Zkouška vodonosné vrstvy - Aquifer test
Test zvodnělé vrstvy (nebo čerpací zkouška ) se provádí k vyhodnocení zvodnělé vrstvy „stimulací“ vodonosné vrstvy neustálým čerpáním a pozorováním „odezvy“ zvodnělé vrstvy ( čerpání ) v pozorovacích jamkách . Testování zvodnělé vrstvy je běžným nástrojem, který hydrogeologové používají k charakterizaci systému zvodnělých vrstev, aquitardů a hranic systému toku.
Test slimák je variací na typické kolektoru testu, kde se z okamžité změny (zvýšení nebo snížení), a účinky jsou pozorovány v téže jamce. To se často používá v geotechnických nebo technických prostředích k získání rychlého odhadu (minuty místo dnů) vlastností vodonosné vrstvy bezprostředně kolem vrtu.
Testy aquifer jsou obvykle interpretovány pomocí analytického modelu toku aquifer (nejzásadnější je Theisovo řešení), který odpovídá datům pozorovaným v reálném světě, za předpokladu, že parametry z idealizovaného modelu platí pro aquifer v reálném světě. Ve složitějších případech může být k analýze výsledků testu aquifer použit numerický model, ale přidání složitosti nezajistí lepší výsledky (viz šetrnost ).
Testování zvodnělé vrstvy se liší od zkoušení vrtu v tom, že chování vrtu je v první řadě znepokojující, zatímco vlastnosti zvodnělé vrstvy jsou kvantifikovány v prvním případě. Testování aquifer také často využívá jeden nebo více monitorovacích vrtů nebo piezometry („bodové“ pozorovací vrty). Monitorovací jímka je jednoduše studna, která není čerpána (ale slouží k monitorování hydraulické hlavy ve vodonosné vrstvě ). Monitorovací a čerpací vrty jsou obvykle sledovány přes stejné kolektory.
Obecná charakteristika
Test zvodnělé vrstvy se nejčastěji provádí čerpáním vody z jedné studny rovnoměrnou rychlostí a po dobu nejméně jednoho dne, přičemž se pečlivě měří hladiny vody v monitorovacích jamkách. Když je voda čerpána z čerpací studny, tlak ve vodonosné vrstvě, která napájí tuto studnu, klesá. Tento pokles tlaku se v pozorovací studni projeví jako čerpání (změna hydraulické hlavy). Čerpání klesá s radiální vzdáleností od čerpací studny a čerpání se zvyšuje s dobou, kdy čerpání pokračuje.
Vlastnosti zvodnělé vrstvy, které jsou hodnoceny většinou zkoušek zvodnělé vrstvy, jsou:
- Hydraulická vodivost Míra průtoku vody jednotkovou průřezovou vrstvou zvodnělé vrstvy při jednotkovém hydraulickém spádu. V amerických jednotkách je rychlost průtoku v galonech za den na čtvereční stopu plochy průřezu; v jednotkách SI se hydraulická vodivost obvykle uvádí v m 3 za den na m 2 . Jednotky se často zkracují na metry za den nebo ekvivalent.
- Specifické skladování nebo skladovatelnost : míra množství vody, které se uzavřená vodonosná vrstva vzdá pro určitou změnu hlavy;
- Transmisivita Rychlost, kterou se voda přenáší přes celou tloušťku a jednotkovou šířku vodonosné vrstvy pod jednotkovým hydraulickým gradientem. Rovná se hydraulické vodivosti krát tloušťky vodonosné vrstvy;
Mezi další charakteristiky zvodnělé vrstvy, které se někdy hodnotí, v závislosti na typu zvodnělé vrstvy, patří:
- Specifický výtěžek nebo odvodnitelná pórovitost: míra množství vody, které se neomezená zvodněná vrstva vzdá, když je zcela vyčerpaná;
- Koeficient úniku: některé vodonosné vrstvy jsou omezeny vodonosnými kolektory, které se pomalu vzdávají vodonosné vrstvy a poskytují další vodu ke snížení odtoku;
- Přítomnost hranic zvodnělé vrstvy (dobití nebo bezproudu) a jejich vzdálenost od čerpané studny a piezometrů.
