Гидродинамические основы водопровода к скважинам. Понятие о радиальной и планово-радиальной стационарной,нестационарной и квазистационарной фильтации

Радиальная фильтрация характеризуется особой структурой по­тока: линии равных напоров представляют собой окружности, линии тока - радиусы, направленные к центру (в радиально-сходящемся по­токе) или от центра (в радиально-расходящемся потоке) окружностей, который является и центром полярной системы координат. В этой си­стеме радиальный поток является одномерным. Такая структура воз­никает в том случае, если одиночная скважина работает в неограни­ченном в плане бассейне подземных вод (I=0) с расходом Q₀ =const. Начало координат задается на оси скважины.

Структура радиально сходящегося потока к скважине

а)разрез; б)план

Планово-радиальная фильтрация возникает под влиянием трех факторов:

- наличие границ пласта;

- влияние естественного потока подземных вод;

- влияние взаимодействующих скважин.

Структура планово-радиальной фильтрации при наличии границ и наста, в зоне взаимодействующих скважин - на рис. ниже, в бытовом потоке подземных вод

При исследованиях радиальной и планово-радиальной фильтра­ми и рассматривают не само положение уровня в пространстве и во иргмени, а только его изменение, называемое понижением S:

где H_ст - статический, или естественный уровень воды до начала откачки, H_дин- динамический, или измененный откачкой уровень воды.

Планово-радиальный поток у границы I рода

Планово-радиальный поток в зоне взаимодействующих скважен

а) разрез; б) план

Формирование понижения при радиальной фильтрации

Водоприток к одиночной скважине характеризуется следующими особенностями:

• понижение уровня по координате r изменяется нелинейно, т.е. dS/dr≠const;
• по мере приближения к скважине длина окружности уменьша­ется и уменьшается площадь поперечного сечения потока F=πr², при пом при постоянстве дебита скважины Q=kˣIˣF =const и уменьше­нии F градиент напора I должен возрастать;
• в процессе откачки воды из скважины в неограниченном пласте с! воздействие на пласт последовательно расширяется, расстояние, lift котором находится самая удаленная, значимая для расчетов, возму­щенная точка пласта, в которой S = О, называется радиусом влияния R_вл = f(t);
• рост понижения S с расширением радиуса влияния откачки во нремени уменьшается, процесс фильтрации носит нестационарный характер.

Стационарный режим фильтрации наступает в том случае, если в процессе откачки ее влияние вызовет дополнительное поступление воды в пласт до полной компенсации дебита, и рост понижения уров­ня S во времени прекратится. Рост радиуса влияния также прекратит­ся. Достигнутая при стабилизации величина радиуса влияния называется радиусом условного контура питания R_k.

Факторы, которые могут привести к стационарной фильтрации:

• Наличие контура постоянного напора, открытой границы - реки, каналы, водохранилища.
• Наличие зоны разгрузки подземных вод в виде родников или подземного испарения (ГУ III рода). Если расход родников или вели­чина испарения превышают дебит водозабора, произойдет перехват (инверсия) разгрузки.

Рост величины вертикального водообмена путем перетекания через слабопроницаемые пласты в слоистой толще за счет увеличения вертикального градиента в пределах наиболее "глубокой" части депрессионной воронки.

Формирование депрессионной воронки в зоне действия скважины в пласте с ГУ I

Действие первых двух факторов приведет, кроме этого, к нару­шению радиальной структуры и формированию планово-радиальной фильтрации.

При постоянном водоотборе вокруг скважины формируется об­ласть, в пределах которой расход практически не меняется. В этой области возникает квазистационарный, или упорядоченный режим фильтрации, Q_r,t =const, I_t=const, и уровень снижается без изменения углов наклона. Это значит, что кривые S -t на разные моменты време­ни параллельны друг другу.

Сравнивая откачку из скважин в грунтовых и напорных водах, следует отметить, что величина понижения уровня при одинаковом водоотборе и равных значениях водопроводимости всегда больше в напорных водах, так как μ*<μ, а скорость распространения возмуще­ния от откачки в напорных водах всегда больше.

Если в процессе откачки в скважине поддерживать постоянным уровень (S=const), то величина расхода Q₀ поступающего к скважине, будет уменьшаться, так как будет уменьшаться градиент за счет рас­ширения зоны влияния: