Тест водоносного слоя

Закачка воды в водоносный горизонт для мониторинга его реакции

В гидрогеологии испытание водоносного горизонта (или испытание откачки ) проводится для оценки водоносного горизонта путем «стимуляции» водоносного горизонта посредством постоянной откачки и наблюдения за «реакцией» водоносного горизонта ( снижением ) в наблюдательных скважинах . Испытание водоносного горизонта является распространенным инструментом, который гидрогеологи используют для характеристики системы водоносных горизонтов, водоупоров и границ системы потоков.

Тест с пробой — это разновидность типичного теста водоносного слоя, при котором происходит мгновенное изменение (увеличение или уменьшение), а эффекты наблюдаются в той же скважине. Это часто используется в геотехнических инженерных условиях для получения быстрой оценки (минуты вместо дней) свойств водоносного слоя непосредственно вокруг скважины.

Тесты водоносного горизонта обычно интерпретируются с использованием аналитической модели потока водоносного горизонта (наиболее фундаментальной из которых является решение Theis) для сопоставления данных, наблюдаемых в реальном мире, а затем предполагая, что параметры из идеализированной модели применимы к реальному водоносному горизонту. В более сложных случаях для анализа результатов теста водоносного горизонта может использоваться численная модель.

Тестирование водоносного горизонта отличается от тестирования скважин тем, что в последнем случае в первую очередь рассматривается поведение скважины, тогда как в первом случае характеристики водоносного горизонта количественно определяются. Тестирование водоносного горизонта также часто использует одну или несколько контрольных скважин или пьезометров («точечные» наблюдательные скважины). Контрольная скважина — это просто скважина, которая не откачивается (но используется для контроля гидравлического напора в водоносном горизонте). Обычно контрольные и насосные скважины проверяются в одних и тех же водоносных горизонтах.

Общая характеристика

Чаще всего испытание водоносного слоя проводится путем откачки воды из одной скважины с постоянной скоростью и в течение как минимум одного дня, при этом тщательно измеряя уровни воды в контрольных скважинах. Когда вода откачивается из насосной скважины, давление в водоносном слое, который питает эту скважину, падает. Это падение давления проявится как просадка (изменение гидравлического напора) в наблюдательной скважине. Просадка уменьшается с радиальным расстоянием от насосной скважины и увеличивается с продолжительностью времени, в течение которого продолжается откачка.

Характеристики водоносного горизонта, которые оцениваются большинством испытаний водоносных горизонтов, следующие:

• Гидравлическая проводимость Скорость потока воды через единицу площади поперечного сечения водоносного слоя при единичном гидравлическом градиенте. В единицах США скорость потока измеряется в галлонах в день на квадратный фут площади поперечного сечения; в единицах СИ гидравлическая проводимость обычно указывается в м ³ в день на м ² . Единицы часто сокращаются до метров в день или эквивалента.
• Удельное водохранилище или водоудерживающая способность: мера количества воды, которое ограниченный водоносный горизонт отдаст при определенном изменении напора;
• Проницаемость Скорость, с которой вода проходит через всю толщину и единичную ширину водоносного слоя под единичным гидравлическим градиентом. Она равна гидравлической проводимости, умноженной на толщину водоносного слоя;

Дополнительные характеристики водоносного горизонта, которые иногда оцениваются в зависимости от типа водоносного горизонта, включают:

• Удельный водоотвод или дренируемая пористость: мера количества воды, которое безнапорный водоносный горизонт отдаст при полном осушении;
• Коэффициент утечки: некоторые водоносные горизонты ограничены водоупорами, которые медленно отдают воду в водоносный горизонт, обеспечивая дополнительный приток воды для снижения просадки;
• Наличие границ водоносного горизонта (подпитка или отсутствие притока) и их удаленность от откачиваемой скважины и пьезометров.

Методы анализа

Необходимо выбрать подходящую модель или решение уравнения потока грунтовых вод , чтобы соответствовать наблюдаемым данным. Существует множество различных вариантов моделей в зависимости от того, какие факторы считаются важными, включая:

• протекающие водоупоры,
• неограниченный поток (задержка выхода),
• частичное вскрытие насосных и контрольных скважин,
• конечный радиус ствола скважины — что может привести к накоплению в стволе скважины,
• двойная пористость (обычно в трещиноватых породах),
• анизотропные водоносные горизонты,
• неоднородные водоносные горизонты,
• конечные водоносные горизонты (влияние физических границ видно в тесте), и
• комбинации вышеперечисленных ситуаций.

Почти все методы решения теста водоносного слоя основаны на решении Theis; оно построено на самых упрощающих предположениях. Другие методы ослабляют одно или несколько предположений, на которых построено решение Theis, и поэтому они получают более гибкий (и более сложный) результат.

Переходное решение Тайса

Поперечный разрез переходного решения Тейса для радиального расстояния в зависимости от просадки с течением времени

Уравнение Тейса было создано Чарльзом Верноном Тейсом (работавшим в Геологической службе США ) в 1935 году ^[1] на основе литературы по теплопередаче (с математической помощью CI Lubin) для двумерного радиального потока к точке стока в бесконечном однородном водоносном слое . Это просто

${\displaystyle {\begin{aligned}s&={\frac {Q}{4\pi T}}W(u)\\[0.5em]u&={\frac {r^{2}S}{4Tt}}\end{aligned}}}$

где s — понижение давления (изменение гидравлического напора в точке с начала испытания в единицах расстояния), u — безразмерный параметр, Q — скорость откачки (объем за единицу времени), T и S — проницаемость и водоудерживающая способность водоносного слоя вокруг скважины (квадрат расстояния за единицу времени и безразмерные величины соответственно), r — расстояние от насосной скважины до точки, где наблюдалось понижение давления, t — время с момента начала откачки, а W(u) — «функция скважины» (называемая неполной гамма-функцией , , в литературе, не связанной с гидрогеологией). Функция скважины задается бесконечным рядом ${\displaystyle \Gamma (0,u)}$

${\displaystyle {\begin{aligned}W(u)=\Gamma (0,u)=-\gamma -\ln(u)+u-{\frac {u^{2}}{2\times 2!}}+{\frac {u^{3}}{3\times 3!}}-{\frac {u^{4}}{4\times 4!}}+\cdots \end{aligned}}}$

где γ — постоянная Эйлера (=0,577216...). Обычно это уравнение используется для нахождения средних значений T и S вблизи насосной скважины из данных о просадке , собранных во время испытания водоносного горизонта. Это простая форма обратного моделирования, поскольку результат ( s ) измеряется в скважине, r , t и Q наблюдаются, а значения T и S , которые наилучшим образом воспроизводят измеренные данные, подставляются в уравнение до тех пор, пока не будет найдено наилучшее соответствие между наблюдаемыми данными и аналитическим решением.

Решение Тайса основано на следующих предположениях:

• Поток в водоносном горизонте адекватно описывается законом Дарси (т.е. Re<10).
• однородный, изотропный, ограниченный водоносный горизонт ,
• скважина полностью проникает (вскрывает всю толщину ( б ) водоносного слоя),
• колодец имеет нулевой радиус (он приближенно представляет собой вертикальную линию) — поэтому в колодце не может храниться вода,
• скважина имеет постоянную производительность откачки Q,
• потеря напора на экране скважины незначительна,
• водоносный горизонт бесконечен в радиальном направлении,
• горизонтальные (не наклонные), плоские, непроницаемые (не протекающие) верхние и нижние границы водоносного горизонта,
• Поток грунтовых вод горизонтальный
• нет других скважин или долгосрочных изменений в региональных уровнях воды (все изменения потенциометрической поверхности являются результатом только насосной скважины)

Несмотря на то, что эти предположения редко выполняются полностью, в зависимости от степени их нарушения (например, если границы водоносного горизонта находятся далеко за пределами той части водоносного горизонта, которая будет проверяться при проведении испытания на откачку), решение все равно может быть полезным.

Стационарное решение Тима

Стационарный радиальный поток к насосной скважине обычно называется решением Тима ^[2], оно возникает в результате применения закона Дарси к цилиндрическим оболочкам контрольных объемов (т. е. цилиндр с большим радиусом, из которого вырезан цилиндр с меньшим радиусом) вокруг насосной скважины; его обычно записывают как:

${\displaystyle h_{0}-h={\frac {Q}{2\pi T}}\ln \left({\frac {R}{r}}\right)}$

В этом выражении h ₀ — фоновый гидравлический напор , h ₀ - h — падение давления на радиальном расстоянии r от насосной скважины, Q — скорость сброса насосной скважины (в начале координат), T — проницаемость , а R — радиус влияния или расстояние, на котором напор все еще равен h ₀ . Эти условия (установившийся поток к насосной скважине без близлежащих границ) никогда не встречаются в природе, но их часто можно использовать в качестве приближения к фактическим условиям; решение выводится путем предположения о наличии круговой границы постоянного напора (например, озера или реки , полностью контактирующей с водоносным горизонтом), окружающей насосную скважину на расстоянии R .

