Балансовая структура (источники формирования) ЭЗ подземных вод (стр. 1 из 2)
Р.С. Штенгелов
Это - один из важнейших смысловых вопросов при оценке ЭЗ; необходимость его изучения специально оговаривается в нормативно- методических документах. Для чего ?
- Правильное балансовое понимание гидрогеологических условий позволяет избежать логических, формальных ошибок при выборе расчетных формул, схем, при построении расчетных моделей...
- Для обоснованной ориентации разведочных работ на те параметры и процессы, которые имеют основное балансовое значение на конкретном месторождении
- Для расчетов качества подземных вод - нужны долевые составляющие расхода для расчетов химического смешения
- То же - для оценки экологических последствий водоотбора.
Проблема очень непростая, так как чаще всего невозможны прямые полевые измерения; необходимо очень ясное понимание общей гидрогеологической ситуации и балансово-гидродинамических механизмов при естественном и нарушенном режиме фильтрации.
Основные теоретические представления
ДО ЭКСПЛУАТАЦИИ: среднегодовой баланс водоносного горизонта (с осредненными сезонными колебаниями и потому - с некоторым постоянным объемом воды в пласте): объем притока за счет всех видов питания равен объему оттока за счет всех видов разгрузки
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ: водоотбор - новая расходная статья баланса (искусственная разгрузка). Поэтому после включения водозабора начинает формироваться (в полном соответствии с законами систем материального мира) новое равновесное балансовое состояние, т.е. происходят количественные изменения естественных балансовых процессов, стремящиеся компенсировать возникший за счет водоотбора дисбаланс. В совокупности эти изменения таковы:
- уменьшается объем воды в пласте на величину
, так как обязательно (по законам гидрогеодинамики) должна образоваться депрессионная воронка;- может увеличиться суммарный расход питания до величины
;- может уменьшиться суммарный расход разгрузки до величины
.Почему питание увеличивается, а разгрузка уменьшается ?
- Если питание имеет "потенциальный" характер, т.е. происходит под действием разности напоров (перетекание из смежного горизонта, приток из рек), то при эксплуатационном понижении уровней разность напоров может только увеличиваться.
- Если питание имеет инфильтрационный характер, то при понижении свободной поверхности инфильтрация тоже возрастает (до некоторого предела), так как уменьшается испарение.
- Если естественная разгрузка происходит с некоторой разностью напоров на дренирующей границе (разгрузка в русла рек, водоемы, восходящими родниками...), то при эксплуатационном понижении напоров эта разность уменьшается - следовательно, уменьшается и расход разгрузки.
- Если разгрузка происходит путем испарения, то при эксплуатационном понижении свободной поверхности величина испарения всегда уменьшается.
Терминологическое замечание: процесс уменьшения естественной разгрузки при эксплуатации будем называть инверсией; она может быть частичной или полной.
Итак, уравнение баланса водоносного горизонта при работе водозабора приобретает такой принципиальный вид:
или, учитывая, что
: 
Это основное уравнение баланса эксплуатационного водоотбора.
Его физический смысл: отрицательное (по балансовому знаку) изменение
, возникшее в естественной сбалансированной системе, погашается положительными изменениями 
Эти положительные изменения называются ИСТОЧНИКАМИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЗ и составляют БАЛАНСОВУЮ СТРУКТУРУ эксплуатационного водоотбора (БСЭВ).Вопрос о долевом соотношении возможных источников формирования ЭЗ в каждом случае очень сложный (от 0 до 100%); для самых простых расчетных схем могут быть применены аналитические решения, для сложных (точнее, реальных) - используется моделирование фильтрации.
Принципиально важно: величина (или само существование) каждой компоненты БСЭВ определяется конкретной гидрогеодинамической ситуацией, т.е. зависит от параметров, граничных условий, времени, схемы и расположения водозабора и др.
Простые балансовые упражнения: водоносный горизонт в виде сосуда
Рис. 1
I. Водоносный горизонт обладает только емкостью
;питания, стока и разгрузки нет (рис. 1)
- Режим при водоотборе будет постоянно нестационарным
- Водоотбор возможен только в течение некоторого времени:
Рис 2.
II. Расход питания
не зависит от положения уровня (рис. 2)- Вопрос: а расход разгрузки
зависит? Да.Варианты соотношения дебита водоотбора и расхода питания:
А)
- какой режим уровней при водоотборе? В пределе стационарный.
- где будет располагаться уровень? Выше уровня разгрузки.
- какие произойдут балансовые изменения? Уменьшится расход разгрузки на величину
(частичная инверсия разгрузки).- общий вид балансового уравнения при наступлении стационарного режима:
, т.е. 
Б)
Все так же, как в предыдущем случае: стационарный режим, но уровень будет располагаться на уровне разгрузки, а разгрузка инверсируется полностью, т.е.
Однако, принципиальный вид балансового уравнения сохраняется: В) В случае превышения величины водоотбора над расходом питания
режим уровней будет сохраняться нестационарным и после полной инверсии разгрузки. Водоотбор с таким дебитом может сохраняться лишь в течение некоторого времени 
, после чего дебит водоотбора должен быть уменьшен.Балансовое уравнение после инверсии разгрузки имеет вид
Рис. 3.
II. Расход питания
зависит от положения уровня.Реализуем такой механизм добавлением еще одного сосуда с более высоким положением уровня (аналог смежного водоносного горизонта). Питание происходит за счет разности уровней - в ненарушенных условиях при
величина питания 
(рис. 3).Варианты соотношения дебита водоотбора и расхода питания:
А)
- какой режим уровней при водоотборе? Стационарный.
- где будет располагаться уровень? Выше уровня разгрузки (но выше, чем в варианте II . Почему?)
- какие произойдут балансовые изменения? Уменьшится расход разгрузки на величину
(частичная инверсия разгрузки) и, кроме того, увеличится интенсивность питания на величину , так как возросла величина разности уровней 
.- общий вид балансового уравнения:
или 
Б)
Стационарный режим, но уровень будет располагаться выше уровня разгрузки, т.е. разгрузка не инверсируется полностью. Принципиальный вид балансового уравнения сохраняется:
В) Наконец, даже в случае превышения величины водоотбора над расходом питания
возможно стационарное состояние режима уровней (до некоторого критического значения ).Вид балансового уравнения прежний: