Принципы типизации и схематизации гидрогеологических условий

Природные условия, в которых происходит движения подземных вод, чрезвычайно важны и разнообразны. Они еще более усложняются вследствие инженерной деятельности человека. Изучения и учет этих условий – важнейший элемент количественной оценки фильтрации подземных вод.

Типизация гидрогеологических условий представляет собой гидрогеодинамическое районирование территории с выделением однотипных участков по гидродинамическим особенностям и возможным расчетным схемам. Они выделяются по общности структуры потока, условий залегания и гидравлическим состояниям водоносных горизонтов или комплексов, по общему строению пласта и видам границ и действующих на них граничных условий. Типизация заканчивается районированием территории по основным типам расчетных схем. Результаты районирования отражаются в специальных таблицах или на картах. [Гавич, Пиннекер]

Схематизация заключается в упрощении природных особенностей и действующих факторов в пределах выделенных типовых районах и всей исследуемой территорией в целом. В результате строится сначала фильтрационная, а потом расчетная схемы исследуемого объекта.

Основными задачами схематизации являются:

1. выявление главных и второстепенных факторов и установление, какими из них можно пренебречь;
2. определение более достоверной схемы строения пласта и расчетных значений параметра;
3. упрощение фильтрации и замена пространственной на плановую или плоско-вертикальную;
4. решение вопросов о необходимости учета соседних, гидравлических с основными, пластов и определение формы их представления в модели (в виде самостоятельных водоносных горизонтов, граничных условий II или III рода;
5. выявление зоны инженерного сооружения в плане и разрезе;
6. упрощение форм, границ и законов изменения на них уровней и расходов потока.

Процесс схематизации подразделяется на два этапа. Первый включает анализ природных условий и составление исходной фильтрационной схемы. Они представляют собой специальные карты и разрезы, на которых отражены все основные гидрогеологические особенности исследуемого объекта:

1. размеры и конфигурация;
2. строение и значение расчетных параметров;
3. типы граничных условий и принятые законы их изменения в плане и разрезе;
4. факторы прогноза и их изменения за счет время (размещение эксплуатационных скважин, положение каналов и т.д).

Второй этап схематизации содержит дальнейшее упрощение гидрогеологических условий. Оно выполняется применительно к выбранному методу аналитических расчетов, принятому типу моделей и способу ее построения.

Оценка качества исходной схемы является первым шагом в обосновании достоверности составляемых гидрогеологических прогнозов, так как позволяет неформально оценить качество используемой информации и принятых допущений.

Содержание этапов схематизации могут существенно изменяться в зависимости от сложности строения района, степени его изученности, качества и объема имеющейся информации, стадии исследования и целевого назначения решаемой задачи.

На границах областей фильтрации должны быть заданы граничные условия (ГУ). Эти условия могут быть четырех основных видов, их называют ГУ I, II, III и IV рода.

ГУ I рода существуют на совершенной границе пласта с крупным водотоком. Это урез глубоких рек или каналов, водохранилища, моря. Уровень воды на границе изменяется независимо от положения уровней внутри области фильтрации, при этом заранее известен закон изменения положения уровня во времени H=f(t). Это всегда открытая граница. В частном случае H(t)=const и ∆H(t)=0, т.е. условия постоянства уровня воды на границе во времени.

ГУ II рода характеризует величину расхода воды, идущую через границу независимо то изменения уровней внутри области фильтрации, т.е. Q=f(t). Примерами граничных условий второго рода являются инфильтрационное питание при глубоком залегании подземных вод, откачки воды насосом из скважины и т.п. Частный, но весьма распространенный, случай ГУ (II) рода – условия постоянного во времени расхода Q(t) = const, W(t)=const или ∆W(t)=0. На закрытой границе пласта (водоупор, выклинивания пласта, контакт с непроницаемой породой) выполняется условие Q=0. При отсутствии инфильтрационного питания на уровне грунтовых вод (УГВ) соблюдается условие W=0.

ГУ III рода характеризует величину расхода воды, идущего через границу в зависимости от разности уровней на границе в области фильтрации, т.е. Q=f(H₀-H_x,t). Примерами ГУ третьего рода являются расход источника, величина испарения с уровня грунтовых вод, причем в этом случае H₀ – отметка поверхности рельефа, водообмен подземных вод с несовершенной рекой, в русле которой залегает слой слабопроницаемых суглинков мощностью m₀ и с коэффициентом фильтрации k₀. В последнем случае величина единичного расхода через русло реки определяется зависимостью , где h₀ – глубина воды в реке; H_x,t – уровень воды в водоносном пласте, т.е. на подошве слоя суглинков. В том случае если H_x,t>H₀, то происходит разгрузка подземных вод в реку, если H_x,t<H₀ – река питает водоносный пласт. Максимальные потери по речному стоку произойдут, если уровень H_x,t опустится ниже подошвы уровней и будут равны , где h₀ – глубина воды в реке. При дальнейшем снижении уровня H_x,t расход воды из реки останется неизменным q(t)=const. Аналогичным образом изменится расход источника, при H_x,t≤H₀ источник прекращает функционировать. Испарение прекращается при опускании уровня H_x,t ниже критической глубины от поверхности рельефа (обычно 2-4 м).

ГУ IV рода устанавливается на внутренних границах области фильтрации, обычно на границе неоднородного строения пласта. Это условие характеризует неразрывность потока, т.е. равенство расходов до и после прохождения потока это границы Q₁=Q₂ или , где все обозначения с индексом 1 характеризуют водоносный горизонт с одной стороны границы, а с индексом 2 – с другой стороны. Эти ГУ используются для возможности выделения в сложно-построенной области фильтрации однородных фрагментов ( и т.п.). Для каждого из этих фрагментов несложно записать уравнение, описывающее связь расхода и изменения уровня. ГУ IV рода используется как дополнительное уравнение, позволяющее соединить эти фрагменты во всей области фильтрации.

	Фильтрационная схема исследуемой области	Типовые расчетные гидрогеологические схемы
План	Разрез
Неограниченный пласт				Неограниченный пласт
Полуограниченный пласт (а - пласт ограниченный одной прямолинейной границей, б – с прямолинейной границей вдоль сброса)	а)			Полуограниченный пласт
б)
Полоса с двумя прямолинейными границами (а – вдоль реки и борта долин, б – вдоль реки и борта долины, в – при слабопроницаемых породах в обоих бортах долины)	а)			Пласт-полоса
б)
в)
Прямоугольник с прямолинейными границами вдоль рек.				Пласт-кводрант
	Пласт-угол
Круг, ограниченный слабопроницаемыми породами.				Пласт-круг