10. PRÓBNE POMPOWANIA W DOKUMENTOWANIU ZASOBÓW WÓD PODZIEMNYCH

Transkrypt

1 10. PRÓBNE POMPOWANIA W DOKUMENTOWANIU ZASOBÓW WÓD PODZIEMNYCH Według przepisów o ustalaniu zasobów wód podziemnych przez zasoby eksploatacyjne rozumie się ilość wody podziemnej, którą można pobierać w określonej jednostce czasu z ujęcia w określonych warunkach środowiska oraz warunkach hydrogeologicznych i technicznych. Warunki ograniczające skutki eksploatacji powinny być one określane na zasadzie optymalizacji. Prognozowanie zasobów eksploatacyjnych Q e wiąże się z rozwiązywaniem następującego równania bilansowego: Q e = Q d + Q i + V t, [10.1] gdzie: Q d zasoby dynamiczne, Q i zasoby uzupełniające (wzbudzone), V zasoby statyczne, t czas eksploatacji ujęcia równy okresowi sczerpywania zasobów statycznych, Rozpatrując podane równanie na tle przedstawionych w niniejszym opracowaniu metod interpretacji próbnych pompowań, można zauważyć, że próbne pompowania hydrowęzłowe i zespołowe ujawniają poszczególne składniki zasobów lub co najmniej dają informację o możliwości ich wystąpienia. Analizując poszczególne składniki podanego równania zasobowego [10.1], można stwierdzić, że: zasoby dynamiczne Q d są określane według wzoru Darcy ego [.1] z parametrów strumienia wód podziemnych, który można również zapisać w postaci: Q d = LTI, gdzie: L szerokość strumienia, zasoby statyczne V: sprężyste dla warstw naporowych; grawitacyjne dla warstw o zwierciadle swobodnym są związane z warunkami filtracji nieustalonej opisanej równaniami Theisa [.1] i Boultona [.30] przy danym czasie eksploatacji t, zasoby wzbudzone (uzupełniające) Q i pojawiają się z przesiąkania wody z warstw hydraulicznie związanych z warstwą eksploatowaną, a proces ich ujawniania opisany jest równaniem Hantusha [.9], zasoby z infiltracji wód powierzchniowych Q i ujawniające się w dopływie opisują równania Theisa [.38] i Dupuita-Thiema [.39] uwzględniające wpływ granicy zasilającej. Bindeman i Jazwin (1970) słusznie podkreślają, że równania hydrodynamiczne dopływu wody do studni lub ich zespołu są równocześnie równaniami bilansowymi i mogą być w określonych przypadkach stosowane do analitycznego prognozo-

2 46 Próbne pompowania w dokumentowaniu zasobów wód podziemnych wania wielkości zasobów eksploatacyjnych na podstawie parametrów filtracyjnych uzyskanych z próbnych pompowań hydrowęzłowych i znajomości typu granic badanej struktury wodonośnej. Zakres badań i prognoz dla ujęcia jest uzależniony od przewidywalnej wydajności ujęcia, stopnia skomplikowania warunków hydrogeologicznych i zagrożeń dla jakości wód. Ze względu na powyższe w Metodyce określania zasobów eksploatacyjnych ujęć zwykłych wód podziemnych (Dąbrowski i in., 004) przyjęto podział na: 1. małe ujęcia o zasobach (zapotrzebowaniu) do 50 m 3 /h,. duże ujęcia o zasobach (zapotrzebowaniu) przekraczających 50 m 3 /h, 3. ujęcia pracujące w specyficznych warunkach hydrogeologicznych i użytkowania terenu (niezależnie od wielkości zasobów i zapotrzebowania) określonych przez jeden z poniższych czynników: ujęcia infiltracyjne, warunki hydrogeologiczne zaburzone prowadzonym odwadnianiem górniczym, trwałym budowlanym i melioracją, znaczne zagrożenie jakości wód, ujęcia na terenach ograniczonego użytkowania. Do obliczeń zasobów eksploatacyjnych, stosowane są następujące metody analityczne: hydrauliczna i hydrodynamiczna oraz metody modelowania matematycznego. Metody hydrauliczne, zwane też metodami ograniczonej ekstrapolacji (Pazdro, 1977, str ), opierają się na wzorach empirycznych, określających związek między wydajnością i depresją w studni Q = f(s) zależny od oporów hydraulicznych w warstwie, w strefie wokółfiltrowej, na filtrze i w samej studni. Wzory te nie uwzględniają ani odnawialności zasobów warstwy, ani zasobów uzupełniających, ponieważ do ekstrapolacji zasobowej nie są włączone parametry strumienia filtracyjnego. Metody hydrodynamiczne są grupą metod o wiele dokładniejszą niż metody hydrauliczne, ponieważ bazują na hydrodynamicznych równaniach dopływu do studni lub zespołu studzien. Równania te, jak już uprzednio wspomniano, są również równaniami bilansowymi i po odpowiednim ich przekształceniu służyć mogą do prognozowania zasobów eksploatacyjnych, Metody modelowania matematycznego są grupą metod, które bazują na rozwiązywaniu ogólnych równań przepływu wód podziemnych [.6] [.8], najdokładniej odwzorowujących strumień wód podziemnych, jego granice oraz bilans w warunkach naturalnych i eksploatacyjnych. Stwarzają przez to szereg możliwości dla rozwiązań optymalizacyjnych odnośnie do lokalizacji ujęć. Rozpatrując zastosowanie poszczególnych metod, uważa się, że: metody hydrauliczne mogą służyć do obliczeń zasobów eksploatacyjnych małych ujęć wód podziemnych założonych w warstwach rozpoznanych o zasięgu regionalnym lub małych ujęć infiltracyjnych, gdyż w innych przypadkach są zawodne, metody hydrodynamiczne jako grupa najdokładniejszych i najpewniejszych metod obliczeń analitycznych powinny służyć do obliczeń zasobów eksploatacyj-

3 Wykorzystanie wyników próbnych pompowań do sporządzania prognoz zasobowych 47 nych zarówno małych, jak i dużych ujęć wód podziemnych założonych w warstwach o zasięgu regionalnym, metody modelowania matematycznego powinny być stosowane do obliczeń zasobów dużych ujęć wód podziemnych w warstwach wodonośnych o złożonych warunkach zasilania oraz w szczegółowym dokumentowaniu regionalnym zasobów wód podziemnych. Jak wynika z dokonanego przeglądu stosowanych metod obliczeń zasobów wód podziemnych, bez wykonywania próbnych pompowań i ich analizy według zasad podanych w niniejszym opracowaniu niemożliwe jest stosowanie metod hydrodynamicznych i modelowania matematycznego do obliczeń zasobów wód podziemnych. W niniejszym rozdziale podano przykład opracowania analitycznej prognozy hydrodynamicznej dla ujęcia wód podziemnych oraz wykorzystania wyników próbnego pompowania w warunkach filtracji nieustalonej do identyfikacji modelu matematycznego doliny kopalnej Wykorzystanie wyników próbnych pompowań do sporządzania prognoz zasobowych W rozdziałach i 6. podano przykłady prowadzenia próbnych pompowań otworów rozpoznawczych, ujmujących warstwę piaskowców kościeliskich z jury środkowej w rejonie Wielunia (rys. 5.3). Pokazano sposoby obliczeń parametrów filtracyjnych z pompowań hydrowęzłowych w warunkach filtracji nieustalonej, opisanej równaniem Theisa (rys. 5.4), oraz identyfikację granicy nieprzepuszczalnej na podstawie porównania wykresu lg s = f(lg t) z nomogramem wykresów funkcji Theisa z granicą nieprzepuszczalną (rys. 6.6). Wracając do tych obliczeń, przedstawia się poniżej przykład prognozy zasobów eksploatacyjnych ujęcia według metody hydrodynamicznej. Ujęcie składa się z trzech studni I, III i IV, rozmieszczonych na wierzchołkach trójkąta o polu F = m. Promień zastępczy ujęcia według wzoru na wielką studnię (Pazdro, 1977) wynosi: F R o = = 190 m. π Aby obliczyć zasoby eksploatacyjne danego ujęcia, trzeba uwzględnić warunki techniczne ujęcia wody oraz warunki hydrogeologiczne warstwy wodonośnej. Możliwa do osiągnięcia depresja w studniach na ujęciu wody z warstwy o zwierciadle naporowym jest zależna od wysokości słupa wody ponad stropem warstwy wodonośnej oraz od możliwości podnoszenia wody, czyli od typu pompy głębinowej. Warstwa piaskowców kościeliskich ma nad sobą w studni słup wody o wysokości 4 m, a wysokość podnoszenia pomp typu G80 przy wydajności ze studni Q =60m 3 /h wynosi H max = 10 m. Warunkiem ograniczającym w tym przypadku wielkość depresji jest podnoszenie wody. Jeżeli więc przyjmiemy H max = 10 m jako ograniczenie techniczne, to przy głębokości do zwierciadła wody w studni od po-

