Способ определения средней скорости и расхода потока подземных вод Советский патент 1983 года по МПК G01V9/02 G01V9/00 

Изобретение относится к гидрогеологическим исследованиям и, в частности, .может быть использовано, при выборе участков захоронения вредных промышленных отходов.

Известен способ определения направления и скорости подземных водных потоков, состоящий в введении в вскрытый скважиной коллекторский горизонт сильного электролита (обычно поваренной моли) и одного из электродов установки постоянного тока. После этого по смещению во времени эквипотенциаль ных линий наведенного электрического поля судят о направлении и скорости Потока 1 . .

Однако такой способ применим

только при низкой минерализации вод, для оценки относительно больших скоростей и обладает невысокой точностью при наличии геологических неоднородностей среды.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения направления, скорости и расхода потоков подземных вод при помощи опытных откачек из скважин, согласно которому в скважинах определяют отметку зеркала вод и положение коллекторов, опускают в соответствующие интервалы фильтр

и насос и выполняют опытные откачки, в ходе которых измеряют дебит скважин, мощность коллектора, понижение воды в скважине, оценивают радиус ее влияния. Полученные оценки подставляют в соОтветствуквдие формулы для расчетов коэффициента фильтрации с учетом ее режима (напоррая, бёснапорная), соотношения между длиной фильтра и мощностью коллектора, положения скважины относительно водоема с открытой поверхностью воды. После этого, если известны, отметки напорной или депрессионной поверхностей, возможно расчетное определение направления и скорости фильтрации в данном коллекторе 2 .

Однако известный способ очень увствителен к локальным неоднородостям коллекторского пласта, коорые, наряду .с приближенным харакером зависимостей и неточностями ценок, обуславливают весьма, приблиенный ориентировочный характер этих пределений.

Целью изобретения является повыение точности исследований.

Поставленная цель достигается согласно способу определения средей скорости и расхода потока подземных вод, включающему бурение скважин, определение в них отметки ровня вод и опробование коллектореких горизонтов разреза, в пробах , вод измеряют содержания гелия и

трития, по глубинной кривой содержаний гелия в каждой скважине определяют отметку раздела между зонами фильтрации и диффузии и вычисляют .сечение потока и толщину пограничJHoro слоя, по токовой линии, проходящей через каждую скважину, определяют максимальное и минимальное сечения потока и расстояние вдоль линии между их отметками, по глубинной зависимости содержания трития определяют эффективный коэффициент диффузии и определяют среднюю скорость и расход потока по форму- i

Р,у.рЧик.п-Ь/8Ти

h/watsc

e-v-h,

где V - средняя скорасть потока} 0 расход потока

- эффективный коэффициент

диффузии/

П - сечение потока в скважинеJ 5 - толщина пограничного слоя; 25 L - расстояние между точками

с максимальным и минимальным сечениями потока,.измеренное вдоль линии тока}

0 Ь/иаис - максимальное сечение потока на данной токовой линии, HMVIH- минимальное сечение потока

на данной токовой линии; числовой параметр, определяемый из условия минимизации расхождения между фактически наблюдаемой глубинной кривой распределения гелия и теоретической зависимостью. 0 На фиг. 1 графически изображено распределение содержания гелия} на фиг. 2 - распределение содержания трития.

Способ базируется на следующих 5 теоретических предпосылках.

Вследствие гетеропористости среды и неньютонового Характера водных растворов в поровом пространстве существует поверхность, вдоль которой Q действующий градиент напора недостаточен для приведения жидкости в движение. Эта поверхность разделяет фильтрационную и диффузионную области. Первая из них в силу активного обновления представляет зону распространения атмосферного влияния в подземных водах и на большую часть своей мощности характеризуется фоновыми содержаниями гелия и трития, близкими и равновесными с воздухом. 0 Вторая зона - специфическая, складывающаяся в процессе преобразования захороненного в осадках вещества в условиях молекулярного обмена. В частности, в этой зоне вследствие 5 альфа -распада распределенных в ереле изотопов семейств урана и тория развиваются поля концентраций гелия Вследствие интенсивной диссипации . гелия из атмосферы область фильтра , ции представляет зону Ътока гелия,причем максимальный градиент глубин ной зависимости приурочен к поверхности раздела .между зонами. Линейный размер области мaкcимaл ной вертикальной изменчивости распределения концентраций гелия (диффузионного пограничного слоя) в зоне фильтрации тем меньше, чем вышескорость фильтрации, и тем больше; чем выше уоо.вень флюктуационного рассеяния, связанного с дисперсией потока и молекулярной диффузией в перовом растворе. Масштабы этого рассеяния могут быть оценены по глу бинным зависимостям содержаний три-тия в водах. Этот изотоп образуется в верхних слоях атмосферы в ядерных реакциях взаимодействия космических лучей с атомами элементов, входящих в ее состав, и перераспределяет ся в.соответствии с масштабами обме на, свойственными атмосфере и облас ти фильтрации подземной гидросферы Вблизи раздела между зонами вследст вие ограничения масштабов обмена имеет место резкое уменьшегЛ1е концентраций трития в водах, масштаб которого определяется соотношением, между постоянной его распада и уров нем флюктуационного рассеяния. Таким образом, по вертикальному распределению содержаний гелия в ка дой скважине могут быть определены: отметка раздела между зонами фильтрации и диффузии (по первому сверху перегибу кривой, который отмечается максимумом первой, производной глубинной зависимости гелия); сечение h потока (по разности между отметками уровня вод и раздела) , верхняя граница пограничного слоя области максимальной изменчивости в зоне фильтрации (по пересечению удвоенного фонового содержания гели с глубинной крийой); толщина пограничного слоя 8 (по разности отметок его верхней границы и раздел1а между зонами фильтрации и диффузии} По глубинной кривой содержаний трития может быть определен эффективный коэффициент диффузииР фф, характеризующий масштаб флюктуа- ционного рассеяния. Он оценивается по отношению постоянной распада трития к квадрату первой производной кривой его содержаний у отметки раздела между зонами фильтрации и диффузии. Эти данные -позволяют оценить величины, пропорциональные сре ней скорости и расходу фильтрации, в данной скважине. Коэффициент пропорциональности может быть найден следующим образом По данным об отметках уровней строят изолинии депрессионной поверхности I и ортогональные по отношению к ним линии тока, проходящие через исследуемые скважины и соединяющие точки максимального (на водоразделе) и минимального (на открытой поверхности воды) сечений потока hj,,., и Vl , соответственно.„Оценивают расстояние Ь между этими точками вдоль соответствующей токовой линии. Величина I- /Ol«a« Мин) есть искомый коэффициент пропорциональности, позволяющий рассчитать абсолютные оценки скорости и расхода потока вдоль соответствующей линии тока. Способ осуществляют следующим образом. На исследуемой территории проводят системы профилей скважин примерно вкрест простирания осевой линии водораздела. В каждой скважине определя(от отметку зеркала вод и положение коллекторских горизонтов разреза. В пробах воды из этих горизонтов известными способами определяют содержания гелия и трития. Полученные значения содержаний гелия и трития наносят на разрез у отметки отбора проб. .Последовательности аппроксимируют (или интерполируют); гладкими кривыми. Распределение содержаний гелия 1показано на фиг. 1 в виде последо вательности значений, зарегистрированных в пробах воды из соответствующих горизонтов, и представляет возрастающую с глубиной зависимость, содержащую прилегающий к поверхности участок замедленного нарастания (слабой зависимости от глубины), последующую область очень быстрого увеличения значений и область дальнейшего выполаживания кривой. На фиг. 1 .построены аппроксимирующая кривая 1 (сплошная линия) и наиболее близкая (по Шнимуму суммы квадратов расхождения) теоретическая зависимость 3 (пунктирная линия). Распределение содержаний трития (фиг. 2) включает прилегающий к поверхности зеркала участок относительно слабого уменьшения значений, переходящий в область быстрого убывания с глубиной до величин, лежащих за порогом чувствительности. По. аппроксимирующей (интерполяционной) кривой содержаний гелия стррят первую производную этой зависимости 2 (штрих-пунктирная линия). Отметка, к которой приурочен максимум первой производной, определяет положение нижней границы зоны фильтрации, а соответственно, интервал между отметками зеркала вод и найденной есть мощность зоны фильтрации h в вскрытом скважиной разрезе Отложений. Определяют толщину пограничного слоя- в вертикальном распределении содержаний гелия. Для этого оценивают среднее значение. Со, характеризующее участок прилегающего к no верхности зеркала замедленногонарастания кривой. Затем находят отметку, которой соответствует пересечение удвоенного значения найден го среднего с аппроксимирующей кривой глубинного распределения со держаний. Измеряют интервал между отметкой нижней границы зоны фильтрации и найденной отметкой и таки образом определяют значение толщины пограничного слоя о . С помощь интерационных процедур численными методами находят параметр k,. Вычисляют величины Qr(kM,|) )q2 9(kM«|-) : |Первая из них пропорциональна средшей скорости течения, вторая - расходу. Затем по аппроксимирующей (или интерполяционной) кривой последовательности содержаний трития у нижне границы области .фильтрации Ь определяют угловой коэффициент у - пер вую производную этой зависимости (фиг. 2) , По найденному значению уг лового коэффициента вычисляют коэффициент эффективной ДИФФУЗИИ в пограничном слое по формуле .где X 1,8Ю (с-) - постоянная р пада трития. Затем вычисляют величины Г- 1эфф( ,(ц„4ГНа плане расположения скважин по отметкам зеркала вод строят схему изопьез. Затем наэтот же план выносят соответствующие оценки и строят схему изолиний этого параметра ортогонально семейству изопьез. Находят точку пересечения каждой изолинии с контуром ближайшего открытого водоема и ближайшей максимальной отметкой зеркала на водоразделе и определяют длину этой линии (L между названными точками, а также максимальное на водоразделе) и минимальное .(у водоема) сечения потока /waifc WIIH . Вычисляют разность квадратов этих сечений Ьмо|| с ,H. Касательная к рассматриваемой изолинии в каждой ее точке, направленная в сторону водоема, определяет направление течения. 9Рэфу(имп Значение V П uavn AI макс мин определяет среднюю скорость фильтрации вдоль и30jfHНИИ. Семейства изопьез и линий равных расходов представляют сетку фильтрации. Величина Vh характеризует расход потока вдоль соответствующего направления.. Предлагаемый способ позволяет по сетке интегрированием расходов вдоль всех изолиний определить суммарный расход данной части,бассейна в зоне фильтрации и положения участков минимального и максимального расходов, по мощностям зоны фильтрации оценить стационарные запасы возобновляемых вод на территории исследований, а по отношению стационарных запасов к суммарному расходу оценить средний период обновления резервуара. Изобре гение позволяет определить допустимый уровень использования подземного резервуара, обоснованно проектировать системы водозаборов, определить области сброса промышленных и бытовых отходов и предусматривать природоохранные мероприятия.

