Разработка и исследование нейтронно-индикаторного метода измерения параметров движения грунтовых вод

Директивами ХХУ1 съезда КПСС и решениями партии и советского правительства по реализации продовольственной программы предусматривается существенное увеличение ассигнований на развитие сельского хозяйства, в том числе на освоение новых земель и строительство оросительных системв течение одиннадцатой пятилетке должно быть введено в эксплуатацию 3,4 * 3,6 млн. га орошаемых земель, 3,7 * 3,9 млн. га осушенных земель и обводнено 26 * 28 млн. га пастбищ. Успешное решение этих важнейших народнохозяйственных задач связано с небывалым ростом объемов исследовательских и проектно-изыскательских работ и повышением требований к эффективности использования водных ресурсов. При этом особое значение приобретает получение своевременной и надежной информации о параметрах движения грунтовых вод, составляющей неотъемлемую часть гидрогеолого-мелиоративных исследований по определению фильтрационных свойств грунтов, изучению взаимосвязи между поверхностными и грунтовыми водами, оценке потерь воды из каналов и водохранилищ, планированию мероприятий по борьбе с засолением почв, составлению многочисленных водобалансовых расчетов и мелиоративных прогнозов.

К числу наиболее эффективных инструментов определения гидродинамических характеристик потоков грунтовых вод мировая гидрогеологическая практика относит индикаторные методымноголетний опыт их использования свидетельствует о возможности получения такой информации, которая принципиально не может быть получена другими методами.

Вопросы практического использования индикаторных методов в гидрогеологии и мелиорации нашли отражение в трудах многих советских ученых: А. А. Абдуллаева, С. Я. Вартазарова, Н. Н. Веригина, М. П. Воларовича, В. М. Гринбаума, С. А. Коля, Н. И. Ильина, Б. К. Матвеева,.

Н.А.Огильви, А. Н. Султанходжаева, В. И. Ферронского, Н. Я. Флексера, Б. К. Хаитова, Н. ВЛураева, В. М. Шестакова и других. Эти вопросы находятся также в поле зрения многочисленных зарубежных исследователей.

Вместе с тем, как показывает анализ современного уровня развития индикаторных методов, традиционно применяемые методы не свободны от недостатков, обусловленных спецификой использования того или иного индикатора и средства его обнаружения. Их применение в ряде случаев сдерживается из-за токсичного воздействия индикатора на окружающую среду (радиоиядикаторный метод), значительных затрат труда и времени при отборе проб индикатора из скважин для последующего лабораторного анализа (метод отбора проб), а также недостаточной достоверности данных ввиду использования высокой концентрации индикатора, превышающей его фоновое содержание в природных грунтовых водах (электролитический метод). Кроме того, технико-экономические показатели исследований по определению параметров движения грунтовых вод снижаются из-за недостаточной методической изученности некоторых аспектов практического использования индикаторных методов, в том числе наиболее перспективного односкважинного метода разбавления. Отсутствие универсального метода исследований движения грунтовых вод, способного удовлетворить возросшим требованиям по точности, безопасности, оперативности и экономичности, является серьезным препятствием на пути повышения эффективности гидрогеолого-мелиоративных исследований, что вызывает необходимость совершенствования существующих и разработки новых индикаторных методов.

В этой связи актуальный практический интерес представляет задача разработки и исследования нейтронно-индикаторного метода, основанного на использовании биологически безопасных индикаторов—аномально-сильных поглотителей тепловых нейтронов (аномальных поглотителей) и обнаружении их непосредственно в скважинах посредством приборов, оснащенных нейтронными зондами. Несмотря на немногочисленные разрозненные сведения о перспективности использования способа измерений, положенного в основу данного метода, до последнего времени отсутствовала подробная информация о его характеристиках, методических возможностях и области практической применимости.

