обработка ко­торых наиболее просто производится с помощью конечно-разност­ных уравнений [13, 39]. Если же поток вблизи канала имеет линейный характер в плане и к тому же участок наблюдений выхо­дит за пределы зоны резкой деформации в ложе водотока, а ин - фильтрационное питание не меняется, то для обработки данных наблюдений могут использоваться аналитические решения [38], причем весьма эффективным оказывается применение интеграль­ных преобразований по Лапласу—Карсону. Для этого предвари­тельно наблюдаемые изменения напоров АН (по отношению к ис­ходным стационарным уровням) пересчитываются в их изображе­ния Нр с помощью различных численных приемов [17]. После этого для расчетов используются решения исходных дифференциальных уравнений, записанные в интегральных изображениях.

Для однородного полуограниченного потока такое решение имеет вид

(6.67)

Где Н°р — изображение изменений напора АН0 в граничном се­чении, tp — время преобразования.

Для использования уравнения (6.67) при интерпретации режим­ных данных изменения уровней под действием возбуждения на границе потока целесообразно предварительно прологарифмиро­вать это уравнение

Обработку данных по этому уравнению удобно проводить, строя

График зависимости величин lg(#° /Нр) и x/^'tp при различных

Tp, причем граничное сечение х = 0 задается в створе пьезометра 0. На таком графике опытные данные должны ложиться на прямую линию, проходящую в начало координат. По уклону этой прямой і

К оси xj^s/tp находим у а == 0,435/t. Прямолинейный характер рас­четного графика является одним из диагностических признаков правильности используемой расчетной схемы.

Еще более эффективно применение такого решения для случая потока двухслойного строения, в котором основной водоносный пласт проводимостью Т перекрывается покровными отложениями мощностью tnn с коэффициентом фильтрации kn. В этом случае
пьезометры фиксируют в основном пласте изменения напоров АН, а на свободной поверхности — изменения уровней АНт интеграль­ные изображения которых, обозначенные через Нр и Нпр, имеют

Следующие выражения:

( УВ2 + atp )

(6.69)

Где Н°р — интегральное изображение изменения уровня в основном

Пласте в сечении х== 0 [38].

Для расчетов параметров пласта граничное сечение х = О за­дается в сечении пьезометра 0, по напорам которого и рассчиты­ваются значения Н°р. Обработку здесь целесообразно проводить,

Строя по значениям Нр и Я°р, подсчитанным при различных tPf

/ fj о у

Обобщенный график зависимости величины X = ^x/ln-^p-J от t

На таком графике все опытные точки должны лечь на одну пря­мую, отсекающую на оси х отрезок В2 и имеющую уклон к оси tp, численно равный а. Прямолинейность такого графика является диаг­ностическим признаком правильности рассматриваемой расчетной схемы. Кроме того, при наличии дублерных скважин ведется рас­чет по графику зависимости величины Нпр/(НР— Н" ) от tP, на

Котором все опытные точки должны ложиться на одну прямую, приходящую в начало координат и имеющую уклон к оси tp, чис­ленно равный комплексному параметру ka/iimB, причем его вели­чина должна согласовываться со значением — а/В2, где В и а получают ранее расчетами по величинам Нр.

Для определения параметров, характеризующих фильтрацию из канала, следует далее определить изображение Нк для изме­нения напора в урезе канала по формуле

(__ Л

V + У

Vfi2 + atp

(6.70)

Где хо — расстояние от уреза ка­нала до пьезометра 0. От величины Нк можно пе-

Рейти к изображению удельного расхода qKn потока, фильтрую­щегося что

По значениям qKp, подсчитанным при различных величинах tp,

Можно обратным переходом найти значения удельных расходов по­тока из канала qK. Решение такой задачи представляет интерес, например, для оценки фильтрационных потерь из магистрального канала по данным режимных наблюдений вблизи последнего после пуска его в работу. При этом величины qK и изменяются обычно

Немонотонно: сначала они резко увеличиваются, а затем могут уменьшаться (рис. 86). В этом случае для обратного перехода от qKp к qK график qKp (tp) следует разложить на две части:

И AqKp =q°pK—q«p, где qKpQ — значение qKp при tP = 0. Тогда ори­гинал также будет состоять из разницы двух частей — q°K и AqK, причем q°K = qp0, a AqK определяется по изображению AqKp чис­ленным путем, как для монотонно меняющейся функции.

При подпертом режиме фильтрации параметр сопротивления ложа канала AL определится по формуле

Н° — и

—к*.. - - к-, (6.72)

Як

Где Н°к —уровень воды в канале; Як — напор в пласте в сечении уреза канала, определяемый как оригинал изображения #к.

Обработка данных режимных наблюдений на опытном участке Атбашинского канала (Чуйская впадина), проведенная Т. И. Му - минджановым для периода после наполнения канала, показала эф­фективность такого способа расчета. При этом было показано, что фильтрационные потери из канала после его наполнения в течение 20 лет уменьшаются вдвое, а потом практически остаются постоян­ными, сравнительно слабо меняясь в разные годы. Вместе с тем данные наблюдений свидительствовали о существенных осложне­ниях структуры потока вблизи канала, вызываемых неравномер­ностью фильтрационных потерь по трассе канала, а также неодно­родностью потока по проводимости.