О различиях в оценке расчётной пористости пород при обосновании размеров 2 и 3 поясов ЗСО в трещиновато-пористых пластах
- Ершов Г.Е.
DOI: 10.53085/0034-026X_2025_2_82
УДК 614.777
Рассмотрены типовые условия расчета границ ЗСО для одиночного водозабора в трещиновато-пористом пласте. Выполнены оценки показателей асимптотического режима в гетерогенно-блоковой среде для расчетного времени обоснования 3-го пояса ЗСО. Показано, что для такого длительного времени миграции в типовых условиях выполняются все условия перехода к асимптотическому режиму, в результате чего расчетная пористость может приниматься близкой к общей пористости блоков водовмещающих пород. Проблема заключается в существенном завышении расчетных размеров ЗСО при стандартных расчетах миграции в трещиновато-пористых породах, что затрудняет организацию санитарной охраны водозаборов.
Ключевые слова: подземные воды, зона санитарной охраны, общая и эффективная пористость, гетерогенно-блоковая среда, асимптотический режим.
При обосновании размеров зон санитарной охраны (ЗСО) в трещиновато-пористых пластах, к которым относятся большинство водоносных горизонтов, используемых в артезианских бассейнах для крупного централизованного водоснабжения, в качестве расчетного значения параметра эффективной пористости обычно используется параметр трещиноватости пород. Его величина составляет, как правило, первые проценты. Таким образом, для известняков и песчаников при расчетах ЗСО по литературным данным принято принимать значения от 1 до 3 %. В результате размеры ЗСО составляют многие километры, а для крупных водозаборов — и десятки километров.
Действительно, рассчитаем радиус 3-го пояса ЗСО для стандартного примера — сосредоточенный водозабор с водоотбором 5 тыс. м3/сут в пласте, сложенном известняками с эффективной мощностью 20 м по известной простейшей арифметической зависимости для объема откачанной воды:
т.е. около 6,3 км,
где R — радиус ЗСО, м; Q — расход водозабора, м3/сут; Т — расчетное время, сут; m — мощность пласта, м; n — пористость, ед.
Средняя скорость фильтрации n составляет: n = R/T × n = 6300/10000 × 0,02 = 0,0126 м/сут. Площадь 3-го пояса ЗСО — 124,6 км2. Организовать мероприятия по санитарной защите подземных вод в соответствии с СанПиН на такой огромной территории, где находится множество собственников земли, недропользователю может оказаться, мягко говоря, довольно сложно.
Вместе с тем понятно, что известняки, песчаники и аргиллиты — это далеко не вулканические трещиноватые породы, а их общая пористость no, в отличие от трещиноватости n, составляет, как правило, 25–35 %. Об этом свидетельствует преобладающее количество оценок этого параметра, массово выполняемых и применяемых нефтяниками при геофизических исследованиях по зависимостям, основанным на петрофизических данных. При этом в гидродинамическом плане для известной схемы «двойной пористости» в трещиновато-пористых породах суммарные эффективные параметры легко достигаются и оцениваются при длительных опытных откачках или при анализе опыта эксплуатации водозаборов. Однако в отношении геомиграционных процессов, которые происходят существенно медленнее гидродинамических, расчетные схемы весьма сложны и включают множество различных параметров, которые зачастую трудно изучить.
На рис. 1 изображена принципиальная схема миграции в трещиновато-пористых породах из учебника В.М. Шестакова «Гидрогеодинамика» [4].
Рис. 1. Блоковая модель строения среды с двойной емкостью: 1 — путь конвекционного переноса; 2 — путь диффузионного переноса
Она характеризуется следующими особенностями:
1) при относительно небольших временах миграция растворенного вещества осуществляется преимущественно по трещинам, а в пористые блоки происходит его отток из трещин за счет диффузии. При этом до тех пор, пока вещество не достигнет середины блоков, действует расчетная схема «неограниченной емкости» блоков;
2) после того как мигрирующее вещество достигнет середины блоков породы, начинает работать другая расчетная схема — «сосредоточенной емкости»;
3) при больших временах миграции пористые блоки полностью насыщаются мигрирующим веществом, и начинает работать схема асимптотического режима.
Расчетные зависимости для всех этих схем наиболее последовательно и подробно рассмотрены в монографии В.А. Мироненко и В.Г. Румынина [1]. В данном случае мы не будем их подробно рассматривать. Наиболее важным для нас является вывод, сделанный на стр. 149 монографии при рассмотрении асимптотического режима, о том, что «при длительном протекании процесса с достаточной для практических оценок точностью (с погрешностью менее 10–12 %) положение характерной изолинии С = 0,5 (соответствующей фронту поршневого вытеснения) всецело определяется суммарной емкостью трещин и блоков n + no».
Таким образом, при расчетах распространения вещества может быть использована обычная конвективно-дисперсионная расчетная схема для пористых пород. Те же выводы сделаны в работах В.М. Шестакова и А.А. Рошаля, посвященных рассмотрению макродисперсионных схем миграции в водоносных пластах [2, 3].
Для практического применения остается только один вопрос — что такое «большие времена миграции и переноса»?
