Теоретические исследования взаимодействия пресных подземных вод с морскими

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Теоретические исследования взаимодействия пресных подземных вод с морскими

27.07.2020

Эти исследования включают определение положения границы раздела пресных подземных и соленых морских вод, изучение скорости продвижения фронта последних по пласту в глубь материка, влияния приливов и отливов на режим подземных вод, дисперсии границы соленых вод, формирования «конуса» соленых вод при работе несовершенных скважин, моделирование процесса интрузии, разработку методики защитных мероприятий, направленных на предотвращение засоления пресных подземных вод и др.

Ш. Мацубара рассмотрел динамику границы пресных и соленых вод в естественных условиях с учетом диффузионных процессов. Им получено следующее уравнение баланса солей:
Теоретические исследования взаимодействия пресных подземных вод с морскими

где С — минерализация воды; U — средняя скорость потока подземных вод в направлении оси х (ось х направлена перпендикулярно к береговой линии в глубь суши и совпадает в вертикальном разрезе с линией водоупорного основания, ось у направлена вверх); Aх, Aу — составляющие коэффициента диффузии по осям х и у, т — пористость водосодержащих пород.

Водоносный пласт предполагается неоднородным в вертикальном разрезе, в горизонтальном же направлении фильтрационные свойства отдельных прослоев остаются постоянными. Таким образом, проводимость К и пористость т водоносного горизонта являются функциями ординаты у. Коэффициенты Aх и Aу также зависят от ординаты у и скорости потока U. Допуская, что перемещение солей в результате диффузии происходит только в направлении оси х, получают следующее решение уравнения (1):

где C0 — минерализация в точке начала координат.

Выражение (143) характеризует изменение минерализации воды в разрезе пласта. Однако на практике пользоваться формулой (143) трудно, так как неизвестны величины Aх и Aу.

В другой работе Ш. Мацубара рассматривает неустановившиеся движения контура морских вод, вторгшихся в водоносный горизонт, обусловленные приливно-отливными явлениями, а также анализирует дифференциальное уравнение:

где К0 =kH/m, e — отклонение уровня моря от среднего значения вследствие приливов и отливов; H — расстояние от среднего уровня моря до водонепроницаемого основания водоносного горизонта (средняя мощность водоносного горизонта; k, m — коэффициенты проницаемости и пористости водосодержащих пород; ось х совпадает со средним уровнем моря и направлена перпендикулярно к берегу в сторону суши.

Скорость движения подземных вод Vх в точке х характеризуется зависимостью:

При Vх>0 движение подземных вод направлено в глубь материка, при Vх<0 — в сторону моря.

Баланс солей при установившемся движении выражается уравнением

где А — коэффициент диффузии.

Решая уравнение (149) при условии C=C0 в точке х=0, получаем

С помощью формулы (150), зная колебания уровня моря, которые влияют на скорость и направление подземного потока, и коэффициент диффузии, можно определить концентрацию соли в разных точках.

Вопросы вторжения соленых морских вод и движения их фронта рассмотрены Г. Генри. В этой работе рассматриваются вопросы гидродинамического взаимодействия пресных и соленых вод в условиях установившегося движения. В прибрежных водоносных горизонтах установившийся поток пресных подземных вод, разгружающийся в море, препятствует вторжению соленых вод в водоносный горизонт. Это явление изучается для условий стационарной двумерной задачи в предположении, что пресные и соленые воды не смешиваются, не образуются «языки» пресных и соленых вод и на движении подземных вод не сказывается влияние приливов и отливов. Рассматриваются две схемы разгрузки пресных вод: 1) когда область разгрузки представляет собой вертикальную плоскость; 2) когда она является горизонтальной плоскостью. Для этих случаев решается задача о вторжении соленых вод в пресные применительно к полубесконечному пласту неограниченной и ограниченной мощностей. Следует отметить, что решения получены в виде, не пригодном для практического использования.

В более поздней работе исследуется неустановившееся движение фронта соленых вод в прибрежном артезианском бассейне, обусловленное изменением уровня моря. После этого изменения, вызванного, например, таянием ледников, может пройти весьма продолжительный промежуток времени, измеряемый многими тысячелетиями, прежде чем граница пресных и соленых вод займет новое постоянное положение. Задача о неустановившемся движении границы соленых вод решается с учетом различия в плотности пресных и соленых вод, исходя из следующих предпосылок: предполагается, что в момент времени t = 0, которому соответствует глубина залегания границы соленых вод у1, отсчитываемая от уровня моря, происходит резкое изменение последнего до нового положения H, которое остается неизменным во все последующие моменты времени t больше 0. Тогда глубина залегания границы раздела пресных и соленых вод ни в разные промежутки времени находится из выражения

В формулах (151) и (152) обозначения следующие р0, рc — плотности пресных и соленых вод; t — время; m — пористость; k — коэффициент проницаемости; u — вязкость (принимается для пресных и соленых вод одинаковой); q — ускорение свободного падения; а — угол наклона водоносного пласта; l — длина пласта от области питания до области разгрузки.

Численный пример, приведенный автором, показывает, что время стабилизации границы пресных и соленых вод достигает 20 тыс. лет.

Вопрос определения положения поверхности раздела (интерфации) между пресными и солеными водами рассматривает Н. Лучински, при этом он исходит из уравнения Гибена — Херцберга.

Р. Румер и Д. Харлеман излагают результаты экспериментального и теоретического изучения размеров зоны внедрения подземных вод и скорости перемещения границы между пресными и солеными водами. Работы проводились на двумерной модели водоносного горизонта, имеющего ограниченные размеры и однородные фильтрационные свойства. Были получены аналитические решения, характеризующие движение границы раздела в условиях разгружающегося в море постоянного потока пресных вод. В этих решениях учитывается влияние прилива — отлива и дисперсии.

Г. Жослен-де-Йонг приводит значение разности плотностей при фильтрации пресных и соленых вод. когда различие вязкостей этих вод и проницаемостей пород (в области пресных и соленых вод) не учитываются, Автор показывает, что при этом уравнение движения относительно функции тока сводится к уравнению Пуассона, функция правой части которого интерпретируется как вихревая, благодаря чему выравниваются разности плотностей. Теоретические результаты сравниваются с результатами моделирования, причем указывается возможность электромагнитных и других аналогов.

И. Бэр и Г. Даган рассматривают в гидромеханической постановке задачу о перемещении границы раздела между морскими и пресными подземными водами, разгружающимися вблизи берега. Авторами приняты допущения о наличии двумерного потока в ограниченном сверху и снизу водоносном горизонте, о фильтрационной однородности водовмещающих пород и резкой границе раздела между пресными и солеными водами. На этой основе получены решения, позволяющие рассчитать длину «языка» морских вод, внедрившегося в нижнюю часть водоносного горизонта. Данные расчетов по теоретическим зависимостям показали хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований на фильтрационном лотке.

При исследованиях механизма интрузии морских вод зарубежные исследователи широко применяют физическое и аналоговое моделирование и ЭВЦМ Б. Дженсоном и И. Дюфором на физической модели проведено изучение условий вторжения морских вод в горизонт пресных подземных вод в процессе их эксплуатации. Водоносный горизонт моделировали однослойным (большой и малой мощности) и двуслойным. Проницаемости слоев в двуслойной модели различались более чем в 20 раз. Разность плотностей соленых и пресных вод изменялась от 0,15 до 0,21 г/см3. Модель однослойного горизонта большой мощности использовалась для анализа подтягивания соленых вод к несовершенной скважине.

Процесс интрузии морских вод в двуслойный водоносный горизонт сравнивался с процессом интрузии в однородный (однослойный) водоносный горизонт, проводимость которого сходна с проводимостью двуслойного горизонта. Скважина помещалась в проницаемый слой. Мощности проницаемого и слабопроницаемого слоев в двуслойном горизонте не изменялись. Эксперименты с двуслойным водоносным горизонтом показали, что если проницаемый слой располагается над слабопроницаемым, то «язык» соленых вод имеет большую длину, чем в однослойном пласте с эквивалентной проводимостью. И, наоборот, если проницаемый слой расположен под слабопроницаемым, то длина «языка» в двуслойном пласте меньше, чем в эквивалентном по проводимости однослойном пласте.

В двуслойном пласте «язык» морских вод продвигается медленнее, чем в эквивалентном однослойном. Исследования подтягивания соленых вод к скважине в зависимости от ее дебита, расхода естественного потока и наклона пласта показали, что при определенных соотношениях указанных параметров в пласте могут быть выделены две зоны: первая, в которой засоление неизбежно в тот или иной срок, и вторая, в которой засоление невозможно вообще.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: