 |
|
Дослідно-фільтраційні роботи для визначення гідрогеологічних параметрів
Дослідно-фільтраційні роботи виконуються в комплексі гідрогеологічних вишукувань і досліджень, що здійснюються з метою прогнозу роботи різних інженерних споруд (водозаборів, водопонижуючих пристроїв і дренажів, нагнітаючих полігонів та ін.), обґрунтування проектів будівництва каналів, водосховищ, греблі, прогнозу режиму, балансу і якості підземних вод. Важливою задачею цих робіт є обґрунтування фільтраційних схем, що включають в себе будову водоносних горизонтів і комплексів, умови їх взаємозв’язку, характеристику границь і значень гідрогеологічних параметрів (фільтраційних, ємнісних, міграційних).
Основними видами дослідно-фільтраційних робіт є відкачки (випуски), в значних масштабах проводяться нагнітання і наливи. Відкачки і нагнітання проводяться, як правило, в бурових свердловинах, рідше – в колодязях і шурфах. Наливи звичайно проводяться в шурфи. Відкачки проводяться переважно для визначення фільтраційних і ємнісних параметрів водоносних горизонтів, нагнітання дозволяють також визначити прийомістість свердловин. Наливи проводяться переважно для визначення параметрів ненасичених порід. Міграційні параметри визначаються при всіх видах дослідно-фільтраційних робіт. Для попередньої оцінки гідрогеологічних параметрів і особливо їх змін в розрізі використовуються також різні експрес-мотоди: витратометрія свердловин, випереджуюче опробування водоносних горизонтів, дослідження свердловин випробувачем пластів.
Відкачка є одним з основних видів дослідно-фільтраційних робіт, яка здійснюється з метою вивчення гідрогеологічних умов водоносних горизонтів і комплексів.
Відкачка представляє собою спосіб примусового відбору підземних вод з бурових свердловин, колодязів, шахт та ін., що викликає деформацію природного фільтраційного поля напорів (рівнів, швидкостей). Відкачка, що здійснюється при само виливі води з свердловини, називається випуском.
За своїм призначенням відкачки можуть бути пробні, дослідні і дослідно-експлуатаційні. Різниця в призначенні цих видів відкачок визначає і методику їх проведення , що знаходить відображення головним чином в тривалості дослідних робіт та конструкції дослідного куща.
Пробні відкачки здійснюються з метою попередньої оцінки фільтраційних властивостей водовмісних порід і якості підземних вод для отримання порівняльної характеристики різних ділянок водоносного горизонту. За допомогою пробної відкачки визначають питомий дебіт свердловини і залежність дебіту від пониження рівня підземних вод, що є достатнім для судження про продуктивність свердловини. Коефіцієнт фільтрації за даними пробної відкачки точно розрахувати не можна.
Дослідні відкачки здійснюються з метою:
а) визначення основних гідрогеологічних параметрів водоносних горизонтів (коефіцієнтов фільтрації, водопровідності, п’єзо- і рівнепровідності, водовіддачі, перетікання, приведеного радіусу впливу, сумарного опору руслових відкладів);
б) вивчення граничних умов водоносних горизонтів в плані і в розрізі (взаємозв’язку підземних і поверхневих вод, взаємодії суміжних водоносних горизонтів та ін.);
в) встановлення залежності між дебітом свердловини і пониженням рівня підземних вод в ній;
г) визначення оптимальної продуктивності експлуатаційних свердловин;
д) визначення рівня зрізок рівня підземних вод в межах ділянки розташування водозабору при сумісній роботі експлуатаційних свердловин.
В залежності від наявності або від сутності спостережних свердловин дослідні відкачки розподіляються на кущові і одиночні.
Одиночні дослідні відкачки здійснюються для встановлення залежності дебіту свердловини від пониження рівня підземних вод. В зв’язку з цим, на відміну від пробних, одиночні дослідні відкачки здійснюються з 2-3 ступенями дебіту.
Кущові відкачки здійснюються для встановлення гідрогеологічних параметрів, вивчення граничних умов, дослідного вивчення величин зрізок рівня підземних вод. Різновидність кущових відкачок – дослідні групові відкачки, котрі доцільно здійснювати для вивчення умов взаємозв’язку водоносних горизонтів і визначення основних гідрогеологічних параметрів в тих випадках, коли відбір води із одиночної свердловини не може забезпечити необхідної точності розрахунків в зв’язку з значними абсолютними величинами пониження рівня підземних вод.
Дослідно-експлуатаційні відкачки з однієї або декількох свердловин здійснюються тільки на стадії детальної розвідки в складних гідрогеологічних і гідро геохімічних умовах з метою встановлення закономірностей змін рівнів підземних вод або їх якості при заданому водовідборі.
Вибір дослідної ділянки для кущової відкачки здійснюється після закінчення гідрогеологічних вишукувань, котрі повинні визначити літологічний склад водоносного горизонту, глибину залягання і статичний рівень підземних вод, а також напрям їх руху.
На основі вказаних даних вибирається дослідна ділянка, яка повинна найбільш повно відображувати всі геологічні і гідрогеологічні особливості водоносної товщі порід. Для випадків різких різниць в літології порід вибирається декілька дослідних ділянок. Найбільш сприятливими ділянками для проведення дослідних робіт є ті, в котрих встановлена однорідна будова водоносного пласта і невеликій ухил підземних вод.
При виборі дослідної ділянки необхідно враховувати також умови відводу вод, що відкачуються. Особливо важливо це при неглибокому заляганні ґрунтових вод, так як вода, що відкачується, може просочитися і викликати підйом ґрунтових вод і цим порушити природні гідрогеологічні умови на дослідній ділянці.