Источники ошибок

Критически важным моментом как при испытании водоносного слоя, так и при испытании скважин является точная регистрация данных. Необходимо не только тщательно регистрировать уровни воды и время измерения, но и периодически проверять и регистрировать скорость откачки. Незарегистрированное изменение скорости откачки всего на 2% может ввести в заблуждение при анализе данных. ^{[ необходима цитата ]}

Ссылки

1. Theis, Charles V. (1935). «Соотношение между понижением пьезометрической поверхности и скоростью и продолжительностью разрядки скважины с использованием хранилища грунтовых вод». Transactions, American Geophysical Union . 16 (2): 519–524. Bibcode : 1935TrAGU..16..519T. doi : 10.1029/TR016i002p00519. hdl : 2027/uc1.31210024994400 .
2. Тим, Гюнтер (1906). «Гидрологические методы» (на немецком языке). Лейпциг: Й. М. Гебхардт: 56. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

Дальнейшее чтение

Геологическая служба США предлагает несколько очень полезных бесплатных ссылок по интерпретации результатов испытаний на откачку:

• Феррис, Дж. Г.; Ноулз, Д. Б.; Браун, Р. Х.; Столлман, Р. В. (1962). Теория испытаний водоносных горизонтов (PDF) . Документ по водоснабжению 1536-EUS Geological Survey.
• Столлман, Р.У. (1971). "Глава B1". Проектирование испытаний водоносных горизонтов, наблюдение и анализ данных (PDF) . Книга 3, Применение гидравлики. Геологическая служба США.
• Рид, Дж. Э. (1980). "Глава B3". Типовые кривые для избранных задач потока в скважины в ограниченных водоносных горизонтах (PDF) . Книга 3, Приложения гидравлики. Геологическая служба США.
• Франке, О.Л.; Рейли, TE; Беннетт, Г.Д. (1987). "Глава B5". Определение граничных и начальных условий при анализе систем насыщенных грунтовых вод — Введение (PDF) . Книга 3, Приложения гидравлики. Геологическая служба США.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

Некоторые коммерческие печатные ссылки по интерпретации результатов испытаний водоносных горизонтов:

• Бату, В. (1998). Гидравлика водоносного слоя: всеобъемлющее руководство по анализу гидрогеологических данных . Wiley-Interscience. ISBN 0-471-18502-7.
  • Хорошее резюме наиболее популярных методов испытаний водоносных горизонтов, полезно для практикующих гидрогеологов.
• Доусон, К. Дж.; Исток, Дж. Д. (1991). Тестирование водоносного слоя: проектирование и анализ тестов на прокачку и пробоотбор . Lewis Publishers. ISBN 0-87371-501-2.
  • Тщательный, немного более математический, чем Бату
• Круземан, ГП; де Риддер, Н.А. (1990). Анализ и оценка данных испытаний на откачку (PDF) (Второе издание). Вагенинген, Нидерланды: Международный институт мелиорации и улучшения земель. ISBN 90-70754-20-7.
  • Превосходное описание большинства методов анализа водоносных горизонтов (но эту книгу трудно найти).
• Boonstra, J.; Kselik, RAL (2002). SATEM 2002: Программное обеспечение для оценки испытаний водоносных горизонтов . Вагенинген, Нидерланды: Международный институт мелиорации и улучшения земель. ISBN 90-70754-54-1.
  • Он-лайн: [1]
• Синдаловский, Л.Н. (2011). ANSDIMAT - программное обеспечение для оценки параметров водоносных горизонтов . Санкт-Петербург, Россия: Наука. ISBN 978-5-02-025477-0.
  • Онлайн-руководство пользователя ANSDIMAT: [2].

Дополнительные названия книг можно найти в разделе «Дополнительная литература» статьи по гидрогеологии, большинство из которых содержат материалы по анализу испытаний водоносных горизонтов или теорию, лежащую в основе этих методов испытаний.

Аналитическое программное обеспечение

• Программное обеспечение для водных ресурсов от Геологической службы США
• Schlumberger Water Services – программное обеспечение для анализа данных испытаний на откачку и пробоотбор
• ANSDIMAT – передовое коммерческое программное обеспечение
• AQTESOLV – стандартное коммерческое программное обеспечение
• MLU для Windows LT – Бесплатное программное обеспечение для анализа результатов испытаний на откачку и пробоотбор в системах с одним или двумя водоносными горизонтами
• VINMOD Multi-Well – Анализ загрязнения грунтовых вод с использованием испытаний на откачку и параметров загрязнения откачиваемых грунтовых вод
• Hytool — набор инструментов с открытым исходным кодом для интерпретации тестов накачки и наращивания на Matlab
• SmartGEO — передовое коммерческое программное обеспечение для характеристики неоднородных водоносных горизонтов, гидравлической томографии и многократных испытаний на откачку

Смотрите также

• Предположение Дюпюи-Форххаймера
• Грунтовые воды
• Колодец с водой