Analytické metody
Musí být zvolen vhodný model nebo řešení rovnice toku podzemní vody, aby odpovídal pozorovaným údajům. Existuje mnoho různých možností modelů v závislosti na tom, jaké faktory jsou považovány za důležité, včetně:
- děravé aquitardy,
- neomezený tok (zpožděný výnos),
- částečný průnik čerpacích a monitorovacích vrtů,
- konečný poloměr vrtu - což může vést k uložení vrtu,
- dvojitá pórovitost (obvykle ve zlomené hornině),
- anizotropní kolektory,
- heterogenní kolektory,
- konečné zvodnělé vrstvy (účinky fyzikálních hranic jsou patrné v testu) a
- kombinace výše uvedených situací.
Téměř všechny metody zkušebního řešení aquifer jsou založeny na řešení Theis; je postaven na nejjednodušších předpokladech. Jiné metody uvolňují jeden nebo více předpokladů, na nichž je Theisovo řešení postaveno, a proto získávají pružnější (a složitější) výsledek.
Přechodné Theisovo řešení
Theisovu rovnici vytvořil Charles Vernon Theis (pracující pro US Geological Survey ) v roce 1935 z literatury o přenosu tepla (s matematickou pomocí CI Lubina) pro dvourozměrný radiální tok k bodovému zdroji v nekonečné homogenní vrstvě vody . Je to jednoduše
kde s je čerpání (změna hydraulické hlavy v bodě od začátku zkoušky), u je bezrozměrný časový parametr, Q je rychlost vypouštění (čerpání) studny (objem dělený časem nebo m³ / s) , T a S jsou prostupnost a skladnost zvodnělé vrstvy kolem vrtu (m² / s resp. Bez jednotky), r je vzdálenost od čerpací studny k bodu, kde bylo pozorováno čerpání (m), t je doba od začalo čerpání (sekundy) a W (u) je „funkce Well“ ( v nehydrogeologické literatuře se nazývá exponenciální integrál E 1 ). Funkce studny je aproximována nekonečnou řadou
Tato rovnice se obvykle používá k nalezení průměrných hodnot T a S v blízkosti čerpací studny z údajů o čerpání shromážděných během zkoušky zvodnělé vrstvy. Jedná se o jednoduchou formu inverzní modelování, protože výsledek ( y ) se měří v dobře, r , t , a Q jsou pozorovány, a hodnoty T a S , která nejlépe reprodukují naměřených dat jsou vloženy do rovnice do nejlepší shoda mezi pozorovanými daty a analytickým řešením.
Theisovo řešení je založeno na následujících předpokladech:
- Tok ve vodonosné vrstvě je dostatečně popsán Darcyho zákonem (tj. Re <10).
- homogenní, izotropní, uzavřená vodonosná vrstva ,
- studna plně proniká (otevřená po celé tloušťce ( b ) vodonosné vrstvy),
- studna má nulový poloměr (je uvedena jako svislá čára) - proto ve studni nemůže být skladována žádná voda,
- vrt má konstantní rychlost čerpání Q,
- ztráta hlavy nad obrazovkou studny je zanedbatelná,
- aquifer je v radiálním rozsahu nekonečný,
- vodorovné (ne šikmé), ploché, nepropustné (nepropustné) horní a spodní hranice vodonosné vrstvy,
- tok podzemní vody je vodorovný
- žádné další studny ani dlouhodobé změny regionálních vodních hladin (všechny změny potenciometrického povrchu jsou výsledkem samotného čerpání studny)
I když jsou tyto předpoklady splněny jen zřídka, v závislosti na míře jejich porušení (např. Jsou-li hranice zvodnělé vrstvy značně mimo část zvodnělé vrstvy, která bude testována čerpací zkouškou), může být řešení stále užitečné .
Stabilní řešení Thiem
Rovnoměrný radiální tok do čerpací studny se běžně nazývá Thiemovo řešení, vychází z aplikace Darcyho zákona na kontrolní objemy válcového pláště (tj. Válec s větším poloměrem, který má z něj vyříznutý válec s menším poloměrem) o čerpací studna; běžně se píše jako:
V tomto výrazu h 0 je hydraulická hlava pozadí , h 0 - h je čerpání v radiální vzdálenosti r od čerpací studny, Q je rychlost vypouštění čerpací studny (na počátku), T je propustnost a R je poloměr vlivu nebo vzdálenost, ve které je hlava stále h 0 . Tyto podmínky (tok v ustáleném stavu do čerpací studny bez hranic v okolí) se v přírodě nikdy skutečně nevyskytují , ale lze je často použít jako aproximaci skutečných podmínek; řešení je odvozeno za předpokladu, že kolem čerpací studny ve vzdálenosti R je kruhová konstantní hranice hlavy (např. jezero nebo řeka v plném kontaktu s vodonosnou vrstvou) .
