Тест водоносного горизонта

В гидрогеологии испытание водоносного горизонта (или испытание на откачку ) проводится для оценки водоносного горизонта путем «стимулирования» водоносного горизонта путем постоянной откачки и наблюдения за «реакцией» ( просадкой ) водоносного горизонта в наблюдательных скважинах . Тестирование водоносных горизонтов — это распространенный инструмент, который гидрогеологи используют для характеристики системы водоносных горизонтов, водохранилищ и границ системы стока.

Пробковое испытание — это разновидность типичного испытания водоносного горизонта, при котором происходит мгновенное изменение (увеличение или уменьшение), а эффекты наблюдаются в одной и той же скважине. Это часто используется в инженерно-геологических целях для получения быстрой оценки (минуты, а не дни) свойств водоносного горизонта непосредственно вокруг скважины.

Тесты водоносного горизонта обычно интерпретируются с использованием аналитической модели потока водоносного горизонта (самой фундаментальной из которых является решение Тайса) для сопоставления данных, наблюдаемых в реальном мире, с последующим предположением, что параметры идеализированной модели применимы к реальному водоносному горизонту. В более сложных случаях для анализа результатов испытания водоносного горизонта можно использовать численную модель.

Тестирование водоносного горизонта отличается от тестирования скважин тем, что в последнем случае в первую очередь вызывает беспокойство поведение скважины, а в первом количественно оцениваются характеристики водоносного горизонта. При тестировании водоносных горизонтов также часто используются одна или несколько наблюдательных скважин или пьезометров («точечные» наблюдательные скважины). Мониторинговая скважина – это просто скважина, которая не откачивается (но используется для контроля гидравлического напора в водоносном горизонте). Обычно мониторинговые и насосные скважины проверяются в одних и тех же водоносных горизонтах.

Общие характеристики

Чаще всего испытание водоносного горизонта проводится путем откачки воды из одной скважины с постоянной скоростью и в течение как минимум одного дня при тщательном измерении уровня воды в контрольных скважинах. Когда вода закачивается из насосной скважины, давление в водоносном горизонте, питающем эту скважину, снижается. Это снижение давления проявится в виде депрессии (изменения гидравлического напора) в наблюдательной скважине. Депрессия уменьшается с увеличением радиального расстояния от насосной скважины, а депрессия увеличивается с увеличением продолжительности закачки.

Характеристики водоносного горизонта, которые оцениваются в большинстве тестов водоносных горизонтов:

• Гидравлическая проводимость Скорость потока воды через единицу площади поперечного сечения водоносного горизонта при единичном гидравлическом уклоне. В американских единицах измерения скорость потока измеряется в галлонах в день на квадратный фут площади поперечного сечения; в единицах СИ гидравлическая проводимость обычно указывается в м ³ в день за м ² . Единицы часто сокращаются до метров в день или эквивалента.
• Удельное хранение или сохраняемость: мера количества воды, которую замкнутый водоносный горизонт отдаст при определенном изменении напора;
• Пропускаемость Скорость, с которой вода проходит через всю толщину и единичную ширину водоносного горизонта при единичном гидравлическом градиенте. Он равен гидравлической проводимости, умноженной на толщину водоносного горизонта;

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

• Удельный выход или дренируемая пористость: мера количества воды, которую отдаст незамкнутый водоносный горизонт при полном осушении;
• Коэффициент утечки: некоторые водоносные горизонты ограничены водоупорами, которые медленно отдают воду в водоносный горизонт, обеспечивая дополнительную воду для уменьшения просадки;
• Наличие границ водоносного горизонта (подпитываемых или непроточных) и их удаленность от откачиваемой скважины и пьезометров.

Методы анализа

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

• негерметичные аквитарды,
• неограниченный поток (отложенный выход),
• частичная проходка насосных и наблюдательных скважин,
• конечный радиус ствола скважины, что может привести к накоплению в стволе скважины,
• двойная пористость (обычно в трещиноватых породах),
• анизотропные водоносные горизонты,
• неоднородные водоносные горизонты,
• конечные водоносные горизонты (в тесте видно влияние физических границ) и
• комбинации вышеперечисленных ситуаций.

