CC BY
54
УДК 556.182
Р.С. Штенгелов1, Е.А. Филимонова2, И.С. Шубин3
ОБРАБОТКА ОТКАЧКИ ИЗ НАПОРНОГО ВОДОНОСНОГО ГОРИЗОНТА ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ДЕБИТЕ И АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ4
Рассмотрены проблемы, возникающие при интерпретации данных длительных асинхронных опытно-эксплуатационных опробований с учетом колебаний атмосферного давления. Для Удомельского месторождения подземных вод рассчитаны барометрическая эффективность и поправки к фактическим понижениям уровней, проанализированы диагностические признаки пространственно-временного развития депрессионной воронки. Полученные гидрогеодинамические параметры служат основой для калибрации математической модели месторождения и прогнозирования периодического компенсационного водоотбора для подпитки озер-охладителей Калининской АЭС.
Ключевые слова: опытно-эксплуатационная откачка, барометрическая эффективность, асинхронный режим дебита, алексинско-протвинский водоносный горизонт, верейские глины.
Interpretation problems of long-term anisochronous multi-well pumping test under oscillating atmosphere pressure is analyzed. The barometric efficiency and corrections of measured drawdowns are calculated to Udomlya groundwater basin, evaluation of space and temporal moving of depression cone is investigated. Obtained hydraulic parameters is used for numerical model of groundwater basin and forecasting of periodical compensation wells pumping for recharge lake-coolers of Kalininskaya Nuclear Power Plant.
Key words: pumping test, barometric efficiency, anisochronous schedule of pumping rate, aleksinsko-protvinskiy aquifer, vereiskiy aquitard.
Введение. Опытно-эксплуатационное опробование (ОЭО) — основной метод оценки запасов месторождений подземных вод с высокой степенью сложности гидрогеологических условий, обусловленных хаотической фильтрационной неоднородностью трещинно-карстовых коллекторов и проявлением процессов взаимодействия горизонтов в пластовых водоносных системах. Оно предпринимается с целью общей диагностики расчетной схемы месторождения, получения количественных показателей для прогнозных расчетов гидравлическим методом и постановки эпигнозных (обратных) задач. Значительная продолжительность и высокая производительность ОЭО, которая приближается к заявленной потребности, приводят к формированию обширной области влияния, что позволяет диагностировать макронеоднородности фильтрационных свойств коллектора, проявление действия удаленных граничных условий и длительно протекающих балансово-гидрогеодинамических процессов.
Достоверность и достаточность результатов ОЭО зависят как от обоснования условий постановки (число и расстановка наблюдательных скважин в плане и в разрезе, необходимые дли-
тельность и интенсивность откачки, детальность выполнения замеров и др.), так и от методики обработки опытных данных, учитывающей природные и технологические факторы, которые неизбежно проявляются в ходе длительного опыта и влияют на положение уровней подземных вод. Устранение влияния этих факторов и вычленение собственно понижения уровней — методически сложная задача, комплексного решения которой не существует. Если некоторые из этих факторов (например, целенаправленное или случайное изменение дебита, режим действующих соседних водозаборов, изменчивость атмосферного давления) можно количественно устранить относительно корректно, то многие природные процессы (сезонные изменения питания водоносной системы, гидрологический режим и др.) могут быть учтены, как правило, лишь на качественном уровне.
Некоторые проблемы диагностики и обработки данных рассмотрим ниже на примере группового ОЭО на Удомельском месторождении подземных вод.
Объект исследования. В гидрогеологическом разрезе Удомельского месторождения подземных вод, расположенного в западной части Москов-
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, докт. геол.-минерал. н., профессор; e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, канд. геол.-минерал. н., ст. науч. с.; e-mail: [email protected]
3 ЗАО «ГИДЭК», гидрогеолог; e-mail: [email protected]
4 Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 16-17-10187).
ского артезианского бассейна, выделяются водоносный комплекс в четвертичных отложениях; водоносный каширско-мячковский терригенно-карбонатный горизонт; слабопроницаемый верейский тер-ригенный горизонт; водоносный алексинско-протвинский терри-генно-карбонатный горизонт.
Подробная геолого-гидрогеологическая характеристика Удомельского месторождения приведена в [Беляков, 2011, Болгов..., 2012]. Разведочные работы на месторождении с 1969 г. связаны с проектированием, строительством и эксплуатацией Калининской АЭС. В 2001-2004 гг. для целей резервного технического водоснабжения АЭС сотрудниками компании ЗАО «ГИДЭК» (Б.В. Боревский, А.М. Просеков, И.Б. Колотов) оценены запасы подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта (50,4 тыс. м3/ сут, из них на участке «Елманова Горка» 25,2 тыс. м3/сут). Расчеты выполнены на специально разработанной численной геофильтрационной модели с обоснованием минимального ущерба поверхностному стоку. В 2010-2013 гг. силами ЗАО «ГИДЭК» (Б.В. Боревский, М.В. Беляков) проведена переоценка запасов подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта на участке «Елманова Горка», которые составили 57,7 тыс. м3/сут. В составе этих работ выполнена групповая опытно-эксплуатационная откачка, результаты которой рассмотрим ниже.
Уточнение расчетной фильтрационной схемы и запасов Удомельского месторождения подземных вод потребовалось в связи с увеличением мощности АЭС и возникшей проблемой увеличения температуры воды и потерь на испарение с акватории озер-охладителей Песьво и Удомля, для пополнения которых необходим дополнительный источник подпитки. Дефицит ресурсов поверхностных вод предлагается компенсировать за счет периодической кратковременной эксплуатации подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта на водозаборном участке «Елманова горка» [Беляков, 2011; Болгов и др., 2012].
Условия проведения групповой опытно-эксплуатационной откачки. Компенсационный водозабор предполагается разместить на берегу оз. Котемля (рис. 1). Групповая опытно-эксплуатационная откачка (ГОЭО) проводилась в 2012 г. в два этапа — в периоды зимней (20.03-23.04, 34 суток) и летней (21.06-4.10, 105 суток) межени. В опыте участвовали два водозаборных узла (ВЗУ), включающих
Рис. 1. Обзорная карта района проведения ГОЭО на Удомельском месторождении подземных вод. Цифры у пунктов наблюдения — конечное понижение уровня на летнем этапе, в скобках — абсолютная отметка пониженного уровня
4 эксплуатационных и наблюдательную скважину глубиной в среднем 180 м. Режим откачки на обоих этапах асинхронный; диапазон изменения суммарного дебита на зимнем этапе составил 13 520— 27 270 м3/сут, на летнем — 20 640-46 080 м3/сут. При снижении и восстановлении уровней проводились непрерывные автоматические наблюдения за дебитом и уровнями в эксплуатационных и наблюдательных скважинах в деревнях Лайково (5000 м от опытного куста), Пальцево (9000 м), Стан (10500 м), Порожки (13000 м) (рис. 1). Дебит и уровни измеряли каждые 2 часа, атмосферного давления — 3 раза в сутки.
Анализ и корректировка данных ГОЭО. Первичная диагностика опытных данных проводится по графикам временного прослеживания для обоих этапов ГОЭО, а также по данным режимных наблюдений в предшествующий период преимущественно ненарушенного уровенного режима. Во всех случаях графики имеют пилообразную форму с амплитудой колебаний 5-10 см и более (при величине понижений при ГОЭО около 1 м). Возможными причинами наблюдаемых осцилляций уровня могут быть:
- изменчивость дебита городского водозабора г. Удомля, эксплуатирующего вышезалегающий (над верейскими глинами) каширско-мячковский водоносный горизонт; однако при значительном удалении наблюдательных пунктов (5 км и более) этот фактор вряд ли может вызывать подобную реакцию в смежном алексинско-протвинском горизонте;
— влияние частых изменений атмосферного давления на положение уровня подземных вод в открытых скважинах;
— колебания суммарного дебита ГОЭО, однако они имеют скачкообразный характер и не могут приводить к постоянным волнообразным осцилляциям уровней. В периоды практически постоянного дебита подобные колебания уровней сохраняются.
Таким образом, наиболее вероятной причиной периодических малоамплитудных колебаний уровней можно предположить изменчивость атмосферного давления.
Введение поправки на изменения атмосферного давления. Необходимость учитывать изменчивость атмосферного давления в ходе ГОЭО диктуется малыми величинами (и низким темпом соответственно) понижения уровней. В таких условиях даже ординарные изменения атмосферного давления могут спровоцировать существенные диагностические ошибки, например, его монотонное снижение на 10—20 мм в течение 5—10 сут заметно задерживает темп понижения уровней, что может быть ошибочно диагностировано как наступление ложностационарного режима фильтрации.
Связь между колебаниями атмосферного давления и положением уровней подземных вод исследовали Н.Н. Биндеман, Ч. Джейкоб, В.М. Ше-стаков, В.С. Ковалевский и др. Обзор различных моделей этого явления подробно освещен в работе [Волейшо, 1984]. Согласно «гидрогеостатической» модели в стволе открытой скважины атмосферное давление полностью передается на уровень воды, а в водоносном пласте распределяется между по-ровой водой и скелетом водовмещающей породы, т.е. часть его изменения расходуется на уплотнение/разуплотнение породы. Таким образом, часть давления, приложенного к уровню воды в скважине, по отношению к водоносному горизонту оказывается неуравновешенной, и уровень воды в скважине понижается/повышается в соответствии с величиной давления, воспринимаемой скелетом водовмещающей породы. Количественно эта взаимосвязь выражается уравнением:
ßAP
Т|* = -
АН =
(1)
ßV
|i* = /иГ|*; а = -
km ц*!
(2)
где п — пористость, k — коэффициент фильтрации водовмещающих отложений, m — мощность водоносного горизонта, Ew — модуль упругого сжатия воды.
По натурным наблюдениям диапазон барометрической эффективности для напорных водоносных горизонтов составляет от 0,20 до 0,95, а наименьшие погрешности оценки емкостных параметров по формулам (2) получаются при в~0,5 [Волейшо, 1984].
Оценка влияния атмосферного давления на уровень подземных вод выполнена для пунктов Лайково, Стан и Порожки за период 03.2011— 01.2012, предшествующий ГОЭО и характеризующийся отсутствием иных режимообразующих факторов природного или техногенного характера (за исключением отдельных интервалов активного режима при проведении пробных откачек.) Диапазон колебаний атмосферного давления за этот период (по метеостанции г. Удомля) составил 721—774 мм рт.ст., а колебание уровней алексинско-протвинского горизонта — ~0,5 м.
Барометрическая эффективность оценена по величине углового коэффициента С на графиках в координатах AH—AP. В соответствии с формулой (1) барометрическая эффективность равна (в согласованных размерностях)
ß = YC.
(3)
где AP — амплитуда изменения атмосферного давления, AH — соответствующее изменение уровня подземных вод в скважине, в — барометрическая эффективность, у — объемный вес воды (для пресных вод равен 1 г/см3).
Барометрическая эффективность (в) характеризует упругие свойства водоносного пласта и степень изоляции его от атмосферы и позволяет рассчитать упругоемкость водовмещающих пород (п*), упругую водоотдачу пласта (ц*) и пьезопро-водность водоносного горизонта (а) [Ковалевский, 1986]:
Для всех указанных пунктов наблюдения фактическая совокупность наблюдений уверенно аппроксимируется прямой линией с высокой степенью корреляции и незначительным средне-квадратическим отклонением (рис. 2, табл. 1). Полученные значения барометрической эффективности для всех пунктов практически совпадают (в среднем в = 0,4333). Согласно литературным данным [Волейшо, 1984], такое значение свидетельствует об изолированности водоносного горизонта при относительно небольшой глубине залегания, что соответствует условиям залегания алексинско-протвинского горизонта в гидрогеологическом разрезе Удомельского месторождения.
Таблица 1
Результаты режимных пьезобарометрических наблюдений
Пункты наблюдения Барометрическая эффективность, ß Коэф-фи-циент корреляции Среднеквадра-тическое отклонение, м С, м/мм
Лайково 0,4366 -0,965 0,0085 -0,00594
Стан 0,4353 -0,946 0,0105 -0,00592
Порожки 0,4280 -0,963 0,0093 -0,00582
Среднее 0,4333 -0,958 0,0094 -0,0059
Оценка емкостных свойств алек-синско-протвинских известняков по уравнениям (2) возможна лишь в обобщенном виде в связи с площадной неоднородностью фильтрационных свойств и неопределенностью параметров трещинной пустотности. При характерном для трещинно-карстового коллектора значении п = 0,05, мощности горизонта т=70 м и осредненной проводимости пласта кт=14 000^15 000 м2/сут упру-гоемкость водовмещающих известняков составляет п*=5,2-10-7 м-1, упругая водоотдача пласта — ц*=3,6-10-5, а пьезопро-водность — 3,8-108 м2/сут.
При практических расчетах уровен-ных поправок на изменения атмосферного давления удобнее пользоваться регрессионной связью АН и ДР с размерностью давления мм рт. ст. Для Удомельского месторождения свободным членом регрессии можно пренебречь в силу его малости (0,0003 м); среднее значение углового коэффициента С = -0,0059 м/мм (табл. 1).
Для периода естественного режима барометрическая поправка вводится на величины напоров (абсолютная отметка уровня):
Н = Н0 - С ■ ДР, (4)
где Н — скорректированное значение напора, Н0
— фактически наблюденное значение напора, ДР рассчитывается как разность со значением атмосферного давления на некоторый условный начальный момент.
При введении барометрической поправки в значительной степени нивелируются вышеупомянутые осцилляции уровней; остаточные величины не превышают 1-2 см и связаны, скорее всего, с методическими погрешностями оценки барометрической эффективности.
Для периода ГОЭО (рис. 3) значения понижений <5, откорректированных с учетом изменений атмосферного давления, определяются по формуле
5 = 5° + С ■ ДР, (5)
где 5° — фактически наблюденное понижение, ДР рассчитывается как разность со значением атмосферного давления на момент пуска откачки (табл. 2).
Введение поправки на асинхронный режим дебита. В течение зимнего этапа ГОЭО дебит изменяли в две ступени, в течение летнего — дебит изменялся несколько раз при включении/выключении разных скважин. Расстояния до пунктов наблюдения (5000-13000 м) значительно больше размеров площади расположения возмущающих скважин (около 350 м), поэтому введение поправки на асинхронный режим дебита можно осуществить по методу сосредоточенного скачкообразного
Рис. 2. График зависимости уровня подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта АН от атмосферного давления AP (наблюдательный пункт Лайково)
Рис. 3. Фактически наблюдаемые и откорректированные (с поправкой на изменения атмосферного давления) понижения уровня алексинско-протвинского водоносного горизонта (наблюдательный пункт Лайково)
Таблица 2
Основные показатели расчета барометрической поправки
Этап ГОЭО Атмосферное давление, мм рт. ст. Поправка, м
начальное максимум минимум максимум минимум
Зимний 732,2 749,9 727,4 0,028 -0,104
Восстановление 741,9 754,9 739,5 0,014 -0,077
Летний 747,9 754,5 734,1 0,081 -0,039
Рис. 4. Временное прослеживание снижения и восстановления уровней (по центральной скважине № 6 и наблюдательной скважине № 8) и суммарного дебита на зимнем этапе ГОЭО
возмущения [Боревский..., 1979], основанного на преобразовании уравнения Тейса-Джейкоба:
Ф =
0,183, 2,25Ш,
пр
пр
а ± Ай -¿2) ±... ± 1е(г - О &
(6)
(7)
где ф=5/0п — удельное понижение; 0п — суммарный дебит на п-й ступени изменения дебита; Д0=0+1 — 0, 12...п — время начала соответствующих ступеней; I — текущее время от начала опыта; 1пр — приведенное время.
Учитывая, что ежесуточные колебания дебита в ходе обоих этапов ГОЭО составляли 2-5% (эпизодически до 25-30%), приводка времени выполнена с длительностью ступеней 1 сут. Для устранения кратковременных колебаний и более четкого выявления закономерностей поведения уровней было выполнено линейное сглаживание временных графиков прослеживания (по 5 точкам).
Диагностика откорректированных данных ГОЭО. Диагностика откорректированных (с учетом изменения атмосферного давления и дебита) данных обоих этапов опытно-эксплуатационного опробования проводится путем комплексного анализа графиков временного, комбинированного
и площадного прослеживания понижения и восстановления уровней в центральных и наблюдательных скважинах.
