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

Průřezový diagram přechodného Theisova řešení pro radiální vzdálenost vs čerpání v čase

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

  1. ^ 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 .
  2. ^ 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:

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 .
  • 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

Viz také