Розбивка дослідної ділянки полягає в закладенні куща виробок з обов’язковим нівелюванням їх гирл і точним визначенням відстані від між ними. Кущ складається з одної дослідної виробки (бурової свердловини або шурфу), з якої здійснюється відкачка, і ряду спостережних свердловин (бурових свердловин або шурфів). Бурові свердловини закладаються при глибокому заляганні ґрунтових вод (більше 5 м); при менш глибокому заляганні ґрунтових вод закладаються шурфи. Спостережні виробки розташовуються біля дослідної у вигляді промінів. Кількість промінів може бути від одного до чотирьох (рис. 2.1). При чотирьохпроменевій системі розташування спостережних виробок один промінь проводиться за напрямком руху потоку, другий – проти напрямку руху, третій і четвертий – в перпендикулярному до нього напрямку. Такий спосіб застосовується в тих випадках, коли водоносні властивості порід в різних напрямках різні. Частіше всього застосовуються один або два проміні, що складається з двох-трьох спостережних свердловин. При цьому один з промінів проводиться вниз по течії підземних вод, другий - в перпендикулярному до нього напрямку. У випадку, якщо дослідний кущ складається з одного проміня, то він закладається за напрямком руху підземних вод.
Рисунок 2.1.1 – Схема розташування виробок у дослідному кущі
1 – дослідна виробка
2 – спостережна виробка
Спостережні свердловини закладаються на певних відстанях від дослідної свердловини, причому з віддаленням від неї ці відстані поступово збільшуються. Для визначення необхідних відстаней між виробками дослідного куща можна користуватися таблицею, яка складена М.Є.Альтовським на основі обробки 150 дослідних відкачок.
| Склад водоносних порід | Коефіцієнт фільтрації, м/добу | Характер підземного потоку | Відстань між дослідною виробкою і спостережувальними, м | Примірна величина радіусу впливу, м | ||
| 1-ю | 2-ю | 3-ю | ||||
| Скельні сильно тріщинуваті породи | Більше 60 | Напірний | 15-20 | 30-40 | 60-80 | 500 і більше |
| Грунтовий | 10-15 | 20-30 | 40-60 | |||
| Гравійно-галькові породи, чисті, без домішок дрібних частинок; крупні і середньозернисті однорідні піски | Напірний | 8-10 | 15-20 | 30-40 | 200-300 | |
| Грунтовий | 4-6 | 10-15 | 20-25 | |||
| Скельні слабо тріщинуваті породи | 20-60 | Напірний | 6-8 | 10-15 | 20-30 | 150-250 |
| Грунтовий | 5-7 | 8-12 | 15-20 | |||
| Гравійно-галькові породи, чисті з значною кількістю домішок дрібних частинок | Напірний | 5-7 | 8-12 | 15-20 | 100-200 | |
| Грунтовий | 3-5 | 6-8 | 10-15 | |||
| Неоднорідні крупно-, середньо-, різно- і дрібнозернисті піски | 5-20 | Напірний | 3-5 | 6-8 | 10-15 | 80-150 |
| Грунтовий | 2-3 | 4-6 | 8-12 |
При рекомендованих відстанях між свердловинами дослідну відкачку для визначення коефіцієнта фільтрації можна проводити в напірних водах на протязі однієї доби, а в безнапірних – на протязі двох діб. Однак, якщо врахувати можливу неоднорідність пласта, тривалість відкачки слід декілька збільшити, прийнявши її в безнапірних горизонтах троє-четверо діб, в напірних – двоє-троє діб. Для визначення коефіцієнта п’єзопровідності (рівнепровідності) тривалість відкачки повинна бути декілька збільшена, в зв’язку з тим, що в цьому випадку необхідно мати дані про зміни рівня в часі. Для отримання даних для розрахунку коефіцієнта п’єзопровідності відкачку в напірних горизонтах слід проводити на протязі трьох-п’яти діб, а в безнапірних – п’яти-десяти діб, при цьому відкачка може бути закінчена раніше, якщо на протязі однієї-двох діб не буде відбуватись змін рівня підземних вод в свердловинах при постійному дебіті.
Наведена вище тривалість відкачок є орієнтовною. В кожному конкретному випадку слід корегувати тривалість дослідних відкачок, виходячи цільового призначення і режиму руху підземних вод. Хорошим способом аналізу є побудова під час відкачки графіка залежності S=f(lgt).
Відкачка повинна проводиться з постійним максимальним для даного насосу дебітом. Під час відкачки допускається відхилення від цього дебіту не більше чим на 10 %. Насосне обладнання слід підбирати таким чином, щоб забезпечувалось пониження в центральній свердловині по крайній мірі на 3-4 м.
Заміри рівнів підземних вод проводяться під час перших двох годин через 10 хвилин, наступні дванадцять годин – через годину і даної до кінця відкачки – через дві-три години.
Після закінчення відкачки обов’язково повинні бути проведені спостереження за відновленням рівня підземних вод. Заміри рівня підземних вод проводяться з наступними інтервалами: перші п’ятнадцять хвилин через хвилину, далі на протязі години через п’ять хвилин, потім через годину.
Кількість понижень рівня підземних вод залежить від цільового призначення відкачок. Дослідні відкачки з декілька ми пониженнями рівня підземних вод слід проводити тільки в тих випадках, коли метою відкачки є встановлення залежності дебіту свердловини від пониження рівня підземних вод в ній. Крім того, відкачку з двома пониженнями доцільно проводити і для визначення коефіцієнту фільтрації безнапірних водоносних горизонтів, приурочених до тріщинуватих порід з метою встановлення характеру змін фільтраційних властивостей з глибиною. Однак це має смисл тільки в тому випадку, коли є можливість здійснити більше пониження рівня підземних вод, яке дорівнює 40-50 % потужності водоносного горизонту, і забезпечити достатньо значну різницю в величинах понижень.
Відкачки для встановлення залежності між дебітом і пониженням рівня підземних вод слід проводити на два пониження рівня, а в безнапірних водоносних горизонтах, приурочених до тріщинуватих порід, - деяку частину відкачок на три пониження рівня підземних вод.
Для встановлення залежності дебіту від пониження рівня підземних вод необхідно і достатньо в більшості випадків проводити відкачку на два пониження рівня підземних вод. Одне з понижень повинно бути максимально можливим, друге – не менше чим в два-три рази меншим максимально можливого і разом з тим не менше одного метра. У випадку, якщо при збільшенні пониження буде спостерігатись збільшення питомого дебіту, відкачку на меншому пониженні слід повторити, попередньо домігшись відновлення статичного рівня.
При відкачці з дрібнозернистих і тонкозернистих пісків відбувається засмічення сітчастого фільтру в дослідній свердловині дрібними частинками грунту. Внаслідок цього, а також внаслідок опору грунту, що безпосередньо прилягає до фільтру, створюється різниця рівнів води в середині дослідної свердловини і за зовнішньою поверхнею фільтру. Ця різниця рівнів відома під назвою „скачка” рівня. Для визначення величини „скачка” безпосередньо біля дослідної свердловини закладають затрубну свердловину.
Для проведення дослідної відкачки з дослідної бурової свердловини необхідно мати фільтри (при відкачках з рихлих порід), насос і прилади для виміру рівня і витрат води дослідної свердловини. Діаметр дослідної свердловини повинен бути не менше 100-150 мм, спостережувальної – не менше 75-85 мм. При відкачках з скельних тріщинуватих порід фільтри застосовувати не обов’язково. Фільтр складається з: а) робочої частини, що представляє собою перфорирувану трубу з сіткою або без неї; б) відстійника, в котрий при відкачці осідають дрібні частинки грунту, що пройшли через фільтр; в) над фільтрової частини, що розташована вище робочої. Тип фільтру вибирається в залежності від гранулометричного складу водоносних порід і хімічного складу підземних вод.
Дирчасті і щілинні фільтри застосовують в тих випадках, коли водоносний горизонт представлений галькою, гравієм або тріщинуватими породами. Він представляє собою залізну трубу діаметром 2-8 дюйма, в нижній частині котрих зроблені в шахматному порядку круглі отвори діаметром 12-18 мм або щілини.
Сітчасті фільтри застосовують в тих випадках, коли водоносний горизонт представлений пісками. Складається він з каркасу (залізних труб з отворами), дротяної обмотки і сітки (галунна – для дрібнозернистих пісків, кіперна – для середньозернистих пісків, квадратна – для грубозернистих пісків і гравію). Застосовують ще фільтри з пластмасовими сітками, фільтри з скляними сітками.
Гравійні фільтри застосовують в тих випадках, коли водоносний горизонт представлений дрібнозернистими пісками. Облаштовуються вони наступним чином. В свердловину опускають обсадну і перфоровану (без сітки) труби. В простір між трубами (зазор – більше 50 мм) засипають гравій, поступово підіймаючи обсадну трубу. Рівень засипки повинен бути вище покрівлі водоносного горизонту.
Насоси, що застосовуються при відкачках, розподіляються на дві групи: а) для відкачки підземних вод, що не глибоко залягають; б) для відкачки підземних вод, що глибоко залягають. До другої групи відносяться також і ерліфти (повітряні насоси). Ерліфт складається з двох труб повітряної і підйомної, які з’єднуються в нижній частині через змішувач. По повітряній трубі з компресора нагнічується стисле повітря; в змішувачі повітря утворює з водою емульсію, яка завдяки своїй меншій питомій вазі (в порівнянні з водою) починає підійматися по підйомній трубі і при достатній кількості повітря виливається з неї.
Відкачку необхідно проводити при трьох пониженнях рівня підземних вод. Процес відкачки розподіляється на чотири періоди: 1) прокачка свердловини; 2) відкачка свердловини при першому пониженні; 3) відкачка свердловини при другому пониженні; 4) відкачка свердловини при третьому пониженні. Прокачка необхідна для утворення природного фільтру з зовнішньої сторони фільтраційної сітки. Перед початком прокачки вимірюються статичні рівні води у всіх свердловинах дослідного куща, потім включається насос і відмічається момент першої появи води з насосу. На протязі перших годин прокачки з свердловини поступає мутна вода, потім вона світліє.
Коли вода становиться досконало світлою, прокачку свердловини можна рахувати закінченою і переходити до відкачки при першому пониженні. Для цього потрібно зменшити витрати насоса, щоби встановити в свердловині необхідне пониження рівня. При відкачці з зернистих рихлих порід перше пониження повинно бути найменшим, інакше сітка фільтру може швидко забитися дрібнозернистими частинками породи. При відкачці з тріщинуватих порід потрібно починати з найбільшого пониження а потім переходити на менші, щоби очистити тріщини від дрібних частинок. Відкачка повинна продовжуватись не менше 6-8 годин після того як в дослідній свердловині встановляться постійні витрати води, а в спостережних – постійний рівень. В процесі відкачки на кожному з понижень здійснюються систематичні заміри рівнів води у всіх свердловинах, вимірювання кількості води, що відкачується, та її температури, відбір проб води на хімічний аналіз. Кількість води, що відкачується з дослідної свердловини, вимірюється мірною судиною, який при невеликих витратах наповнюється безпосередньо з шланга насоса, а при великих – за допомогою заспокоювачів. Час заповнення водою мірної судини визначається за секундоміром. Якщо знаємо ємність мірної судини V і час її заповнення t, то визначають витрати за формулою: Q=V/t.
Визначення коефіцієнта водопровідності за даними одиночних відкачок.
За даними відкачок з центральних свердловин може бути визначений тільки коефіцієнт водопровідності (фільтрації) водоносного горизонту. Визначення коефіцієнта водопровідності за даними одиночних відкачок дозволяє отримати тільки орієнтовне значення параметра, що розраховується.
Розрахунки водопровідності найбільш доцільно виконувати за формулами:
km=Aq для напірного водоносного горизонту,
для безнапірного водоносного горизонту,
де q – питомий дебіт свердловини;
km і kH – відповідно коефіцієнти водопровідності напірного і безнапірного пласта;
So – пониження рівня підземних вод в центральній свердловині;
m і Ho – потужність напірного і безнапірного водоносного горизонту;
A – числовий коефіцієнт.