4 48 Próbne pompowania w dokumentowaniu zasobów wód podziemnych wierzchni terenu Z s = 0 m i uwzględnieniu strat hydraulicznych przy dwustopniowym podawaniu wody do sieci, np. w wysokości p = 0 m, możliwa do uzyskania depresja w studniach na ujęciu wyniesie: s = H max (z s + p) = 10 (0 + 0) = 6 m. Depresja w studni współdziałającej jest jednak sumą dwóch składowych: s=s o +s r, [10.] gdzie: s o depresja wywołana pracą studni w zespole, s r depresja rejonowa dla ujęcia dla danego R o. Przy projektowanych typach pomp wydajność studni wyniesie Q =60m 3 /h i wówczas składową s o obliczyć można według wzoru: s o 0, 366Q rz = lg, rz T r o =047, Fo π, [10.3] gdzie: T = km przewodność warstwy wodonośnej, r o promień studni, r z zastępczy promień wpływu studni w zespole, F o powierzchnia strefy wpływu ograniczona liniami łączącymi środki odległości pomiędzy sąsiednimi studniami. Obliczenia depresji s o : Dane: Q = 60 m 3 /h, T śr. = 4, m /h, r o = 0,15 m, r z = 446 m. 0, 366Q rz 0, s o = lg = lg = 1674, 17 m. T ro 4, 015, Po obliczeniu składowej depresji wywołanej pracą studni w zespole można z zależności [10.] obliczyć depresję rejonową ujęcia: s r = s s = o 6 17 = 45 m. Znając wielkość depresji rejonowej, można przystąpić do opracowania prognozy wielkości zasobów eksploatacyjnych ujęcia. W tym celu sporządza się schemat warunków hydrogeologicznych badanej warstwy wodonośnej. Schematyzacja ta obejmuje: przyjęcie uśrednionych parametrów filtracyjnych dla warstwy wodonośnej, określenie jej granic, określenie typu hydrodynamicznego warstwy. W rozważanym przypadku określono z pompowania hydrowęzłowego parametry: przewodności T i współczynnika piezoprzewodności a oraz zidentyfikowano granicę nieprzepuszczalną w odległości d 1 = 100 m od ujęcia. Natomiast z ogólnego rozpoznania budowy geologicznej regionu przyjęto możliwość zasilania warstwy piaskowców na wychodniach na powierzchnię podczwartorzędową w odległości d = 15 km.

5 Wykorzystanie wyników próbnych pompowań do sporządzania prognoz zasobowych 49 Tabela Wyniki obliczeń prognostycznych wydajności ujęcia Czas [m-c] Czas 4π Ts r u [h] R = 0 W(u) u 4 at 1 ( d 1 ) = W(u 1 ) u 4 at ( d ) = W(u ) W(u)+W(u 1 ) W(u ) 4 at ,4 0, ,4 0,18 1,35 4,61 0,80 7,79 314, ,4 0,0001 8,69 0,06,30 1,54 0,085 10,90 47, ,4 0, ,14 0,03,96 0,77 0,3 11,78 9, ,4 0, ,55 0,0 3,35 0,51 0,50 1,40 17, ,4 0, ,84 0,015 3,70 0,38 0,74 1,80 11, ,4 0, ,4 0,010 4,04 0,6 1,0 13,6 03, ,4 0, ,60 0,0074 4,3 0,19 1,8 13,64 198, ,4 0, ,45 0,003 5,3 0,076,07 14,61 184,8 Q e [m 3 /h]

6 50 Próbne pompowania w dokumentowaniu zasobów wód podziemnych W określonych warunkach, przy typie hydrodynamicznym warstwy naporowej spełniającej równanie Theisa [.] z dwiema granicami: nieprzepuszczalną (wzór [.35]) i zasilającą (wzór [.38]), wzór do prognostycznych obliczeń zasobowych ma postać: 4πTs r Qe = Wu () + Wu ( 1) Wu ( ), u o = 4 Rat, u 1 1 = ( 4 dat ) d, u = ( ), [10.4] 4at a poszczególne czynniki i składniki tego równania mają wartości: s r =45m,T = 4,3 m /h, a=33900 m /h, R o = 190 m, d 1 = 100 m, d = m. Obliczenia prognostyczne według wzoru [10.4] przedstawia tabela Przedstawione obliczenia wskazują na konieczność wykonywania prognoz zasobowych dla ujęć z warstw naporowych z odległymi granicami zasilania Wykorzystanie wyników próbnych pompowań w modelowaniu matematycznym Jak wspomniano we wstępie do niniejszego rozdziału, modelowanie matematyczne jest podstawową metodą obliczania zasobów wód podziemnych dużych ujęć i regionów hydrogeologicznych. Modelowanie matematyczne jest główną, a praktycznie jedyną metodą, pozwalającą w zadowalający sposób określić: bilans krążenia wód w układzie warunków naturalnych jednostki hydrogeologicznej, bilans przepływów między warstwami hydraulicznie związanymi w warunkach naturalnych i podczas eksploatacji wód, bilans dopływów wody do ujęć wód podziemnych. Próbne pompowania, jako podstawowa polowa metoda badań hydrogeologicznych warstw wodonośnych, dostarczają niezbędnych danych do budowy modeli matematycznych jednostek hydrogeologicznych w zakresie danych o parametrach filtracyjnych warstw, o charakterze granic i związków hydraulicznych między warstwami wodonośnymi. Wyniki próbnych pompowań pozwalają, na etapie przyjęcia założeń budowy modelu matematycznego, określić jego strukturę wewnętrzną oraz związki między warstwami decydujące o przyjęciu warunków brzegowych. Służą one także do identyfikacji modelu matematycznego z modelem hydrogeologicznym. Pompowania hydrowęzłowe są praktycznie jedynymi wzorcami, według których można badać reakcję hydrodynamiczną modelu poprzez symulowanie wydajności pompowania i śledzenie reakcji modelu w zakresie zmian zwierciadła wody w czasie. W tym sensie pozwalają więc one określić stopień wiarygodności zbudowanego modelu matematycznego. Przedstawiony przykład symulacji jednego z próbnych pompowań hydrowęzłowych na modelu matematycznym jednostki hydrogeologicznej, którą jest dolina kopalna w południowej Wielkopolsce, pochodzi z materiałów dokumentacyjnych Biura Projektów Wodnych i Melioracji Bipromel Poznań. Modelowanie to zostało wykonane przy współpracy Ośrodka Badań Hydrogeologicznych i Modelo-

7 Wykorzystanie wyników próbnych pompowań w modelowaniu matematycznym 51 Rys Mapa dokumentacyjna z badań modelowych doliny kopalnej w rejonie Krobi 1 otwory rozpoznawcze, otwory obserwacyjne, 3 granice modelu, 4 granice doliny kopalnej, 5 elementarne bloki warunków brzegowych I rodzaju (H = const), 6 jw. II rodzaju (Q = const), 7 blok modelujący otwór pompowany, 8 bloki modelujące otwory obserwacyjne, 9 linia przekroju geologicznego

8 5 Próbne pompowania w dokumentowaniu zasobów wód podziemnych wania Matematycznego Kombinatu Geologicznego Zachód w Poznaniu w 1978 r. Badania modelowe wykonali: Zbigniew Balcerkiewicz i Stanisław Dąbrowski. Jednostkę hydrogeologiczną, dla której stworzono model matematyczny, stanowi dolina kopalna na wysoczyźnie kaliskiej w rejonie Krobi (rys. 10.1). Forma ta pochodzi z interglacjału wielkiego. Prześledzono ją na długości około 18,5 km. Jej szerokość waha się od 0,6 do 1 km. W części zachodniej rozdziela się na dwa ramiona. W jej ramieniu południowym położony jest hydrowęzeł Kuczynka, którego pompowanie zostało odtworzone na modelu matematycznym. Strukturę wodonośną tworzy kompleks osadów piaszczysto-żwirowych o średniej miąższości 15 m (rys. 10.). Osady te zalegają na utworach ilastych trzeciorzędu. Przykryte są od powierzchni kompleksem glin morenowych zlodowacenia środkowopolskiego o miąższości 1 55 m. Krawędzie doliny kopalnej stanowią iły trzeciorzędowe lub gliny morenowe zlodowacenia krakowskiego. Opisana dolina kopalna stanowi podstawowy poziom wód wgłębnych tego rejonu. Poziom ten zasilany jest na drodze przesiąkania wód poprzez gliny z poziomu przypowierzchniowego oraz z dopływów bocznych. Z kolei poziom ten może zasilać poprzez okna hydrogeologiczne poziomy: mioceński i oligoceński. Jego drenaż zachodzi w rejonie współcześnie istniejącej doliny rzeki Rów Polski. Parametry filtracyjne warstw wodonośnych poziomu są następujące: przewodność: współczynnik filtracji: współczynnik zasobności sprężystej: T 18,8 75,4 m /h, k 0,5,7 m/h, µ s 0,0001 0,0007. Rys Przekrój geologiczny doliny kopalnej w rejonie Krobi

9 Wykorzystanie wyników próbnych pompowań w modelowaniu matematycznym 53 Model matematyczny opisanej jednostki hydrogeologicznej utworzono przez tarowanie warunków brzegowych i wielkości przepływów. Stworzono go dla warunków filtracji ustalonej na stan hydrodynamiczny 1978 r., przy użyciu programu numerycznego SPA z biblioteki programowej HYDRYLIB, służącej do rozwiązywania zagadnień hydrogeologicznych (Szymanko i in., 1977). Model warunków stacjonarnych stał się podstawą do przeprowadzenia trzech symulacji pompowań hydrowęzłowych. Symulacje pompowań, z których jeden wynik przedstawiono poniżej, przeprowadzono za pomocą programu numerycznego EPDA (ze wspomnianej biblioteki programów HYDRYLIB) pozwalającego śledzić przebieg nieustalonej filtracji w warstwie naporowej. Próbne pompowanie symulowano w bloku obliczeniowym, w którym znajdował się otwór rozpoznawczy I pompowany z wydajnością 8,6 m 3 /h przez 89 h (rys. 10.1). Położenie zwierciadła wody w określonych momentach czasowych śledzono w blokach obliczeniowych, w których znajdowały się otwory obserwacyjne oraz otwór pompowany (rys. 10.1). Uzyskane pod koniec pompowania i symulacji tego pompowania na modelu w poszczególnych otworach-blokach obliczeniowych wyniki podaje się w postaci wartości depresji w tabeli 10., a kształtowanie się depresji w otworze obserwacyjnym OP1 i odpowiadającym mu bloku obliczeniowym 580 w postaci wykresów s = f(lgt) na rysunku Z porównania przedstawionych wyników pompowania i symulacji wynika zgodność tych wykresów, co świadczy o prawidłowym skonstruowaniu modelu matematycznego tej struktury (rys. 10.1). Przeprowadzone dwie dalsze symulacje pompowań hydrowęzłowych w rejonie Potarzycy i Krzyżanek (rys. 10.1) wykazały, że przyjęte granice doliny kopalnej w tych rejonach z rozpoznania geofizycznego nie są szczelne, jak założono na modelu, gdyż depresje z symulacji modelowych były prawie dwukrotnie wyższe niż uzyskane z próbnych pompowań. W tym przypadku wyniki symulacji modelowych stały się podstawą weryfikacji uprzednio stworzonego modelu hydrogeologicznego i matematycznego. Podany przykład świadczy o konieczności wykorzystywania wyników próbnych pompowań lub kontrolowanej eksploatacji ujęć przy budowie modeli matematycznych systemów wodonośnych struktur hydrogeologicznych. Tabela 10.. Porównanie wielkości depresji z próbnego pompowania i jego symulacji na modelu matematycznym Nr otworu Odległość od otworu pompowanego [m] Depresja z próbnego pompowania [m] Depresja z symulacji na modelu [m] I 7,09 5,0 OP1 70 4,8 4,77 OP 116 5,1 5,10 OP , 4,45 SKR 190 0,60 1,66

10 54 Próbne pompowania w dokumentowaniu zasobów wód podziemnych Rys Wykresy s=f(lg t) próbnego pompowania hydrowęzłowego i jego symulacji na modelu matematycznym 1 pomiary z pompowania, wyniki obliczeń na modelu