Поэтому цель настоящей работы состояла в установлении области применения и технических характеристик нейтронно-индикаторно-го метода, а также разработке комплекса методических приемов, способствующих его успешному применению в гидрогеолого-мелиоратив-ных исследованиях. Достижению поставленной цели способствовала постановка следующих общих задач:

1) исследование основных условий применения нейтронно-инди-каторного метода. Задача подразделяется на ряд частных задач, связанных с анализом подвижности борного индикатора, оценками дифференцирующей способности метода по направлению и влияния вынесенного из скважины индикатора, а также усовершенствованием конструкции зонда для комплексного измерения скорости фильтрации и направления движения грунтовых вод;

2) исследование чувствительности обнаружения аномальных поглотителей в скважине. Структура задачи состоит из двух частных задач: установления зависимости интенсивности потока тепловых нейтронов от концентрации аномального поглотителя в скважине и определения оптимальных пусковых концентраций индикаторов — аномальных поглотителей;

3) исследование точности измерения скорости фильтрации нейтроняо-индикаторным методом. При этом также возникла необходимость решения частных задач, а именно: установления общего вида выражения для измеренной скорости разбавления индикатора в скважинеанализа погрешностей методаанализа нижней границы применимости метода. Методика исследований предусматривала критический анализ передового отечественного и зарубежного опыта индикаторных исследований и разработку требований к технике их выполненияизготовление оптимальных средств измеренияпроведение обширных испытаний на крупномасштабных моделях, позволяющих имитировать процессы разбавления индикатора в скважине, вынос в прискважинную зону и прохождение в водонасыщеяном грунтепривлечение к обработке и интерпретации данных методов математической статистики и ЭВМ.

Уточнение результатов проводилось аналитическими расчетами. В результате проведенных исследований: разработана структура систематизации индикаторных методов исследований потоков грунтовых вод и выдвинуты основные требования к технике их проведениявыявлены факторы, способные повлиять на подвижность борного индикатора в грунтах, и предложена методика их предварительной оценкидоказано незначительное влияние вынесенного за пределы скважины индикатора, предопределяющее возможность оперативных сква-жинных измерений скорости фильтрацииоценена дифференцирующая способность метода по направлению и разработаны оптимальные конструкции измерительных зондовустановлены пусковые концентрации индикаторов для типовых конструкций скважин и допустимые фоновые концентрации аномальных поглотителей в природных грунтовых водахразработан порядок интерпретации результатов измерения скорости фильтрации нейтронно-индикаторным методом, установлена нижняя граница его применимости, оценены основные составляющие погрешно.

— 9 сти и предложены пути их снижениявынесены рекомендации по практическому применению метода в гидрогеолого-мелиоративных исследованиях и изысканиях.

Ряд положений работы содержит научную новизну и дополнит теорию индикаторных исследований потоков грунтовых вод. Получен общий вид выражения для измеренной скорости разбавления индикатора в скважине, и на его основе уточнены малоизученные аспекты использования односкважинного метода разбавления (связанные с целесообразностью введения поправки на скорость молекулярной диффузии индикатора и установлением оптимальной методики расчета коэффициента искажения потока скважиной при определении скорости фильтрации). Установлены пределы применимости зависимостей метода. Доказана возможность проведения оперативных измерений скорости фильтрации зондами облегченного типа. Предложена методика оценки подвижности борного индикатора, основанная на использовании серийных нейтронных влагомеров.

Выполненные разработки позволят расширить область применения и повысить достоверность индикаторных исследований потоков грунтовых вод и фильтрационных свойств грунтов. Использование вынесенных рекомендаций по применению нейтронно-индикаторного метода будет способствовать его внедрению в широкую практику гидрогеолого-мелиоративных исследований.

Разработанный нейтронно-индикаторный метод прошел опытно-производственную проверку на полигоне Шемиловской гидрогеологической экспедиции ВСЕГИНГЕО. Результаты натурных испытаний, приводимые в работе, подтвердили его соответствие основным требованиям к технике индикаторных исследований и возможность измерения параметров движения грунтовых вод с удовлетворительной точностью. Метод принят к практическому использованию организациями «Союзгипро-рис», «Киргизгипрозем» и включен в состав проекта ПТИ «Союзводпроектавтоматика» по регулированию водно-солевого режима почво-грунтов совхоза «Чалдовар» .