Величину A для напірних водоносних горизонтів можна приймати рівною 100-150, а для безнапірних – 80-100, якщо питомий дебіт вимірювати в л/сек., а коефіцієнт водопровідності – в квадратних метрах на добу. Мінімальні значення коефіцієнту A відносяться до слабоводозбагачених відкладів, а максимальні – до водозбагачених. В середньому для напірних водоносних горизонтів ця величина складає 130.
Визначення коефіцієнта водопровідності (km) та п’єзопровідності (рівнепровідності) (a) за даними кущової відкачки.
Обробка даних дослідних робіт кущової відкачки при постійному дебіті свердловини проводиться методом Джейкоба на основі логарифмічної аппроксимаціїї формули Тейса:
при 
≤0,1.
Як відомо, залежність пониження рівня води в любій точці, що знаходиться в сфері впливу відкачки з свердловини в умовах напірних вод виражається наступною формулою (рівняння Тейса):
,
де S – пониження напору на відстані r від вісі свердловини, з котрої здійснюється відкачка, через час t від початку відкачки;
Ei – позначення інтегральної показової функції.
Значення функції Ei, що має від’ємний знак, є оберненою по відношенню до логарифмічної і убуває зі збільшенням значення аргументу 
, як це видно з таблиці.
Таблиця
| 
|
| ∞ | |
| 0,01 | 4,038 |
| 0,1 | 1,823 |
| 0,219 | |
| 0,000004 | |
| ∞ |
При малому значенні аргументу функція Ei може бути замінена логарифмічною:
.
В цьому випадку формула Тейса має вигляд:
.
Похибка визначення пониження в свердловині при такій заміні при ≤0,1 складає 5,7 %, а при ≤0,01 не перевищує 0,25 %.
Для самої свердловини, з котрої здійснюється відкачка, r=ro, де ro – радіус водоприймальної частини (фільтру) свердловини. Величина 
надзвичайно мала і вже через декілька хвилин відкачки виражається мільйонними долями одиниці, тому тут вже з самого початку діє логарифмічний закон пониження рівня, що виражається формулою .
Час, після котрого допустима заміні інтегральної функції Ei її логарифмічним наближенням, отримало назву квазістаціонарного режиму, а зона, в котрій діє логарифмічна залежність між пониженням рівня і часом, - зони (області) квазістаціонарного режиму. Відмітною особливістю цієї зони є однаковий темп зниження рівня підземних вод у всіх точках, що розташовані в її межах. Таким чином, в зоні квазістаціонарного режиму криві депресії в часі пересуваються паралельним самим собі. Радіус зони (roo) і час настання (too) квазістаціонарного режиму можуть бути визначені за формулами:
;
.
В таблиці приведені значення відстаней r в кілометрах, де дотримується умова: <0,1. Час від початку експлуатації водозабору прийнято 10000 діб.
| Тип водоносного горизонту | Характерні значення коефіцієнтов, м2/добу | r, км | |
| рівнепровідності, aу | п’єзопровідності, a | ||
| Безнапірні води | - | ≤2,0 | |
| ≤6,3 | |||
| Напірні води | - | ≤20 | |
| - | ≤63 | ||
| - | ≤200 |
Таблиця показує, що в умовах напірних вод у всіх випадках формула оказується застосовною, так як відстань між крайніми свердловинами водозабору ніколи не виражається десятками кілометрів. Ця формула застосовна також і для безнапірних вод, особливо враховуючи, що на відстані декілька кілометрів абсолютна величина пониження рівня підземних вод дуже мала.
Обробка даних дослідних робіт при постійному дебіті свердловини проводиться методом Джейкоба на основі логарифмічної аппроксимаціїї формули Тейса:
при 
≤0,1.
Для отримання залежностей, що застосовуються для розрахунку параметрів, вищенаведена формула записується у виді рівняння прямої в напівлогарифмічних координатах: пониження (вісь ординат) відносно логарифмів часу lgt, відстані lgt і комплексного показника 
з відповідними коефіцієнтами At і Ct, Ar і Cr, Aк і Cк (рис. 2.1.2-2.1.4). В залежності від вибраних координат можливі три способи обробки:
1. Спосіб часового простеження змін рівня підземних вод. Обробка здійснюється за допомогою напівлогарифмічної прямої виду:
S=At+Ctlgt при r=const.
Цей спосіб заключається в простеженні пониження або відновлення рівня підземних вод в часі. Розрахункові параметри – коефіцієнти водопровідності і п’єзопровідності – визначаються по кутовим коефіцієнтам Ct і початковим ординатам At часових графіків простеження S – lgt. Головною інформацією для побудови графіку є заміри пониження рівня підземних вод в одній свердловині.
Рисунок 2.1.2 – Графік часового простеження змін рівня підземних вод
2. Спосіб простеження змін рівня підземних вод по площі. Обробка дослідної інформації здійснюється за допомогою напівлогарифмічної прямої виду:
S=Ar – Crlgr при t=const.
Спосіб заключається в простеженні змін рівня підземних вод в залежності від відстані спостережних свердловин до дослідної (що збурює), тобто по площі дослідної ділянки.
Коефіцієнти водопровідності і п’єзопровідності визначаються по кутовим коефіцієнтам Cr і початковим ординатам Ar графіків простеження по площі S – lgr.
Головною інформацією для побудови графіку є одноразові заміри рівня підземних вод в спостережних свердловинах.
Рисунок 2.1.3 – Графік простеження змін рівня підземних вод по площі
3. Спосіб комбінованого простеження змін рівня підземних вод. Обробка дослідної інформації здійснюється за допомогою напівлогарифмічної прямої виду:
.
Спосіб заключається в простеженні змін рівня підземних вод в часі одночасно в декілька спостережних свердловинах. Коефіцієнти водопровідності і п’єзопровідності визначаються по кутовим коефіцієнтам Cк і початковим ординатам Aк комбінованих графіків простеження по площі S – . Інформацією для побудови комбінованих графіків простеження змін рівня підземних вод є регулярні в часі заміри пониження одночасно в декількох спостережних свердловинах.
Рисунок 2.1.4– Графік комбінованого простеження змін рівня підземних вод
Метод Джейкоба справедливий для умов квазістаціонарного фільтраційного потоку. При цій умові графіки часового простеження змін рівня підземних вод і комбінованого простеження змін рівня підземних вод прямолінійні , а графіки простеження змін рівня підземних вод по площі, що побудовані на декілька моментів часу, паралельні між собою. Таким чином, при достатньому для практики відповідності дослідних закономірностей пониження рівня підземних вод рівнянню Тейса-Джейкоба прямолінійність і паралельність графіків простеження є нормою квазістаціонарного режиму. Для пошуків ділянки часового графіку, що відповідає квазістаціонарному режиму, існує аналітичний критерій tk – контрольний час 
, де r – відстань до спостережної свердловини, a – коефіцієнт п’єзопровідності.
Розрахунок коефіцієнту водопровідності Km і п’єзопровідності a для напірних і простіших випадків безнапірних водоносних пластів здійснюють за формулами, які отримані шляхом елементарних перетворень формули Джейкоба – запису її у вигляді напівлогарифмічних прямих. Під простішими випадками в безнапірному водоносному горизонті розуміється відсутність ефекту Болтона і мале пониження рівня підземних вод (20 % потужності водоносного горизонту). Формули для розрахунків коефіцієнтів водопровідності і п’єзопровідності (рівнепровідності) показані в таблиці.
| Способи обробки | ||
| Спосіб часового простеження змін рівня підземних вод | Спосіб простеження змін рівня підземних вод по площі | Спосіб комбінованого простеження змін рівня підземних вод |
| S – lgt | S – lgr | S –
|
| 
| 
|
| 
| 
|
Початкова ордината A – це відрізок, що відсікається графіком на осі ординат відповідно при: lgt=0, lgr=0, =0. Кутові коефіцієнти графіків простеження змін рівня підземних вод визначаються відношенням 
- для часового простеження, 
- для простеження по площі, 
- для комбінованого простеження. Для удобства кутові коефіцієнти можна вираховувати як різниця понижень, приймаючи
lgt2 – lgt1 = 1, lgr2 – lgr1 = 1, 
= 1.
При побудові графіків S – lgt необхідно пам’ятати, що розмірність коефіцієнту п’єзопровідності (рівнепровідності) залежить від розмірності зниження і часу, що вибрані для побудови графіку. Так, якщо зниження вимірувалося в метрах, а час в годинах, то розмірність коефіцієнта п’єзопровідності буде виражена в м2/годину. Щоб отримати розмірність м2/добу, необхідно отримане число умножити на 24.
Сталість дебіту відкачки є одним з обов’язкових умов застсування формули Тейса-Джейкоба. Відступлення від цієї умови може бути причиною аномалії, тобто порушення прямолінійної форми часових і комбінованих графіків простеження, порушення паралельності різночасових графіків простеження по площі. Але нестабільність збурення (несталість дебіту) – неминуча властивість сучасної техніки виконання дослідних робіт. Тому головна задача полягає в пошуках таких прийомів обробки дослідної інформації, котрі б дозволяли би знімати аномалії, що пов’язані з характером збурення.
Приклад визначення коефіцієнта водопровідності (km) та п’єзопровідності (рівнепровідності) (a) способом часового простеження змін рівня підземних вод, способом комбінованого простеження змін рівня підземних вод та способом простеження змін рівня підземних вод по площі наведений нижче.
Приклад обробки результатів дослідної відкачки
| ЧАСОВЕ ПРОСТЕЖЕНЯ ЗНИЖЕННЯ РІВНЯ ВОДИ | ||||||
| ОБРОБКА ВІДКАЧКИ МЕТОДОМ ДЖЕЙКОБА | ||||||
| Свердловина № | 1-с | 2-с | 3-c | |||
| Віддаль до центральної свердловини r,м | 16,03 | 39,56 | 40,11 | |||
| Дебіт експлуатаційної свердловини №2-е Q,м3/добу | ||||||
| № п/п | t, год | lg t | S1-с,м | S2-с,м | S3-с,м | |
| 0,083 | -1,0809 | 0,21 | 0,21 | 0,07 | ||
| 0,167 | -0,7773 | 0,31 | 0,32 | 0,15 | ||
| 0,333 | -0,4776 | 0,42 | 0,45 | 0,26 | ||
| 0,500 | -0,3010 | 0,52 | 0,57 | 0,35 | ||
