Реферат: Распределение гидрогеодинамических параметров

В предыдущем рассмотрении мы предполагали, что взаимодействие потока подземных вод с рекой происходит в подпертом режиме, т.е. при сохранении гидравлической связности (неразрывности) всей "фильтрационной цепочки". Однако, такое положение может быть нарушено при возникновении больших понижений уровня под руслом реки - например, при слишком большом дебите или при значительном сопротивлении экрана. Если пониженный уровень подземных вод под руслом опустится ниже подошвы экрана, то возникает так называемый "ОТРЫВ": поверхность потока подземных вод под рекой становится свободной, а привлекаемый поток из реки имеет характер "дождевания", т.е. происходит при неполном насыщении порового пространства (рис. 7.5). Физическая основа этого явления - в резком различии активной пористости глинистых пород экрана и хорошо проницаемых пород водоносного горизонта (). Такой режим взаимодействия подземных и поверхностных вод называется СВОБОДНЫМ.

Что меняется при возникновении отрыва на участке русла ?

Напор на плоскости разрыва сплошности потока становится постоянным и равным отметке подошвы экрана над плоскостью сравнения, так как пьезометрическая высота здесь равна нулю. Соответственно выражение для расхода привлекаемого потока приобретает вид (обозначения на рис. 7.5):

.

Рис. 7.5. Балансово-гидродинамическая схема работы водозабора в условиях отрыва уровней от подошвы подруслового экрана

Принципиально важно: расход привлекаемого потока в зоне отрыва не зависит от напора (или понижения). Следовательно, это граничное условие 2 рода. Таким образом, в результате отрыва уровня от подошвы экрана качественно меняется гидродинамический род условия на реке - происходит "вырождение" условия 3 рода в условие 2 рода (известное значение расхода). Далее будем называть это явление "КОНВЕРСИЕЙ" граничного условия.

Условие возникновения отрыва: или . Понятно, что зона отрыва имеет ограниченный размер и возникает, в первую очередь, где-то в районе водозабора, т.к. там наибольшие значения (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Локализация балансово-гидродинамических зон в области депрессии напоров под руслом "узкой" несовершенной реки: а) ненарушенный режим, б) частичная инверсия естественной разгрузки, в) полная инверсия естественной разгрузки и привлечение в подпертом режиме, г) полная инверсия естественной разгрузки и привлечение в свободном режиме

Явление конверсии, несомненно, снижает роль ПР в балансе водоотбора. Как реагирует на это водозабор? Ему приходится расширять зону влияния вдоль реки, понижая уровни, пока расширение воронки не даст дополнительную инверсию разгрузки и привлечение на флангах воронки. Таким образом, конверсия увеличивает понижения уровней, увеличивает размеры депрессионной воронки и несколько понижает относительную роль ПР в структуре баланса.

Критическое значение дебита водоотбора, при превышении которого возникает отрыв, для простых расчетных схем можно предварительно оценить на основе аналитических критериев:

Одиночная скважина (или компактная группа) у "широкой" реки

,

где

Одиночная скважина (или компактная группа) у "узкой" реки

,

где символ интегральной экспоненциальной функции.

Равномерный равнодебитный линейный ряд длиной с шагом ()

Аналитических зависимостей для расчетов водозаборов с учетом явления конверсии нет. В алгоритмах программ численного моделирования фильтрации обычно предусматривается возможность конверсии граничных условий 3 рода, однако в этом следует специально убедиться. В описании исходных данных должен существовать какой-то показатель для контроля факта отрыва - чаще всего это отметка уровня отрыва (в принятой системе отсчета напоров). Это сложно определяемая и весьма переменчивая характеристика, оценка которой при разведке требует тщательного изучения строения русловых и подрусловых отложений. В относительно простом случае моноэкрана (однослойного строения) проблема состоит, главным образом, в оценке его мощности под руслом реки. Гораздо сложнее оценить возможный уровень разрыва потока в распространенном случае слоистого экрана. Теоретически разрыв вертикального потока в слоистой толще происходит между слоями с номерами (сверху вниз) j и j+1, на границе раздела которых выполняется условие:

.

Это чрезвычайно сложная методическая задача, удовлетворительного практического решения которой пока не существует.