Материалы работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции по использованию радиационной техники в сельском хозяйстве (Кишинев, 1972) — П Всесоюзном семинаре «Радиоизотопные методы и средства в гидротехнике и мелиорации» (Москва, 1974) — республиканской научно-технической конференции, посвященной проблеме технического совершенствования оросительных систем (Фрунзе, 1974) — во ВНИИГиМ им. Костякова (Москва, 1976) — в проектных институтах «Союзгипрорис» (Чимкент, 1976)," Узгипроводхоз" (Ташкент, 1977) — на заседании объединенной методической комиссии (1977) и Ученом Совете ПО Узбекгидрогеология (1978)-научно-техническом совете ФКО «Автоматизация и метрология ВНПО «Союзводавтоматика» (1979).

Работа выполнена в ФКО «Автоматизация и метрология» ВНПО «Союзводавтоматика» с частичным использованием экспериментальной базы ВНИИГиМа.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям работы доктору технических наук профессору Н. И. Ильину и кандидату геолого-минералогических наук М. И. Исмаилову за большую научно-методическую помощь, оказанную в процессе работы над диссертацией.

Автор благодарит за содействие в постановке и проведении исследований кандидатов технических наук Х. С. Тяна (ВНПО «Союзводавтоматика»), Л. И. Веснина, Ю. Н. Томина (ВНИИГиМ).

Автор искренне признателен руководству, ученым и специалистам ПО «Узбекгидрогеология»: докторам наук А. С. Хасанову, Р. Я. Якубовой, кандидатам наук В. Г. Самойленко, В. А. Гейнцу, В. А. Борисову, Ю. М. Скорнякову, Н. Н. Романову, М. Р. Рахимову, Д. Ф. Хамраеву за консультационные советы и помощь при решении ряда организационных вопросов.

— 128 -ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. В диссертационной работе покавана перспективность совершенствования индикаторных исследований характеристик потоков грунтовых вод и фильтрационных свойств грунтов на основе нейтронно-индикаторного метода, использующего способ мечения потока грунтовых вод индикаторами — аномальными поглотителями и обнаружения их в скважинах посредством приборов, оснащенных зондами с источниками быстрых и детекторами тепловых нейтронов. Проведенные исследования позволили установить область, основные условия применения и технические характеристики метода, а также разработать комплекс методических приемов, способствующих его успешному практическому применению в гидрогеологии и мелиорации,.

2. На основе нейтронно-индикаторного метода возможны оперативные и безопасные измерения параметров движения грунтовых вод: расхода, скорости фильтрации, действительной скорости и направления. Требуемая оперативность метода достигается за счет проведения измерений в скважинах без отбора проб. Использование стабильных индикаторов (соединений бора, кадмия, редкоземельных элементов), не оказывающих токсичного воздействия на окружающую среду, и средств измерений (нейтронных влагомеров), обеспечивающих биологическую защиту оператора, предопределяет соответствие требованию безопасности.

3. Наиболее эффективным по критериям точности, оперативности и экономичности является односкважинный нейтронно-инди-каторный метод, позволяющий определять расход, скорость фильтрации и направление движения грунтовых вод. Он перспективен при необходимости получения локальных данных о движении грунтовых вод и фильтрационных свойствах грунтов в характерных.

— 129 -точках исследуемых объектов.

Метод наблюдательных скважин, позволяющий определять действительную скорость, целесообразно применять при исследовании характера и степени гидравлических взаимосвязей между водоемами, поверхностными и грунтовыми водами, отдельными водоносными горизонтами. Комплексное применение указанных методов позволяет получить ценную информацию о ряде гидродинамических и геохимических параметров горных пород и открывает большие возможности дня гид-рогеолого-мелиоративных исследований и изысканий.

4. Разработана структура систематизации индикаторных методов по признакам измеряемых параметров и используемых индикаторов, на основе которой сформулированы основные требования к технике индикаторных исследований.