Zdroje chyb
Při testování kolektorů a studní má zásadní význam přesné zaznamenávání údajů. Nejen, že je třeba pečlivě zaznamenávat hladinu vody a čas měření, ale je třeba pravidelně kontrolovat a zaznamenávat čerpané množství. Nezaznamenaná změna rychlosti čerpání již od 2% může být při analýze dat zavádějící.
Reference
- ^ Theis, Charles V. (1935). "Vztah mezi snížením piezometrického povrchu a rychlostí a dobou vypouštění vrtu pomocí zásobníku podzemní vody." Transakce, Americká geofyzikální unie . 16 (2): 519–524. doi : 10,1029 / TR016i002p00519 . hdl : 2027 / uc1.31210024994400 .
-
^ Thiem, Günther (1906). „Hydrologische methoden“ (v němčině). Lipsko: JM Gebhardt: 56. Citovat deník vyžaduje
|journal=
( pomoc )
Další čtení
US Geological Survey má některé velmi užitečné volné odkazy na čerpací testovacím výkladu:
- Ferris, JG; Knowles, DB; Brown, RH; Stallman, RW (1962). Teorie testů aquiferů (PDF) . Water Supply Paper 1536-EUS Geological Survey.
- Stallman, RW (1971). „Kapitola B1“. Aquifer-Test Design, pozorování a analýza dat (PDF) . Kniha 3, Applications of Hydraulics. Americký geologický průzkum.
- Reed, JE (1980). „Kapitola B3“. Zadejte křivky pro vybrané problémy toku do jamek v uzavřených kolektorech (PDF) . Kniha 3, Applications of Hydraulics. Americký geologický průzkum.
- Franke, 0.L .; Reilly, TE; Bennett, GD (1987). „Kapitola B5“. Definice mezních a počátečních podmínek v analýze systémů nasycených toků podzemní vody - úvod (PDF) . Kniha 3, Applications of Hydraulics. Americký geologický průzkum.
Některé komerční tištěné odkazy na interpretaci testu aquifer:
-
Batu, V. (1998). Aquifer Hydraulics: komplexní průvodce hydrogeologickou analýzou dat . Wiley-Interscience. ISBN 0-471-18502-7 .
- Dobré shrnutí nejoblíbenějších zkušebních metod vodonosných vrstev, vhodné pro praxi hydrogeologů
-
Dawson, KJ; Istok, JD (1991). Aquifer Testing: návrh a analýza čerpacích a slimáckých testů . Vydavatelé Lewis. ISBN 0-87371-501-2 .
- Důkladné, trochu matematičtější než Batu
-
Kruseman, GP; de Ridder, NA (1990). Analýza a vyhodnocení údajů o čerpacích zkouškách (PDF) (druhé vydání). Wageningen, Nizozemsko: Mezinárodní institut pro melioraci a zlepšování půdy. ISBN 90-70754-20-7 .
- Vynikající zacházení s většinou metod analýzy testů aquifer (ale je to těžko dostupná kniha).
-
Boonstra, J .; Kselik, RAL (2002). SATEM 2002: Software pro vyhodnocení testu aquifer . Wageningen, Nizozemsko: Mezinárodní institut pro melioraci a zlepšování půdy. ISBN 90-70754-54-1 .
- On-line: [1]
-
Sindalovskiy, LN (2011). ANSDIMAT - software pro odhad parametrů zvodnělé vrstvy . Petrohrad, Rusko (v ruštině): Nauka. ISBN 978-5-02-025477-0 .
- Online uživatelská příručka ANSDIMAT: [2] .
Více knižních titulů lze najít v další části o hydrogeologii, která obsahuje většinu materiálů o analýze aquiferních testů nebo teorii těchto testovacích metod.
Software pro analýzu
- Software pro vodní zdroje z amerického geologického průzkumu
- Schlumberger Water Services - Pumping test a slimák testuje software pro analýzu dat
- ANSDIMAT - pokročilý komerční software
- AQTESOLV - standardní komerční software
- MLU pro Windows LT - svobodný software pro čerpací zkoušky a zkoušky na slimáky v jednom nebo dvou systémech zvodnělé vrstvy
- VINMOD Multi-Well - Analýza znečištění podzemních vod pomocí čerpacích zkoušek a parametrů znečištění z čerpaných podzemních vod
- Hytool - Otevřený soubor nástrojů pro čerpání a vytváření interpretace testů v Matlabu
- SmartGEO - pokročilý komerční software pro charakterizaci heterogenních vodonosných vrstev, hydraulickou tomografii a vícenásobné čerpací testy