-г

-4

-J

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ. СКОРОСТИ И РАСХОДА ПОТОКА ПОДЗЕМНЫХ ЮД, включающий бурение скважин, определение в них отметки уровня вод.и опробование коллекторских горизонтов разреза, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности исследований, в пробах вод измеряют .содержания гелия и трития, по глубинной зависимости содержания гелия в каяодой скважине, определяют отметку раздела между зонами фильтрации и диффузии и вычисляют сечение потока и толщину .пограничного слоя, на токовой линии проходящей через каждую скважину, Определяют мakcи лaльнoe и минимальное сечения потока и расс ояние вдоль линии между их отметками, по глубинной зависимости содержания трития определяют эффективный коэффициент диффузии и определяют сред нюю скорость и расход потока по фор-.g-P34 y(K,.h/g)L мулам h -U MOkc мин V.h, V средняя скорюсть потока; где g расход потока; 1)эсрч эффективный коэффициент диффузии; h сечение потока в скважине; S - толщина пограничного слоя; L расстояние между точкасл ми с максимальньш и минимальным ;Сечениями потока, измеренное вдоль ли,нии тока; максимальное сечение поЛакс тока на данной токовой линии; минимальное сечение пото мин ка на данной токовой линии; числовой параметр, опреСП деляемый из условия ми00 нимизации расхождения о мезкду фактически наблюдаемой глубинной кривой 4:; распределения гелия и со теоретической зависимостью