| 0,667 | -0,1759 | 0,60 | 0,62 | 0,42 | ||
| 0,833 | -0,0794 | 0,65 | 0,71 | 0,47 | ||
| 1,000 | 0,0000 | 0,71 | 0,76 | 0,54 | ||
| 1,170 | 0,0682 | 0,76 | 0,81 | 0,57 | ||
| 1,333 | 0,1248 | 0,80 | 0,86 | 0,63 | ||
| 1,500 | 0,1761 | 0,85 | 0,89 | 0,68 | ||
| 1,667 | 0,2219 | 0,88 | 0,92 | 0,75 | ||
| 1,833 | 0,2632 | 0,92 | 0,97 | 0,76 | ||
| 2,000 | 0,3010 | 0,95 | 1,02 | 0,80 | ||
| 2,500 | 0,3979 | 1,04 | 1,10 | 0,88 | ||
| 3,000 | 0,4771 | 1,12 | 1,18 | 0,96 | ||
| 3,500 | 0,5441 | 1,22 | 1,32 | 1,05 | ||
| 4,500 | 0,6532 | 1,31 | 1,38 | 1,12 | ||
| 5,500 | 0,7404 | 1,36 | 1,45 | 1,18 | ||
| 6,500 | 0,8129 | 1,43 | 1,48 | 1,25 | ||
| 7,500 | 0,8751 | 1,50 | 1,55 | 1,35 | ||
| 8,500 | 0,9294 | 1,58 | 1,61 | 1,40 | ||
| 9,500 | 0,9777 | 1,59 | 1,65 | 1,41 | ||
| 12,500 | 1,0969 | 1,73 | 1,74 | 1,52 | ||
| 15,500 | 1,1903 | 1,83 | 1,86 | 1,59 | ||
| 19,500 | 1,2900 | 1,89 | 1,93 | 1,69 | ||
| Розрахунок гідрогеологічних параметрів | |||||
| по графіках часового простеження зниження рівнів води | |||||
| 1-c | |||||
| Вихідні дані із графіка | Результати розрахунку параметрів | ||||
| Зниження S2, м | 1,63 | Кутовий коефіціент Сt | 0,950 | ||
| ЗниженняS1, м | 0,68 | lg a | 2,7757 | ||
| lg t2 | 1,0000 | Коеф.водопров., km | |||
| lg t1 | 0,0000 | Коеф.п'єзопров., а | |||
| Ордината Аt | 0,68 | Час квазістаціонару, tk | 0,04 | ||
| 2-c | |||||
| Вихідні дані із графіка | Результати розрахунку параметрів | ||||
| Зниження S2, м | 1,68 | Кутовий коефіціент Сt | 0,930 | ||
| ЗниженняS1, м | 0,75 | lg a | 3,6510 | ||
| lg t2 | 1,0000 | Коеф.водопров., km | |||
| lg t1 | 0,0000 | Коеф.п'єзопров., а | |||
| Ордината Аt | 0,75 | Час квазістаціонару, tk | 0,04 | ||
| 3-c | |||||
| Вихідні дані із графіка | Результати розрахунку параметрів | ||||
| Зниження S2, м | 1,43 | Кутовий коефіціент Сt | 0,920 | ||
| ЗниженняS1, м | 0,51 | lg a | 3,4109 | ||
| lg t2 | 1,0000 | Коеф.водопров., km | |||
| lg t1 | 0,0000 | Коеф.п'єзопров., а | |||
| Ордината Аt | 0,51 | Час квазістаціонару, tk | 0,06 | ||
| Середні значення розрахункових параметрів | |||||
| №№ свердловин | Водопровідність водоносного горизонту | П'єзопровідність водоносного горизонту | |||
| 1-С | |||||
| 2-С | |||||
| 3-С | |||||
| Середнє |
| КОМБІНОВАНЕ ПРОСТЕЖЕННЯ ЗНИЖЕННЯ РІВНЯ ВОДИ | |||||||||
| ОБРОБКА ВІДКАЧКИ МЕТОДОМ ДЖЕЙКОБА | |||||||||
| Дебіт | м3/добу | Віддаль до центральної свердловини r, м | r1 | 16,03 | |||||
| r2 | 39,56 | ||||||||
| r3 | 40,11 | ||||||||
| № п/п | Сверд. № | 1-с | 2-с | 3-с | |||||
| t, год | S1,м | lgt/r12 | S2,м | lgt/r22 | S3,м | lgt/r32 | |||
| 0,083 | 0,21 | -3,49079 | 0,21 | -4,27543 | 0,07 | -4,28743 | |||
| 0,167 | 0,31 | -3,18715 | 0,32 | -3,97180 | 0,15 | -3,98379 | |||
| 0,333 | 0,42 | -2,88742 | 0,45 | -3,67207 | 0,26 | -3,68406 | |||
| 0,500 | 0,52 | -2,71090 | 0,57 | -3,49554 | 0,35 | -3,50754 | |||
| 0,667 | 0,60 | -2,58574 | 0,62 | -3,37039 | 0,42 | -3,38238 | |||
| 0,833 | 0,65 | -2,48922 | 0,71 | -3,27387 | 0,47 | -3,28586 | |||
| 1,000 | 0,71 | -2,40987 | 0,76 | -3,19451 | 0,54 | -3,20651 | |||
| 1,170 | 0,76 | -2,34168 | 0,81 | -3,12633 | 0,57 | -3,13832 | |||
| 1,333 | 0,80 | -2,28504 | 0,86 | -3,06968 | 0,63 | -3,08168 | |||
| 1,500 | 0,85 | -2,23378 | 0,89 | -3,01842 | 0,68 | -3,03041 | |||
| 1,667 | 0,88 | -2,18793 | 0,92 | -2,97258 | 0,75 | -2,98457 | |||
| 1,833 | 0,92 | -2,14670 | 0,97 | -2,93135 | 0,76 | -2,94334 | |||
| 2,000 | 0,95 | -2,10884 | 1,02 | -2,89348 | 0,80 | -2,90548 | |||
| 2,500 | 1,04 | -2,01193 | 1,10 | -2,79657 | 0,88 | -2,80857 | |||
| 3,000 | 1,12 | -1,93275 | 1,18 | -2,71739 | 0,96 | -2,72938 | |||
| 3,500 | 1,22 | -1,86580 | 1,32 | -2,65044 | 1,05 | -2,66244 | |||
| 4,500 | 1,31 | -1,75665 | 1,38 | -2,54130 | 1,12 | -2,55329 | |||
| 5,500 | 1,36 | -1,66950 | 1,45 | -2,45415 | 1,18 | -2,46614 | |||
| 6,500 | 1,43 | -1,59695 | 1,48 | -2,38160 | 1,25 | -2,39359 | |||
| 7,500 | 1,50 | -1,53481 | 1,55 | -2,31945 | 1,35 | -2,33144 | |||
| 8,500 | 1,58 | -1,48045 | 1,61 | -2,26509 | 1,40 | -2,27709 | |||
| 9,500 | 1,59 | -1,43214 | 1,65 | -2,21679 | 1,41 | -2,22878 | |||
| 12,500 | 1,73 | -1,31296 | 1,74 | -2,09760 | 1,52 | -2,10960 | |||
| 15,500 | 1,83 | -1,21954 | 1,86 | -2,00418 | 1,59 | -2,01617 | |||
| 19,500 | 1,89 | -1,11983 | 1,93 | -1,90448 | 1,69 | -1,91647 | |||
|
|
| Розрахунок гідрогеологічних параметрів | |||||||
| по графіках комбінованого простеження зниження рівнів | |||||||
| 1-с | |||||||
| Вихідні дані з графіка | Результати розрахунку параметрів | ||||||
| Зниження рівня S2, м | 2,03 | Кутовий коефіціент Ск | 0,970 | ||||
| Зниження рівня S1, м | 1,06 | lg a | 2,7428 | ||||
| lgt/r22 | -1 | Коеф. водопровідності, km | |||||
| lgt/r12 | -2 | Коеф. п'єзопровідності, а | |||||
| Ордината Ак | |||||||
| 2-с | |||||||
| Вихідні дані з графіка | Результати розрахунку параметрів | ||||||
| Зниження рівня S2, м | 1,85 | Кутовий коефіціент Ск | 0,920 | ||||
| Зниження рівня S1, м | 0,93 | lg a | 3,6609 | ||||
| lgt/r22 | -2 | Коеф. водопровідності, km | |||||
| lgt/r12 | -3 | Коеф. п'єзопровідності, а | |||||
| Ордината Ак | 3,69 | ||||||
| 3-с | |||||||
| Вихідні дані з графіка | Результати розрахунку параметрів | ||||||
| Зниження рівня S2, м | 1,63 | Кутовий коефіціент Ск | 0,920 | ||||
| Зниження рівня S1, м | 0,71 | lg a | 3,3891 | ||||
| lgt/r22 | -2 | Коеф. водопровідності, km | |||||
| lgt/r12 | -3 | Коеф. п'єзопровідності, а | |||||
| Ордината Ак | 3,44 | ||||||
| Середні значення розрахункових параметрів | |||||||
| №№ свердловин | Водопровідність водоносного горизонту | П'єзопровідність водоносного горизонту | |||||
| 1-С | |||||||
| 2-С | |||||||
| 3-С | |||||||
| Середнє | |||||||
| ОБРОБКА ВІДКАЧКИ МЕТОДОМ ДЖЕЙКОБА | ||||||||
| (площинне простеження зниження рівня) | Дебіт, м3/добу Q | |||||||
| r | Lg r | № св. | S(t1) | S(t2) | S(t3) | Lg t | ||
| 16,03 | 1,2049 | 1-с | 0,68 | 1,12 | 1,63 | 0,0 | t1 | 1,00 |
| 39,56 | 1,5973 | 2-с | 0,75 | 1,18 | 1,68 | 0,5 | t2 | 3,00 |
| 40,11 | 1,6033 | 3-с | 0,51 | 0,96 | 1,43 | 1,0 | t3 | 9,50 |
| Вихідні дані із графіка | t1 | |||||||
| Результати розрахунку параметрів | ||||||||
| Зниження S2, м | 0,68 | |||||||
| ЗниженняS1, м | 0,51 | Кутовий коефіціент Сr | 0,425 | |||||
| lg r2 | 1,20 | lg a | 5,3912 | |||||
| lg r1 | 1,60 | Коеф.водопров., km | ||||||
| Ордината Аr | 1,22 | Коеф.п'єзопров., а | ||||||
| Вихідні дані із графіка | t2 | |||||||
| Результати розрахунку параметрів | ||||||||
| Зниження S2, м | 1,12 | |||||||
| ЗниженняS1, м | 0,96 | Кутовий коефіціент Сr | 0,400 | |||||
| lg r2 | 1,20 | lg a | 7,3729 | |||||
| lg r1 | 1,60 | Коеф.водопров., km | ||||||
| Ордината Аr | 1,64 | Коеф.п'єзопров., а | ||||||
| Вихідні дані із графіка | t3 | |||||||
| Результати розрахунку параметрів | ||||||||
| Зниження S2, м | 1,68 | |||||||
| ЗниженняS1, м | 1,63 | Кутовий коефіціент Сr | -0,127 | |||||
| lg r2 | 1,60 | lg a | -17,33 | |||||
| lg r1 | 1,20 | Коеф.водопров., km | -1091 | |||||
| Ордината Аr | 1,02 | Коеф.п'єзопров., а | ||||||
Визначення радіусу впливу (R) водозабірної свердловини здійснюється на основі емпіричних формул і польових дослідів.
Серед емпіричних формул найбільш часто застосовуються залежності І.П.Кусакіна:
для безнапірних вод
R= 1,95 S 
, м;
для напірних вод
R= 3000 S 
, м;
де Н – потужність водоносного горизонту, м;
S – зниження рівня підземних вод, м;
Кф – коефіцієнт фільтрації гірських порід, м/добу.
Визначення радіусу впливу водозабірної свердловини на основі дослідних відкачок здійснюють аналітичним або графічним способом.
Аналітичним – із виразу 
(для безнапірних вод) і 
(для напірних вод), вирішуючи їх відносно R.
Графічний. За даними відкачки в масштабі будують розріз і продовжують (екстраполюють) депресійну криву за межами крайньої спостережної свердловини.
Виміривши віддаль від центральної свердловини до R, отримують величину радіусу впливу водозабірної свердловини.
Визначення напряму підземного потоку по трьом точкам. Простий способом визначення напрямку потоку підземних вод є спосіб трикутника.
Знаючи глибину рівня води в свердловинах, розташованих по кутам трикутника, і абсолютні або відносні відмітки поверхні, можна визначити відмітку рівня води в кожній з цих трьох точок. Допустимо, що в точці А відмітка поверхні води дорівнює 30 м, в точці Б – 36 м і в точці В – 30 м (рис. 2.1.5). Поділивши сторони трикутника на пропорційні відрізки і з’єднавши точки з однаковими відмітками, отримаємо гідроізогіпси. Як показано на рисунку потік ґрунтових вод рухається за напрямком стрілки БГ, яка перпендикулярна до гідроізогіпс.
Рисунок 2.1.5 – Визначення напрямку потоку підземних вод способом трикутника
Ухил підземного потоку, як слідує з формули 
буде дорівнювати різниці відміток в точках Б і Г, поділеною на відстань між ними. Відстань можна взнати за кресленням, якщо відомий масштаб. В даному випадку, при відстані БГ , що дорівнює 80 м, ухил I буде дорівнювати:
.
Визначення дійсної швидкості руху підземних вод. Дійсну швидкість руху підземних вод можна визначити за допомогою солі, за допомогою красящої речовини, електричним способом, за допомогою ізотопів.
Визначення дійсної швидкості руху підземних вод за допомогою солі. Цей спосіб полягає в тому, що на деякій відстані від шурфу закладають спостережні свердловини, розташовуючи їх по колі з проміжками в 1-1,5 м для крупнозернистих пісків і 0,5-1 м – для дрібно- і середньозернистих. В тому випадку, коли напрям руху підземного потоку відомо, спостережні свердловини закладають за напрямом потоку нижче колодязя або свердловини і розташовують їх на тих же відстанях.
Перед початком досліду визначають вміст хлору у воді дослідної і спостережних свердловин. Після цього в дослідну свердловину вводять розчин солі, в котрому концентрація хлору значно більша, ніж в підземній воді. Відмічають час введення розчину в дослідну виробку, а потім через кожні 10 хвилин беруть проби води з спостережних свердловин і за допомогою азотнокислого срібла визначають в них вміст хлору (в результаті реакції між хлором і азотнокислим сріблом випадає добре помітний на око темно-сірий осад хлористого срібла). Якщо спостережні свердловини розташовані по колу, то свердловина, в котрій розчин повареної солі з’явиться раніше, і буде знаходитись за напрямком руху підземної води.
Встановивши напрям потоку, визначають дійсну швидкість u руху підземної води за формулою:
,
де l – відстань від дослідної свердловини до спостережної (розташованої за напрямком потоку),
T – час, що пройшов від введення розчину солі в дослідну свердловину до її появи в спостережній свердловині.
Для визначення величини T будують графік залежності вмісту хлору в підземній воді від часу. Для цього на осі ординат відкладають вміст хлору у воді спостережної свердловини в міліграмах на літр, а по осі абсцис – час спостережень в хвилинах або годинах (рис. 2.1.6). Побудувавши криву змін вмісту хлору, приймають величину T на перегині кривої А. В деяких керівництвах рекомендується за величину T приймати точку максимуму B, однак цей принцип не можна прийняти правильним.
Рисунок 2.1.6 – Графік проходження повареної солі між свердловинами
Визначення дійсної швидкості руху підземних вод за допомогою барвних речовин. Спосіб визначення дійсної швидкості підземного потоку за допомогою повареної солі не можна застосовувати в сильно засолених грунтах, де вміст хлору в підземній воді вище 500-600 мг/дм3, а також в тих випадках, коли нижній водотривкій шар, що підстеляє водоносний горизонт, має різкі нерівності, в котрих розчин повареної солі, що має більшу питому вагу, ніж ґрунтова вода, буде накопичуватись або уповільнювати рух. В цих випадках замість повареної солі потрібно застосовувати органічний барвник, присутність котрої у воді можна виявити при концентраціях до 1/1000000.
Найбільшою стійкістю в підземних водах з лужною реакцією, а також з вмістом органічних сполук володіє флюоресцеїн, що має в слабких концентраціях особливий зелено-жовтий колір. Підготовлюючи розчин флюоресцеїну, у воду добавляють невелику кількість їдкого натру або аміаку, щоби барвник краще розчинялася. При дослідних роботах рекомендується вводити у воду наступні кількості флюоресцеїну (на 1 м шляху фільтрації):
| При піщаних породах . . . . . . . . . . . . . . | 0,5 г |
| При супісках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 1,0 г |
| При глинистих породах . . . . . . . . . . . . . | 1,5 г |
| При тріщинуватих породах . . . . . . . . . . | 1,2 г |
| При закарстованих породах . . . . . . . . . | 0,6 г |
В підземні води, що мають кислу реакцію, слід замість флюоресцеїну в тих самих дозах вводити барвники: метиленову синьку, анілінову, синю або пунсо-червону.
Для визначення кількості карасячої речовини у воді спостережної свердловини користуються флюороскопом, котрий представляє собою набір скляних трубок з прозорого скла, закритих знизу чорними пробками. Ці трубки заповнюють розчинами флюоресцеїну різної концентрації (від 0,001 до 0,00000001) з таким розрахунком, щоб розчин флюоресцеїну малої концентрації мало відрізнявся б по забарвленню від чистої води. Через певний час з спостережної свердловини беруть проби води і, порівнюючи їх з еталонами флюороскопу, визначають концентрацію в них барвної речовини. Потім також, як і при дослідах з повареною сіллю, будують криву змін концентрації барвної речовини у воді спостережної свердловини і визначають швидкість руху підземних вод, беручи величину Т по точці перегину.
Визначення дійсної швидкості руху підземних вод електричним способом. По цьому способу в дослідну свердловину або колодязь вводять який-небудь електроліт (краще всього розчин хлористого амонію), а потім спостерігають за його появленням в спостережних свердловинах, визначаючи в них зміни електропровідності води. Для цієї мети користуються приладом, що складається з джерела струму, проводів і міліамперметра. Схема з’єднання приладу з обсадними трубами дослідної і спостережної свердловин показана на мал. 18 Спец гідро.
За даними вимірювань будують криву змін електропровідності води в спостережній свердловині, відкладаючи по осі ординат опір в міліомах аб