Согласно зависимостям, представленным в монографии В.А. Мироненко и В.Г. Румынина ([1], стр. 149), наступление асимптотического режима может быть признано при значении комплексных параметров t ≥ h > 5, где
где t — расчетное время; R — расстояние переноса массы до расчетной точки, м; υ — скорость фильтрации, м/сут; n — трещиноватость, ед; n0 — пористость блоков, ед.
При этом массообменный параметр lм = Sб2 × no × Dm, где Sб — удельная поверхность блоков, для кубических блоков Sб = 6/mб , а Dm — коэффициент молекулярной диффузии.
Оценим значения данных параметров для примера, указанного выше. При этом рассмотрим их для источника массы на расстоянии R около 1500 м (скорость фильтрации на этом расстоянии от водозабора составит 0,074 м/сут). Примем при этом за среднее значение пористости блоков характерную величину nо = 30 %. В качестве средней величины размера блоков mб — 0,2 м [4].
Тогда Sб = 30 и при характерном значении Dm = 10–5 м2/сут расчетная величина массообменного параметра составит lм = 30 × 30 × 0,3 × 10–5 = 0,0027 м2/сут, параметр t = 0,0027/0,32 × (10000–565) = 283,3 м2, а параметр h = (0,0027 × 1500)/(0,074 × 0,3) = 182,4 м2, то есть условие t ≥ h>5 полностью выполняется.
Практически это означает, что в качестве эффективной пористости для данных типовых условий можновзять принятую общую пористость известняков 30 %. Положение характерной изолинии С = 0,5, соответствующей фронту поршневого вытеснения, за время 10 000 суток в этом случае достигает расстояния:
что в 3,9 раза меньше оцененного выше по величине трещиноватости пород. Как показывает расчет, для источников массы вещества на этом расстоянии полностью выполняются условия асимптотической схемы миграции.
Вместе с тем, при расчетных схемах макродисперсии по сравнению со схемой микродисперсии существенно возрастает величина размытия фронта миграции. В связи с этим в качестве коэффициента надежности при расчетах целесообразно принимать примерно половину или две трети общей пористости пород, в данном случае — 15–20 %. В этом случае расчетный размер радиуса 3-го пояса ЗСО составит:
Это в 3,2 раза меньше первоначально рассчитанной величины в 6300 м по расстоянию и в 10 раз меньше по площади (рис. 2).
Рис. 2. Размеры 3-го пояса ЗСО, оцененные по величине трещиноватости и по эффективной пористости пород: 1 — оценка по величине трещиноватости; 2 — оценка по эффективной пористости пород
Таким образом, учитывая реальное гетерогенно-блоковое строение водовмещающих пород, можно существенно сократить расчетные размеры площади санитарных мероприятий и контроля до реально влияющих на качество подземных вод водозаборов. Для размеров зоны второго пояса, предусматривающего возможность бактериального загрязнения, приведенные выше критерии выполняются не всегда. В связи с этим здесь целесообразно оставаться в рамках схемы поршневого вытеснения при расчетных параметрах трещиноватости пород.
Следует отметить, что СанПиН не запрещает принимать различные параметры для расчетов 2-го и 3-го поясов санитарной охраны. Однако он требует обоснования этих параметров. Показанный выше пример приводит к выводу о необходимости характеристики и учета общей пористости и геометрии строения пород водовмещающих интервалов с целями последующего обоснования расчетной величины параметра эффективной пористости для расчетов границ 3-го пояса ЗСО.
Заметим, что аналогичные процессы происходят и в пористых слоистых песчано-глинистых отложениях, но с несколько отличающимися по форме комплексными параметрами [3]. Фактически при длительных временах миграции это приводит к увеличению эффективной пористости песчаных коллекторов или (что приводит к тому же результату) увеличению их эффективной мощности. Однако здесь для оценки комплексных параметров необходимо существенно более детальное изучение строения глинистых прослоев и оценок их общей пористости.
Добавим к этому, что проектирование ЗСО крупных водозаборов, как и любые другие виды проектирования водозаборных сооружений, требуют проведения специальных инженерных изысканий, направленных на обоснование расчетных параметров, обосновывающих границы ЗСО (в том числе общей и эффективной пористости пород), которые не всегда проводятся в рамках работ по геологическому изучению с целью оценки запасов подземных вод.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мироненко, В.А. Проблемы гидрогеоэкологии. Монография в 3-х томах. Том 1. Теоретическое изучение и моделирование геомиграционных процессов // В.А. Мироненко, В.Г. Румынин. — М.: МГГУ, 1998. — 611 с.
2. Рошаль, А.А. Полевые методы определения миграционных параметров. Обзор ВИЭМС. Сер. Гидрогеология и инженерная геология // А.А. Рошаль. — М.: ВИЭМС, 1981. — 61 с.
3. Рошаль, А.А. О миграции подземных вод в слоистых средах / А.А. Рошаль, В.М. Шестаков // Гидрогеологические вопросы подземного захоронения промышленных стоков (Сб. статей). — М.: ВСЕГИНГЕО, 1969. — С. 43–55.
4. Шестаков, В.М. Гидрогеодинамика: Учебник. — 3-е изд. // В.М. Шестаков. — М.: МГУ, 1995. — 368 c.
© Ершов Г.Е., 2025