Центральные и наблюдательные скважины в составе ВЗУ. На зимнем этапе во всех центральных скважинах в течение первых 0,5-1,5 мин наблюдается скачок уровня от 2 до 6 м (рис. 4, табл. 3), свидетельствующий о несовершенстве при-скважинной зоны, несмотря на то что скважины в рабочем интервале имеют открытый ствол. После этого графики прослеживания резко выполажива-ются (рис. 4, участок а) и лишь через 4-5 ч начинается постепенное возрастание их крутизны (рис. 4, участок б), сохраняющееся примерно до 10 сут, после чего происходит практическая стабилизация уровней (рис. 4, участок в). Эти общие тенденции осложнены несистематическими колебаниями уровней на 0,2-0,3 м, не сопоставляющимися с изменениями дебита и вызванными, вероятно, внешними режимообразующими воздействиями.
Аналогичная форма кривых прослеживания подтверждается и по наблюдательной скважине № 8 (рис. 4).
Учитывая практически мгновенное наступление квазистационарного режима (не более 1-2 мин даже для наблюдательной скважины № 8, удаленной на 300 м от площадки центральных скважин № 5 и 6), можно предположить две равноправные причины существования пологого участка а: 1) он может быть обусловлен проявлением эффекта «двойной пористости», свойственного трещинно-карстовым коллекторам («трещинно-трещинная» среда [Боревский..., 1979]); 2) он может характеризовать чрезвычайно высокую проводимость пласта в зоне расположения опытного куста, а последующее монотонное возрастание уклона графика свидетельствует об ограниченности этой зоны и ухудшении фильтрационных свойств пласта в основной части месторождения.
На летнем этапе ГОЭО форма графиков прослеживания понижений и восстановления не противоречит описанному для зимнего этапа, но здесь не иллюстрируется в связи со сложным незакономерным режимом откачки.
Удаленные наблюдательные скважины. Графики временного прослеживания для всех этапов сниже-
Таблица 3
Данные по скважинам в составе ВЗУ (зимний этап)
Номер скважины Средний дебит, м3/сут Конечное понижение, м Величина скачка уровня, м
3 (центральная) 6765 6,40 ~6
4 (центральная) 6815 2,90 ~2
5 (центральная) 7035 3,50 ~3
6 (центральная) 6720 3,70 ~3
8 (наблюдательная) - 0,70 -
ния и восстановления уровней в удаленных наблюдательных скважинах близки по форме (рис. 5, табл. 4), что позволяет говорить о единообразии факторов, обусловливающих пространственно-временное развитие воронки депрессии. Характерна чрезвычайно быстрая реакция наблюдательных скважин на возмущение (2—4 ч при расстоянии более 5 км), что свидетельствует об очень высокой пьезопроводности, которая обусловлена высокой проводимостью и незначительной трещинно-карстовой пустотностью известняков.
На графиках временного прослеживания удельных понижений ф — на летнем, более продолжительном этапе выделяются три основных периода (рис. 5):
I — после наступления квазистационарного режима во всех скважинах темп снижения несколько возрастает, но уже к концу первых суток наблюдается выход на практически прямолинейный участок, устойчиво сохраняющийся до 10 сут;
II — далее происходит достаточно ясно выраженное (особенно для ближних скважин) замедление темпа снижения, устойчиво продолжающееся до 50 сут;
III — на завершающей стадии летней откачки вновь происходит возрастание темпа снижения. Оно выражено не вполне отчетливо, поскольку осложнено разнонаправленными колебаниями уровней, связанными, по-видимому, с естественными режимными процессами в августе—сентябре 2012 г. По этой же причине недостаточно подтверждается и выполаживание графиков перед окончанием откачки.
Таблица 4 Данные по удаленным наблюдательным скважинам
Пункт, г, м Время наступления квазистационарного режима Конечные понижения
зимний этап летний этап
г 18 t 5, м ф, сут/м2 5, м ф, сут/м2
Лайково, 5000 м 4 ч -0,8 0,49 1,81-10-5 0,89 2,77-10-5
Пальцево, 9000 м 12 ч -0,3 0,66 2,44-10-5 0,99 3,05-10-5
Стан, 10 500 м 17 ч -0,15 0,51 1,87-10-5 0,90 2,80-10-5
Порожки, 13 000 м 1,1 сут 0,05 0,48 1,78-10-5 1,06 3,30-10-5
* При пьезопроводности 3,8-10° м2/сут (по данным пье-зобарометрических наблюдений).
Рис. 5. ВременнОе прослеживание удельных понижений в наблюдательных скважинах на летнем этапе ГОЭО
На зимнем этапе ГОЭО в целом подтверждается выделение участков I и II, однако временное прослеживание также существенно осложнено режимными колебаниями уровней (конец марта-апрель 2012 г.), наличие которых отчетливо видно при синхронизированном сопоставлении временного прослеживания на зимнем и летнем этапах опробования и при восстановлении уровней после зимнего этапа (рис. 6).
Площадное прослеживание на обоих этапах ГОЭО критически деформировано (табл. 4). Можно предполагать две основные природные причины, обусловливающие незакономерное площадное распределение единовременных понижений уровня:
1) существенная фильтрационная макронеоднородность коллектора в области, охваченной депрессией уровней. В зонах с относительно невысокой проводимостью понижение уровней отстает во времени и при равных радиальных координатах меньше, чем в смежных зонах с более высокой проводимостью. В частности, понижение уровня в наиболее близком пункте наблюдения Лайко-во меньше, чем в остальных, значительно более
Рис. 6. Сопоставление режимов временнОго прослеживания удельных по нижений по наблюдательному пункту Лайково
удаленных пунктах, что позволяет предполагать здесь пониженную проводимость по сравнению с остальной областью месторождения;
2) другой вероятной причиной может быть проявление естественных режимных процессов, различающихся по интенсивности в разных частях области. Так, например, в пункте Порожки конечное понижение на зимнем этапе меньше, чем во всех остальных, а на летнем этапе, напротив, самое высокое (табл. 4).
Существование фильтрационной макронеоднородности подтверждается «гребенчатым» расслоением графика комбинированного прослеживания — чем больше радиальная координата точки наблюдения, тем больше ее график сдвинут влево по оси абсцисс (рис. 7). Такой вид комбинированного прослеживания — характерный признак существования крупных зон пониженной проводимости в области влияния откачки [Максимова, Штенгелов, 2003]. Можно полагать, что пониженная проводимость пласта существует в восточном направлении, где наблюдаются аномально низкие понижения при малых радиальных координатах (пункт Лайково).
Рис. 7. Комбинированное прослеживание понижений на зимнем этапе ГОЭО
По совокупности рассмотренных диагностических признаков представляется возможным сделать следующие выводы:
1) алексинско-протвинский водоносный горизонт в области Удомельского месторождения, охваченной де-прессионной воронкой ГОЭО, обладает значимой фильтрационной макронеоднородностью;
2) наибольшей проводимостью обладает участок расположения разведочно-эксплуатационных скважин и зона на западе от него;
3) уменьшение проводимости происходит при погружении водоносного горизонта в восточном направлении;
4) на начальной стадии откачки (около 0,5 сут) проявляется эффект «двойной пористости», задерживающий развитие понижений в опытных скважинах;
5) интегральный темп снижения уровней на участке I, устанавливающийся через 1,5—2 сут, отвечает обобщенным параметрам алексинско-протвинского водоносного горизонта в области депрессии;
6) участок II (в интервале 10—50 сут) можно квалифицировать как зону ложностационарного режима, вызванного началом взаимодействия с вышележащим каширско-мячковским напорным водоносным горизонтом через верейские глины;
7) участок III предположительно отвечает совместному снижению уровней алексинско-протвинского и каширско-мячковского горизонтов, однако в силу малых абсолютных величин понижений на этом участке (не более 0,2 м) и вероятного проявления естественных режимных процессов надежное инструментальное фиксирование взаимодействия водоносных горизонтов проблематично.
Оценка гидрогеодинамических параметров по данным ГОЭО. Исходя из диагностических выводов по данным ГОЭО для количественной идентификации доступны параметры проводимости алексинско-протвинского водоносного горизонта (в зоне ВЗУ и в обобщенном виде для области месторождения), а также параметры его взаимодействия с каширско-мячковским горизонтом.
Проводимость алексинско-протвинского горизонта в зоне ВЗУ идентифицируется неоднозначно. Если исходить из модели однородной трещинной среды, то расчетным для наблюдательной скважины № 8 следует принимать участок 1 (рис. 4), уклон которого отвечает проводимости около 100— 105 тыс. м2/сут. Тогда участок 2 (рис. 4) соответствует постепенному выходу воронки в основную область месторождения с существенно меньшей проводимостью. Если же участок 1 рассматривать как ложностационарный в «трещинно-трещинной»
среде, то проводимость зоны ВЗУ следует оценивать по уклону участка 2 — 30—32 тыс. м2/сут. Эта оценка представляется более вероятной, поскольку согласуется с ориентировочной (за вычетом начального скачка уровней) величиной удельного дебита около 15—20 тыс. м2/сут для скважин № 5, 6.
Уклон графика на участке 3 (рис. 4) в любом случае отвечает уже обобщенной проводимости области месторождения 12,5 тыс. м2/сут.
Обработка временного прослеживания в удаленных наблюдательных скважинах выполнена для участков I и II по расчетной схеме неограниченного напорного пласта с перетеканием при постоянном уровне в смежном пласте методом билогарифмической эталонной кривой (рис. 8), позволяющим оценить обобщенную проводимость и пьезопроводность алексинско-протвинского водоносного горизонта и фактор перетекания для разделяющей верейской толщи. Результаты оценок для всех этапов ГОЭО представлены в табл. 5. Значения обобщенной для области месторождения проводимости имеют порядок Т = «-104 м2/сут при генеральном среднем 11 720 м2/сут. Максимальные значения фиксируются для пункта Лайково, минимальные — для пунктов Пальцево и Стан. Такое различие оценок (на 25—30%) косвенно подтверждает предположение о пониженной проводимости в сторону пункта Лайково, поскольку при нарушении предпосылки о равномерно-радиальном притоке в условиях крупных зон неоднородности создается обратный эффект — по наблюдательным скважинам в зонах с низкой проводимостью ее величина получается формально завышенной, а по скважинам в зонах с высокой проводимостью, наоборот, заниженной. То же относится и к величине упругой водоотдачи (генеральное среднее 1*=2,7-10-4), поскольку депрессионная воронка в зонах пониженной проводимости развивается медленнее, что создает ложный эффект низкой пьезопроводности.
Фильтрационные свойства разделяющего слоя верейских глин оцениваются по величине фактора перетекания В:
что при средней мощности т0 = 20 м дает значение обобщенного коэффициента фильтрации — К0 = = 1,7-10-4 м/сут.
Выводы. 1. Опыт проведения группового опытно-эксплуатационного опробования на Удомельском месторождении подземных вод подтверждает существование известных методических и технических сложностей, значительно снижающих достоверность диагностики и идентификации параметров опробуемой водоносной системы.
2. Даже при опробовании относительно глубоко залегающих межпластовых водоносных горизонтов принципиальное значение для диагностики
Таблица 5 Результаты оценки гидрогеодинамических параметров
Этап Т, м2/сут В, м К>, м/сут а, м2/сут 1*
Лайково
Зимний 14 850 12 290 34 620 31 870 2,5-10-4 2,4-10-4 2,1-107 2,0-10' 7,1-10-4 6,1-10-4
Летний (снижение) 15 290 33 290 2,8-10-4 3,4-107 4,5-10-4
Среднее 14 145 33 260 2,6-10-4 2,5-107 5,9-10-4
Пальцево
Зимний 10 090 11 010 36 000 45 000 1,6-10-4 1,1-10-4 2,9-107 4,5-107 3.4-10-4 2.5-10-4
Летний (снижение) 11 210 33 825 2,0-10-4 6,6-107 1,7-10-4
Среднее 10 770 38 275 1,6-10-4 4,7-107 2,5-10-4
Стан
Зимний 10 670 10 230 31 780 32 660 2,1-10-4 1,9-10-4 5,2-107 4,4-107 2,1-10-4 2,3-10-4
Летний (снижение) 11 120 30 550 2,4-10-4 5,6-107 2,0-10-4
Среднее 10 670 31 660 2,1-10-4 5,1-107 1,5-10-4
Порожки
Зимний 11 860 12 070 36 890 60 945 1,7-10-4 6,5-10-5 1,2-108 7,4-107 9,9-10-5 1,6-10-4
Летний (снижение) 11 920 51 990 8,8-10-5 1,1-108 1,1-10-4
Среднее 11 950 49 940 1,1-10-4 1,0-108 1,2-10-4
Генеральное среднее* 11 720 36 790 1,7-10-4 5,3-107 2,7-10-4
Примечания. Над чертой — снижение, под чертой — восстановление. *За вычетом пары экстремальных значений.
опытных данных имеют проявления внешних природных и техногенных режимообразующих факторов. Особенно важно это при длительных опытах и при небольших понижениях уровня в высокопроницаемых коллекторах (в первую очередь в трещинно-карстовых). Количественный учет этих обстоятельств возможен путем введения поправок на основе парных и множественных корреляционных связей, что в методическом смысле требует существенного расширения временных границ опыта, охватывающих разные гидрометеорологические сезоны до и после завершения ОЭО, и проведения комплексных режимных наблюдений за метеоэлементами и уровнями в опробуемом и смежных горизонтах, на гидропостах и ближайших действующих водозаборах.
3. Временно е прослеживание понижений весьма чувствительно к незакономерным разнонаправленным колебаниям дебита. Существующие приемы расчета приведенного времени основаны на квазистационарном решении (уравнения 6—7). Поэтому для удаленных скважин, в которых время наступления квазистационара больше длительно-
а
-1,5
-3,0
И о
Ig АН
Рис. 8. Оценка параметров методом билогарифмической эталонной кривой (наблюдательный пункт Стан): а — снижение на зимнем этапе, б — восстановление после зимнего этапа, в — снижение на летнем этапе
сти периодов колебания дебита, использование приведенного времени приводит к хаотическому нарушению временного прослеживания. Необходимы надежное техническое обеспечение постоянства дебита и четкая фиксация моментов его изменения при ступенчатом опробовании.
4. Использование «обобщенных» параметров в макронеоднородных и/или гетерогенных коллекторах может приводить к значительным погрешностям прогнозных расчетов понижений в центральных скважинах, поскольку при этом не учитываются локальные процессы в ближайшей области. Так, теоретический расчет понижения в скважине № 6 на время 2 сут во время зимнего этапа с использованием обобщенных для всей области параметров проводимости и пьезопроводности (табл. 5) дает величину около 1,7 м при фактически наблюдаемой не более 0,35-0,4 м (за вычетом начального скачка уровня, табл. 3); такая разность параметров определяется фактической длительной задержкой понижения на ложностационарном этапе.
5. Прогноз неравномерной работы компенсационного водозабора по периодическому диспетчерскому графику [Болтов..., 2012] на участке «Елманова Горка» будет выполняться с использованием гидрогеодинамического
моделирования. Результаты выполненного ГОЭО дают основу для постановки на разрабатываемой модели обратной калибрационной задачи с использованием предварительного значения параметра перетекания через верейские глины (х0~8,5- 10-6 сут-1) и данных временного прослеживания в наблюдательных скважинах как индикаторов согласования при подборе фильтрационной макронеоднородности алексинско-протвинского водоносного горизонта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Беляков М.В. Влияние отбора подземных вод для подпитки озер-охладителей реакторных блоков Калининской АЭС на изменение их водного баланса // Геоэкология. 2011. № 3. С. 254-264.
Болгов М.В., Штенгелов Р.С., Маслов А.А., Филимонова Е.А. Оценка эффективности комбинированного использования поверхностных и подземных вод для технического водоснабжения Калининской АЭС // Водные ресурсы. 2012. № 2. С. 218-226.
Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. 2-е изд. М.: Недра, 1979. 326 с.
Волейшо В.О. Гидрогеологическая реакция подземных вод на проявления внешних природных сил атмосферного давления, океанических и земных приливов // Гидрогеология и инженерная геология. М.: ВИЭМС, 1984. 57 с.
Ковалевский В.С. Исследования режима подземных вод в связи с их эксплуатацией. М.: Недра, 1986. 198 с.
Максимова Е.С., Штенгелов Р.С. Диагностика и интерпретация опытно-фильтрационного опробования полосообразных водоносных пластов // Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование. М.: Изд-во РУДН, 2003. С. 325-341.
Поступила в редакцию 01.03.2017