Разработан порядок интерпретации результатов измерения скорости фильтрации односкважинным нейтронно-индикаторным методом. Получен общий вид выражения для измеренной скорости разбавления индикатора в скважине, и на его основе уточнены малоизученные аспекты практического применения индикаторного метода разбавленияустановлены пределы применимости зависимостей метода. Определены оптимальные пусковые концентрации основных индикаторов для типовых диаметров фильтров скважин и допустимые фоновые концентрации аномальных поглотителей в природных грунтовых водах. Доказано незначительное влияние вынесенного за пределы скважины индикатора на результаты измерения скорости фильтрации, предопределяющее возможность оперативных измерений зондами облегченного типа.

5. Показано, что растворимые соединения бора в общем случае обладают высокой подвижностью в грунтах и являются универсальными индикаторами при определении параметров движения грунтовых вод нейтронно-индикаторным методом.

— ISO.

При определении действительной скорости методом наблюдательных скважин подвижность этих индикаторов способны ограничить некоторые факторы механического и химического состава грунта (глины, тяжелые суглинки, повышенное содержание карбонатов кальция, полуторных окислов алюминия и железа, особенно при высокой щелочности грунта). Предложена методика предварительной оценки влияния упомянутых факторов на подвижность борного индикатора, основанная на использовании серийных нейтронных влагомеров.

6. Для определения направления движения грунтового потока односкважинным нейтронно-индикаторным методом рекомендуется использовать предложенную конструкцию зонда с кадмиевым щелевым экраномпри этом пусковая концентрация индикатора примерно вдвое превышает используемые концентрации метода разбавления.

7. Применение нейтронно-индикаторного метода позволяет повысить надежность данных индикаторных гидрогеолого-мелиоративных исследований, проводимых с требуемой оперативностью и безопасностью. Преимущество применения этого метода по сравнению с традиционным электролитическим особенно ощутимо в скважинах с фильтрами диаметром D1 > 100 мм, где пусковые концентрации электролитов превышают соответствующие концентрации борной кислоты более, чем на порядок, а концентрации наиболее сильного поглотителя (хлористого гадолиния) — в 200 и более раз.

7. Основными составляющими погрешности измерения скорости фильтрации односкважинным нейтронно-индикаторным методом ду^ является погрешность измерения скорости разбавления индикатора в скважине и погрешность определения коэффициента искажения потока скважиной 0? .

Погрешность при скоростях фильтрации 1^>>1,8 м/сут не превышает 10%- по мере уменьшения значений V.

— 131 ня при 1,8 м/сут достигается за счет введения поправки на скорость молекулярной диффузии индикатора Уд. С целью реализации указанного пути проведена оценка скорости Уд для типовых диаметров фильтров скважин.

Выполненный сравнительный анализ погрешности позволил выявить целесообразность использования методики Х. Мозера дня практических расчетов коэффициента искажения потока скважиной с перфорированным фильтром.

С учетом, проведенной оценки составляющих погрешность вполне удовлетворительно укладывается в установленные практические пределы погрешности индикаторного метода разбавления.

9. Натурные испытания нейтронно-индикаторного метода подтвердили его соответствие основным требованиям к технике индикаторных исследований и возможность измерения параметров движения грунтовых вод с удовлетворительной точностью.

Разработанный метод целесообразно использовать в организациях гидрогеологического и гидромелиоративного профиля, осуществляющих исследовательские и проектно-изыскательские работы по определению параметров движения грунтовых вод и фильтрационных свойств грунтов. В настоящее время метод принят к практическому использованию рядом проектно-изыскательских организаций. Дальнейшее его внедрение в практику гидрогеолого-мелиоративных исследований связано с использованием серийных нейтронных влагомеров (в частности, усовершенствованной модели ВПГР-1). С целью приспособления зондов этих приборов к условиям скважинных измерений разработана функциональная схема измерений и предложено (на уровне авторского свидетельства на изобретение) устройство инъекции индикатора из измерительного объема скважины.