Почти все методы тестирования водоносных горизонтов основаны на решении Тайса; она построена на самых упрощающих предположениях. Другие методы ослабляют одно или несколько допущений, на которых построено решение Тайса, и, следовательно, дают более гибкий (и более сложный) результат.

Переходное решение Тайса

График поперечного сечения переходного решения Тайса для радиального расстояния в зависимости от просадки с течением времени

Уравнение Тайса было создано Чарльзом Верноном Тайсом (работником Геологической службы США ) в 1935 году. из литературы по теплопередаче (с математической помощью К. И. Любина) для двумерного радиального течения к точечному стоку в бесконечном однородном водоносном горизонте . Это просто

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

где s – депрессия (изменение гидравлического напора в точке с начала испытания в единицах расстояния), u – безразмерный параметр, Q – дебит (откачка) скважины ( объем в единицу времени), Т S r – пропускаемость и удерживающая способность водоносного горизонта вокруг скважины (расстояние, квадратичное в единицу времени и безразмерное соответственно), t – расстояние от откачивающей скважины до точки, где наблюдалась депрессия, – время с момента начала закачки, а W(u) — это «функция скважины» (называемая неполной гамма-функцией , $\Gamma (0,u)$, в негидрогеологической литературе). Функция ямы задается бесконечным рядом

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

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

Решение Тайса основано на следующих предположениях:

• Поток в водоносном горизонте адекватно описывается законом Дарси (т.е. Re<10).
• однородный, изотропный, напорный водоносный горизонт ,
• скважина полнопроникающая (открыта на всю толщину ( b ) водоносного горизонта),
• колодец имеет нулевой радиус (он аппроксимируется вертикальной линией) — поэтому в колодце не может храниться вода,
• скважина имеет постоянный дебит Q,
• потеря напора на экране скважины незначительна,
• водоносный горизонт бесконечен в радиальной протяженности,
• горизонтальные (не наклонные), плоские, непроницаемые (непротекающие) верхнюю и нижнюю границы водоносного горизонта,
• поток грунтовых вод горизонтальный
• отсутствие других скважин или долгосрочные изменения региональных уровней воды (все изменения потенциометрической поверхности являются результатом работы только насосной скважины)

Несмотря на то, что эти допущения редко выполняются, в зависимости от степени их нарушения (например, если границы водоносного горизонта выходят далеко за пределы той части водоносного горизонта, которая будет проверена с помощью откачки),решение все еще может быть полезным.

Стационарное решение Тима

Стационарный радиальный поток в насосную скважину обычно называют решением Тима. он возникает в результате применения закона Дарси к цилиндрическим оболочкам контрольных объемов (т.е. цилиндру большего радиуса, из которого вырезан цилиндр меньшего радиуса) вокруг насосной скважины; обычно пишут так:

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

В этом выражении h ₀ – фоновый гидравлический напор , h ₀ – h – депрессия на радиальном расстоянии r от насосной скважины, Q – дебит насосной скважины (в начале координат), T – коэффициент пропускания , R — радиус воздействия, или расстояние, на котором голова все еще находится h ₀ . Эти условия (стационарный поток к насосной скважине без близлежащих границ) никогда не встречаются в природе, но их часто можно использовать как приближение к реальным условиям; что существует круглая граница с постоянным напором (например, озеро или река, полностью контактирующая с водоносным горизонтом), окружающая перекачивающую скважину на расстоянии R. Решение получается, если предположить ,

Источники ошибок

Решающее значение как при испытаниях водоносных горизонтов, так и при испытаниях скважин имеет точная запись данных. Необходимо не только тщательно регистрировать уровни воды и время измерения, но и периодически проверять и записывать скорость откачки. Незарегистрированное изменение скорости откачки всего на 2% может ввести в заблуждение при анализе данных.

Дальнейшее чтение

Геологическая служба США располагает несколькими очень полезными бесплатными справочными материалами по интерпретации результатов испытаний на откачку:

• Феррис, Дж. Г.; Ноулз, Д.Б.; Браун, Р.Х.; Столлман, Р.В. (1962). Теория испытаний водоносных горизонтов (PDF) . Документ о водоснабжении 1536-Геологическая служба ЕС.
• Столлман, Р.В. (1971). «Глава Б1». Проектирование испытаний водоносных горизонтов, наблюдения и анализ данных (PDF) . Книга 3, Применение гидравлики. Геологическая служба США.
• Рид, Дж. Э. (1980). «Глава Б3». Типовые кривые для избранных проблем притока в скважины в напорных водоносных горизонтах (PDF) . Книга 3, Применение гидравлики. Геологическая служба США.
• Франке, 0.Л.; Рейли, Т.Э.; Беннетт, Джорджия (1987). «Глава Б5». Определение граничных и начальных условий при анализе систем потока насыщенных грунтовых вод — Введение (PDF) . Книга 3, Применение гидравлики. Геологическая служба США. {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

Некоторые коммерческие печатные ссылки по интерпретации результатов испытаний водоносных горизонтов:

• Бату, В. (1998). Гидравлика водоносных горизонтов: комплексное руководство по анализу гидрогеологических данных . Уайли-Интерсайенс. ISBN  0-471-18502-7 .
  • Хорошее резюме наиболее популярных методов исследования водоносных горизонтов, полезное для практикующих гидрогеологов.
• Доусон, К.Дж.; Исток, доктор медицинских наук (1991). Тестирование водоносного горизонта: проектирование и анализ насосных и пробковых испытаний . Издательство Льюис. ISBN  0-87371-501-2 .
  • Тщательно, немного более математично, чем Бату.
• Круземан, врач общей практики; де Риддер, Северная Каролина (1990). Анализ и оценка данных испытаний на откачку (PDF) (второе изд.). Вагенинген, Нидерланды: Международный институт мелиорации и улучшения земель. ISBN  90-70754-20-7 .
  • Отличное описание большинства методов анализа водоносных горизонтов (но эту книгу трудно найти).
• Бунстра, Дж.; Кселик, РАЛ (2002). SATEM 2002: Программное обеспечение для оценки испытаний водоносных горизонтов . Вагенинген, Нидерланды: Международный институт мелиорации и улучшения земель. ISBN  90-70754-54-1 .
  • На линии: [1]
• Синдаловский, Л.Н. (2011). ANSDIMAT – программное обеспечение для оценки параметров водоносных горизонтов . Санкт-Петербург, Россия (на русском языке): Наука. ISBN  978-5-02-025477-0 .
  • Онлайн-руководство пользователя ANSDIMAT: [2] .

Другие названия книг можно найти в разделе для дальнейшего чтения статьи по гидрогеологии, большинство из которых содержат некоторые материалы по анализу испытаний водоносных горизонтов или теории, лежащей в основе этих методов испытаний.

Программное обеспечение для анализа

• Программное обеспечение для использования водных ресурсов от Геологической службы США
• Schlumberger Water Services – программное обеспечение для анализа данных насосных испытаний и пробковых испытаний
• ANSDIMAT – современное коммерческое программное обеспечение
• AQTESOLV – стандартное коммерческое программное обеспечение
• MLU для Windows LT — бесплатное программное обеспечение для испытаний на откачку и анализа пробковых испытаний в одной или двух системах водоносных горизонтов.
• VINMOD Multi-Well – анализ загрязнения подземных вод с использованием насосных испытаний и параметров загрязнения откачиваемыми подземными водами.
• Hytool — набор инструментов с открытым исходным кодом для интерпретации тестов накачки и построения на Matlab.
• SmartGEO - передовое коммерческое программное обеспечение для определения характеристик гетерогенных водоносных горизонтов, гидравлической томографии и многократных насосных испытаний.

См. также

• Предположение Дюпюи-Форххаймера
• Подземные воды
• колодец