Тест водоносного горизонта

Тест водоносного горизонта (или тест закачки ) проводится для оценки водоносный горизонт путем «стимулирования» водоносного горизонта посредством постоянной откачки и наблюдения «реакции» водоносного горизонта (просадка ) в наблюдательных скважинах. Испытания водоносных горизонтов - это обычный инструмент, который гидрогеологи используют для характеристики системы водоносных горизонтов, водоносных горизонтов и границ проточной системы.

A пробка - это разновидность типичного испытания водоносного горизонта, при котором происходит мгновенное изменение (увеличение или уменьшение), и эффекты наблюдаются в той же скважине. Это часто используется в геотехнических или инженерных установках, чтобы получить быструю оценку (минуты, а не дни) свойств водоносного горизонта непосредственно вокруг скважины.

Тесты водоносного горизонта обычно интерпретируются с использованием аналитической модели потока водоносного горизонта (наиболее фундаментальным из которых является решение Тейса), чтобы соответствовать данным, наблюдаемым в реальном мире, а затем предполагая, что параметры из идеализированной модели применимы к реальный водоносный горизонт. В более сложных случаях может использоваться числовая модель для анализа результатов испытания водоносного горизонта, но добавление сложности не гарантирует лучших результатов (см. экономия ).

Испытание водоносного горизонта отличается от испытания скважины тем, что поведение скважины в первую очередь вызывает беспокойство во втором случае, тогда как характеристики водоносного горизонта оцениваются количественно в первом.. Для тестирования водоносного горизонта также часто используются одна или несколько контрольных скважин или пьезометров ("точечных" наблюдательных скважин). Скважина для мониторинга - это просто скважина, в которой не производится закачка (но она используется для мониторинга гидравлического напора в водоносном горизонте ). Обычно мониторинговые и откачивающие скважины экранируются через одни и те же водоносные горизонты.

• 1 Общие характеристики
• 2 Методы анализа
  • 2.1 Переходные процессы Theis-решение
  • 2.2 Устойчивое состояние Thiem-решения
• 3 Источники ошибок
• 4 Ссылки
• 5 Дополнительная литература
• 6 Программное обеспечение для анализа
• 7 См. Также

Чаще всего испытание водоносного горизонта проводится путем откачки воды из одной скважины с постоянной скоростью и не менее однажды, при тщательном измерении уровня воды в мониторинговых колодцах. Когда вода перекачивается из насосной скважины, давление в водоносном горизонте, питающем эту скважину, снижается. Это снижение давления будет отображаться как депрессия (изменение гидравлического напора) в наблюдательной скважине. Просадка уменьшается с увеличением радиального расстояния от насосной скважины, а просадка увеличивается с продолжительностью периода времени, в течение которого продолжается откачка.

Характеристики водоносного горизонта, которые оцениваются в ходе большинства испытаний водоносного горизонта, следующие:

• Гидравлическая проводимость Скорость потока воды через единицу площади поперечного сечения водоносного горизонта при единичном гидравлическом градиенте. В единицах США скорость потока выражается в галлонах в день на квадратный фут площади поперечного сечения; в единицах СИ гидравлическая проводимость обычно выражается в м в сутки на м. Единицы измерения часто сокращаются до метров в день или эквивалента.
• Конкретное хранение или способность к хранению: мера количества воды, которую ограниченный водоносный горизонт уступит при определенном изменении напора;
• Коэффициент пропускания скорость, с которой вода проходит через всю толщину и единицу ширины водоносного горизонта при единичном гидравлическом градиенте. Он равен гидравлической проводимости, умноженной на толщину водоносного горизонта;

Дополнительные характеристики водоносного горизонта, которые иногда оцениваются, в зависимости от типа водоносного горизонта, включают:

• Удельный дебит или дренируемая пористость: мера количество воды, которое безнапорный водоносный горизонт откажется после полного осушения;
• Коэффициент утечки: некоторые водоносные горизонты ограничены водоносными пластами, которые медленно отдают воду в водоносный горизонт, обеспечивая дополнительную воду для уменьшения просадки;
• Наличие границ водоносного горизонта (подпитка или отсутствие потока) и их расстояние от откачиваемой скважины и пьезометров.

Соответствующая модель или решение уравнения потока грунтовых вод должны выбирается в соответствии с наблюдаемыми данными. Существует множество различных вариантов моделей, в зависимости от того, какие факторы считаются важными, включая:

• негерметичные водоемы,
• неограниченный поток (задержанный дебит),
• частичное проникновение в насосные и мониторинговые скважины.,
• конечный радиус ствола скважины - который может привести к накоплению в стволе скважины,
• двойная пористость (обычно в трещиноватой породе),
• анизотропные водоносные горизонты,
• неоднородные водоносные горизонты,
• конечные водоносные горизонты (эффекты физических границ видны в тесте) и
• комбинации вышеуказанных ситуаций.

Практически все методы решения для тестирования водоносных горизонтов основаны на решении Theis; он построен на самых упрощающих предположениях. Другие методы ослабляют одно или несколько предположений, на которых построено решение Theis, и поэтому они получают более гибкий (и более сложный) результат.

Переходное решение Theis

График поперечного сечения временного решения Theis для радиального расстояния и просадки во времени

Уравнение Theis было создано Чарльзом Верноном Тайсом (работающим в Геологической службе США ) в 1935 г., из литературы по теплопередаче (с математической помощью К.И. Любина), для двумерного радиального потока к точечному источнику в бесконечном однородном водоносном горизонте. Это просто

$s\; =\; Q\; 4\; \pi \; TW\; (u)\; u\; =\; r\; 2\; S\; 4\; T\; t\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; s\; =\; \{\backslash \; frac\; \{Q\}\; \{4\; \backslash \; pi\; T\}\}\; W\; (u)\; \backslash \backslash \; [0.5em]\; u\; =\; \{\backslash \; frac\; \{r\; ^\; \{2\}\; S\}\; \{4Tt\}\}\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

где s - депрессия (изменение гидравлического напора в точке с начала испытания), u - безразмерный временной параметр, Q - дебит (откачка) из скважины (объем, деленный на время, или м³ / с), T и S - проницаемость и пластичность водоносного горизонта вокруг скважины (м² / с и без единиц измерения, соответственно), r - расстояние от нагнетательной скважины до точки, где наблюдалась просадка ( m), t - время с начала закачки (секунды), а W (u) - это «функция скважины» (называемая экспоненциальным интегралом, E 1 в негидрогеологии литература). Функция скважины аппроксимируется бесконечным рядом

$W\; (u)\; =\; -\; 0,577216\; -\; ln\; \; (u)\; +\; u\; -\; u\; 2\; 2\; \times \; 2!\; +\; u\; 3\; 3\; \times \; 3!\; -\; u\; 4\; 4\; \times \; 4!\; +\; \cdots \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{align\}\; W\; (u)\; =\; -\; 0,577216-\; \backslash \; ln\; (u)\; +\; u\; -\; \{\backslash \; frac\; \{u\; ^\; \{2\}\}\; \{2\; \backslash \; times\; 2!\}\}\; +\; \{\backslash \; Frac\; \{\; u\; ^\; \{3\}\}\; \{3\; \backslash \; times\; 3!\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{u\; ^\; \{4\}\}\; \{4\; \backslash \; times\; 4!\}\}\; +\; \backslash \; cdots\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

Обычно это уравнение используется для определения средних значений T и S около нагнетательной скважины на основе данных депрессии, собранных во время испытания водоносного горизонта. Это простая форма обратного моделирования, поскольку результат (-ы) измеряется в скважине, наблюдаются r, t и Q, а значения T и S, которые лучше всего воспроизводят измеренные данные, помещаются в уравнение до получения наилучшего найдено соответствие между наблюдаемыми данными и аналитическим решением.

Решение Theis основано на следующих предположениях:

• Поток в водоносном горизонте адекватно описывается законом Дарси (т.е. Re <10).
• однородный, изотропный, замкнутый водоносный горизонт,
• скважина полностью проникает (открыт на всю толщину (b) водоносного горизонта),
• скважина имеет нулевой радиус (аппроксимируется вертикальной линией) - следовательно, в скважине невозможно накапливать воду,
• скважина имеет постоянную скорость откачки Q,
• потеря напора через экран скважины незначительна,
• водоносный горизонт бесконечный в радиальном направлении,
• горизонтальный (не наклонный), ровный, непроницаемый (непроницаемый) верхняя и нижняя границы водоносного горизонта,
• поток грунтовых вод горизонтальный
• никакой другой скважин или долгосрочные изменения в региональных уровнях воды (все изменения потенциометрической поверхности являются результатом одной только откачивающей скважины)

Несмотря на то, что все эти предположения редко выполняются, в зависимости от степени их нарушения (например, если границы водоносного горизонта мы За пределами той части водоносного горизонта, которая будет проверяться насосным испытанием) раствор может быть полезен.

Устойчивое решение Тима

Устойчивый радиальный поток к насосной скважине обычно называют решением Тима, он возникает в результате применения закона Дарси к цилиндрические управляющие объемы оболочки (т. е. цилиндр с большим радиусом, из которого вырезан цилиндр меньшего радиуса) вокруг насосной скважины; обычно его записывают как:

$час\; 0\; -\; час\; =\; Q\; 2\; \pi \; T\; ln\; \; (R\; r)\; \{\backslash \; displaystyle\; h\_\; \{0\}\; -h\; =\; \{\backslash \; frac\; \{Q\}\; \{2\; \backslash \; pi\; T\}\}\; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{R\}\; \{r\}\}\; \backslash \; right)\}$

В этом выражении h 0 - фон гидравлический напор, h 0 -h - депрессия на радиальном расстоянии r от нагнетательной скважины, Q - дебит нагнетательной скважины (в начале координат), T - коэффициент пропускания, а R - радиус воздействия или расстояние, на котором голова все еще находится в h 0. Эти условия (установившийся поток в насосную скважину без близлежащих границ) в действительности никогда не встречаются в природе, но их часто можно использовать в качестве приближения к реальным условиям; решение получается из предположения, что существует круговая граница постоянного напора (например, озеро или река в полном контакте с водоносным горизонтом), окружающая насосную скважину на расстоянии R.

Решающее значение как при испытании водоносного горизонта, так и при испытании скважин имеет точная регистрация данных. Необходимо не только тщательно записывать уровни воды и время измерения, но и периодически проверять и записывать скорость откачки. Незарегистрированное изменение скорости откачки всего на 2% может ввести в заблуждение при анализе данных.

1. ^Theis, Charles V. (1935). «Связь между опусканием пьезометрической поверхности и скоростью и продолжительностью сброса скважины с использованием накопителей грунтовых вод». Сделки, Американский геофизический союз. 16 (2): 519–524. doi : 10.1029 / TR016i002p00519. hdl : 2027 / uc1.31210024994400.
2. ^Тим, Гюнтер (1906). «Hydrologische methodden» (на немецком языке). Лейпциг: JM Gebhardt: 56. Для цитирования журнала требуется | journal =()

Геологическая служба США содержит некоторые очень полезные бесплатные ссылки по интерпретации насосных тестов:

• Ferris, JG; Knowles, DB; Brown, RH; Stallman, RW (1962). Theory of Aquifer Tests (PDF). Water Supply Paper 1536- EUS Geological Survey.
• Столлман, Р.В. (1971). "Глава B1". Дизайн, наблюдение и анализ данных водоносных горизонтов (PDF). Книга 3, Применение гидравлики. Геологическая служба США.
• Рид, Дж. Э. (1980). "Глава B3". Типовые кривые для избранных задач потока в скважины в замкнутых водоносных горизонтах (PDF). Книга 3, Приложения гидравлики. Геологическая служба США.
• Franke, 0.L.; Reilly, TE; Bennett, GD (1987). «Глава B5». Определение граничных и начальных условий в анализе систем потока насыщенных грунтовых вод - Введение ( PDF). Книга 3, Применение гидравлики. Геологическая служба США.

Some commercia Печатные ссылки на интерпретацию испытаний водоносных горизонтов:

• Бату, В. (1998). Гидравлика водоносных горизонтов: подробное руководство по анализу гидрогеологических данных. Wiley-Interscience. ISBN 0-471-18502-7.
  • Хороший обзор наиболее популярных методов тестирования водоносных горизонтов, полезный для практикующих гидрогеологов
• Dawson, K.J.; Исток, J.D. (1991). Тестирование водоносных горизонтов: разработка и анализ откачивания и пробковых тестов. Lewis Publishers. ISBN 0-87371-501-2.
  • Тщательно, немного более математически, чем Batu
• Kruseman, G.P.; де Риддер, Н.А. (1990). Анализ и оценка данных насосных испытаний (PDF) (Второе изд.). Вагенинген, Нидерланды: Международный институт мелиорации и улучшения земель. ISBN 90-70754-20-7.
  • Превосходная обработка большинства методов анализа водоносных горизонтов (но эту книгу трудно найти)
• Boonstra, J.; Кселик, Р.А.Л. (2002). SATEM 2002: Программное обеспечение для оценки испытаний водоносных горизонтов. Вагенинген, Нидерланды: Международный институт мелиорации и улучшения земель. ISBN 90-70754-54-1.
  • На линии: [1]
• Синдаловский, Л.Н. (2011). ANSDIMAT - программа для оценки параметров водоносных горизонтов. Санкт-Петербург, Россия: Наука. ISBN 978-5-02-025477-0.
  • Интерактивное руководство пользователя ANSDIMAT: [2].

Другие названия книг можно найти в разделе для дальнейшего чтения раздел статьи по гидрогеологии, большая часть которого содержит некоторый материал по анализу испытаний водоносного горизонта или теории, лежащей в основе этих методов испытаний.

• Программное обеспечение Water Resources Applications от Геологической службы США
• Schlumberger Water Services - Программное обеспечение для испытаний насосов и анализа данных пробок
• ANSDIMAT - расширенное коммерческое программное обеспечение
• AQTESOLV - стандартное коммерческое программное обеспечение
• MLU для Windows LT - Бесплатное программное обеспечение для тестирования откачки и анализа пробок в одной или двух системах водоносных горизонтов
• VINMOD Multi-Well - Анализ загрязнения подземных вод с использованием насосных испытаний и параметров загрязнения из откачиваемых подземных вод
• Hytool - набор инструментов с открытым исходным кодом для интерпретации откачивания и построения тестов на Matlab
• SmartGEO - расширенный коммерческое программное обеспечение для определения характеристик неоднородных водоносных горизонтов, гидравлической томографии и многократных откачиваний

• Допущение Дюпюи – Форкхаймера
• Подземные воды
• Водозаборная скважина
• Группа LinkedIn по анализу откачивания