2. 2. Експериментальні дослідження запасів підземних вод.

Експлуатаційні запаси підземних вод - це кількість води, яка може бути одержана з водоносного горизонту, басейну чи окремої ділянки водозабірними спорудами із заданим режимом во­довідбору і додержанням норм якості води протягом розрахунко­вого періоду експлуатації водозаборів. Серед загальних експлу­атаційних запасів підземних вод можна виділити динамічні й ста­тичні експлуатаційні запаси (Соляков, Вовк, 1966).

Експлуатаційні динамічні запаси - незменшувана витрата під­земних вод і яку можна одержати водозаборами при стабілізованих рівнях води, або усталена витрата при незменшуваних рівнях води.

Експлуатаційні статичні запаси - кількість води, яку можна одержати з водоносного горизонту без поновлення внаслідок опра­цювання природних статичних запасів протягом певного розрахун­кового часу.

Аналогічно поняттю модуля підземного стоку введено понят­тя модуля експлуатаційних запасів, що являє собою кількість во­ди, яку можна одержати з одиниці площі поширення водоносного горизонту чи комплексу в одиницю часу (в л/сек×км²).

Сучасні уявлення про регіональні експлуатаційні запаси підземних вод України, включаючи і водоносні горизонти чет­вертинних відкладів, грунтуються на даних: оцінки, виконаної в 1962 р. геологорозвідувальними трестами Міністерства геології України під науковим і методичним керівництвом ВСЕГНГЕО і УкрНВДТІ узагальнених і дещо уточнених УкрНДГРІ (Соляков, Вовк, 1967),

Дані про експлуатаційні запаси підземних вод постійно поповнються завдяки великому обсягові розшуково-розвідувальних ро­біт, які щорічно виконують міністерства геології України та інші організації з метою виявлення нових джерел водопостачання міст і сіл України. В результаті гідрогеологічних досліджень ос­танніх років були не тільки відкриті значні родовища підземних вод, пов`язані з четвертинними алювіальними відкладами, а й переглянуті резуль­тати попередніх оцінок щодо збільшення запасів підземних вод.

Під час регіональної оцінки у 1962 р. до експлуатаційних запасів (Q_e) ввійшли статичні запаси (Q_ec) , обчислені виходя­чи з 50-річної експлуатації, і динамічні запаси (Q_eg) , що не залежать від часу експлуатації (Q_e = Q_ee +Q_eg).

Експлуатаційні статичні запаси підземних вод обчислювали за методикою ВСЕГІНГЕО і ВОДГЕО (Биндеман, Бочевер, 1964),

Модулі статичних експлуатаційних запасів (М_ес) розраховува­ли окремо по кожному водоносному горизонту по сітці умовно зак­ладених водозаборів з приведеним радіусом "великого колодязя" ( ч_к - 10 м). Припускали, що водозабори розміщаються в шахматному порядку з відстанню між ними в ряду 5 км, а між рядами - 2,5 км.

Таким чином, водоносний горизонт ділили на систему замкнутих кліток, немовби відокремлених одна від одної непроникними стінками. В кожній такій клітці сітки за формулами неусталеного руху визначали витрату підземних вод відповідно до максимально допустимого зникання рівня (S_max) для заданого часу (50 років).

Для визначення дебіту водозаборів у клітці сітки користу­валися формулою Маскета:

для напірних вод (1)

для безнапірних вод , (2)

де К - коефіцієнт фільтрації, м/добу; m - потужність напір­ного водоносного горизонту, м; Н - потужність ґрунтового по­току, м; а - коефіцієнт п"єзопровідності (для напірних вод) чи рівнепровідності (для грунтового потоку), м²/добу; R_k - ра­діус непроникного контуру (для прийнятої cітки R_k = 2000 м); t - час в добах, протягом якого експлуатується водозабір з де­бітом Q, м³/добу.

Для напірних вод верхньої гідрогеологічної зони, в якій між водоносними горизонтами відбувається значний водообмін, ко­ефіцієнт п'єзопровідності а дорівнює 5×10⁴ м²/добу. ІІри тако­му його значенні і розрахунковому періоді 50 років, тобто 1,8 × 10² діб, після відповідних перетворень формули Маската мо­дуль статичних експлуатаційних запасів напірних вод визначали за формулою:

Зміст 1

Де q - питомий дебіт, л/сек; S - зниження рівня, яке відпові­дає питомому дебіту q, м; R - коефіцієнт, який для доскона­лих свердловин дорівнює 120-130 (залежно від прийнятого радіусу впливу).

Водопровідність пласта в недосконалих свердловинах визна­чали також за формулами (5) і (6), але коефіцієнт к змінювався залежно від відношення довжини фільтра ft) до потужності водо­носного горизонту ( m ) від 130 до 500 , якщо фільтр знаходився в середній частині горизонту, і до 590 , якщо фільтр був під покрівлею (при цьому потужність водоносного горизонту не перевищувала 50 м).

В деяких випадках водопровідність пласта у недосконалих свердловинах визначали за формулою М.М.Веригіна: (7)

Де R - радіус впливу, м; т₀ - радіус свердловини, м; ξ - величина додаткового опору, який приймає фільтраційний потік при вході в недосконалу свердловину.

На тих ділянках, до були відомі коефіцієнти фільтрації, визначені за формулами Дюпуі, Гиринського, Бабушкіна, Маскета та ін.., водопровідність прийняли як добуток коефіцієнта фільтрації на повну потужність водоносного горизонту.

За потужністю і напорами водоносного горизонту визначали величини максимально допустимого зниження рівня ( Smax), врахо­вуючи те, що водоносний пласт не повинен осушуватись більш як на половину своєї потужності, а динамічні рівні води у сверд­ловинах, за можливостями сучасного насосного обладнання, на по­винні залягати глибше 100 м.

За одержаними таким чином значеннями водопровідності і максимального зниження рівнів були складені карти спеціального гідрогеологічного районування ( km,S_max ), які дослужили ос­новою для підрахунку регіональних експлуатаційних запасів підземних вод тa побудови відповідної карти.

Для алювіальних і алювіально-флювіогляціальних відкладів величину водовіддачі (0,1-0,25) брала з літературних даних.

Менш розроблена методика обліку поповнення експлуатаційних запасів.

Залежно від вивченості кліматичних, орографічних та геолого-гідрологічних умов території, доповнення запасів підземних вод на Україні під час оцінки в 1962 р, визначали за природною вит­ратою потоку підземних вод (за формулою Дарсі); мінімальним сто­ком річок, методом воднобалансових розрахунків, коефіцієнтом інфільтрації атмосферних опадів; джерельним стоком та за виді­ленням прирічкових зон.

При безпосередньому зв`язку підземних вод алювіальних від­кладів з поверхневими водами річок на водозаборах утворюються сприятливі умови для поповнення запасів води при їх експлуата­ції, і русла річок при цьому можна прийняти за контур з постійним напором. Тому для оцінки експлуатаційник динамічних запасів під­земних вод алювіальних відкладів серед названих методів метод прирічкових зон, запропонований ВСЕГІНГВО, є найкращим.

Поповнення, яке водоносний горизонт матиме в області живлення при його експлуатації, враховується за цим методом так.

Припускають, що водозабори слід закладати паралельно річці, яка є межею з постійним напором. Кожний з них мав наведений радіус "великого колодязя" ч_к . Природний рівень підземних вод в такій прирічковій, зоні відповідає витраті природного потоку, що формується з атмосферних опадів, в області живлення. Остан­ня може бути на значній відстані від ріки. Якщо вважати природ­ний рівень по лінії цих водозаборів постійним, а обчислення про­вадити за формулами усталеного руху, то можна враховувати жив­лення водоносного горизонту або його динамічні запаси.

При обчисленні модулів динамічних запасів водоносних гори­зонтів у прирічкових зонах вважають, що перший від ріки ряд водо заборів немовби відокремлений від інших непроникною перегородкою приуроченою до осі першого ряду. Тоді приплив до водозаборів нескінченного прибережного ряду з боку ріки дорівнюватиме половині дебіту водозабору при двобічному живленні, яке обчислюється за формулою Маскета-Лейбензона:

(8)

де В - відстань ряду від ріки, м; А - відстань між водо­заборами у ряді, м. Решта позначень та сама, що і у формулі (І)

Для стандартної сітки, за якою оцінювали експлуатаційні запаси підземних вод, і за умови модуль поповнення експлуа­таційних запасів для прирічкової зони такий: для напірних вод

для безнапірних вод

Для району, в межах якого формуються визначувані динамічні запаси (прирічкової та вододільної зон) їх модулі дорівнюють

де - площа прирічкової зони; - площа всього району.

Якщо водоносний горизонт поширений тільки в прирічковій зоні (водоносний горизонт алювіальних відкладів), то

(12)

Цей метод найраціональніший для визначення динамічних запа­сів підземних вод водоносних горизонтів у зонах, які примикають до межі з постійним напором (ріка), де рух усталюється досить швидко. Під пас регіональної оцінки експлуатаційних запасів у 1962 р. він був застосований на території платформеної частини України в долинах Дністра, Прута, Дніпра (між гирлами річок Со­жі та Десни, між містами Черкаси і Кременчук, у пониззі - від Нової Каховки до гирла), Сіверського Дінця і малих річок Донецької об­ласті.

Як показала порівняльна оцінка методів визначення динамічних запасів підземних вод, зроблена для території України (Вовк, 1966), метод прирічкових зон добре зарекомендував себе у широких долинах низинних річок, вздовж яких гідравлічний зв`язок поверхневих вод з водоносними горизонтами добре витриманий і ре­гулюється значною товщею алювію.

В орографічно підвищених розчленованих районах, де умови гідравлічного зв’язку підземних вод з рікою досить мінливі, мо­дулі експлуатаційних динамічних запасів, визначені за цим мето­дом, виявились значно меншими, ніж модулі природних динамічних запасів, одержаних за методами мінімального стоку річок чи гене­тичного розчленування гідрографа, що, правда, підвищує ступінь ймовірності їх забезпеченості.

Експлуатаційні динамічні запаси підземних вод четвертинних відкладів північних районів країни в межах Українського Полісся (без долини Дніпра) оцінено за даними про підземний стік, який був розподілений по території з більш-менш однаковими знеченнями пропорційно водопровідності. Модулі експлуатаційних динамічних запасів окремих районів (Mⁱ_ed ) визначали за формулою:

де - середнє значення модуля підземного стоку водоносного горизонту в межах розрахункової площі ; - водопровідність оцінюваного водоносного горизонту даного району; - се­реднє значення водопровідності водоносного горизонту на розра­хунковій площі, тобто якщо у формуванні підземного стоку річок бере участь кілька водоносних горизонтів і комплексів, то його розподілу по площі поширення оцінюваного водоносного горизонту передував розподіл за цим самим принципом між окремими водоносними горизонтами і комплексами.

На деяких ділянках річкових терас для перевірки забезпе­ченості експлуатаційних динамічних запасів підземних вод, об­числених за методом прирічкових зон, були знайдені величини жив­лення підземних вод за рахунок атмосферних і поверхневих вод за даними режимних спостережень. При цьому, згідно з методикою М. М. Біндемана (1963), величина шару води за рік, що поступає на рівень водоносного горизонту,

(14)

- водовіддача; - підйом рівня підземних вод у періоди ймення, м; - величина, На яку знизився рівень підземних вод за той самий період внаслідок відтоку з водоносного горизон­ту, м.

Визначені за тим чи іншим методом значення модулів експлуатаційних запасів підземних вод підсумовували із значення модулів статичних і наносили на карту. Щоб уявити можливість водовідбору води окремими зосередженими водозаборами, за даних модулі експлуатаційних запасів,на карту наносили також дані про можливу продуктивність зосереджених водозабірних споруд. Їх обчислюють за формулою: (мм) (15)

Тут наведений радіус контура розміщення свердловин, який змінюється від 3000м. в селищах міського типу з потужністю водопостачання 10-50л/сек до 25000м., у великих містах з потужністю водопостачання 1000- 3000л /сек; β - 1 – для напірних і для без напірних вод ( m - те саме, що і H ) Для сільської місцевості, де потужність водопостачання зде­більшого не перевищує 1-10 л/сек, а також окремих ферм, пунктів водопою та ін., які можуть задовольнитися водовідбором до 1 л/сек, "( не визначали і групу за потужністю водопостачання визнача­ли із загальних гідрогеологічних міркувань. Результати попередньої регіональної оцінки експлуатаційних запасів підземних вод

четвертинних відкладів ми доповнили і відкорегували за матеріалами дослідження природних динамічних за­пасів прісних підземних вод території України і аналізом гідро­геологічних даних по ділянках розвідки водозаборів.

Дещо розширено площі оцінки експлуатаційних запасів під­земних вод водоносних горизонтів алювіальних і алювіально-флювіогляціальних відкладів. У 1962 р. запаси цих горизонтів оці­нювались лише на ділянках, де вони виділені як основні для цент­ралізованого водопостачання. Для повнішого використання підраху­вали експлуатаційні запаси підземних вод алювіального і алювіально-флювіогляціального водоносних горизонтів на більшій частині площі поширення льодовикових відкладів і в долинах річок там, де ці водоносні горизонти не є основними. При цьому використано середні значення розрахункових параметрів, одержані на ряді досліджених ділянок того чи іншого гідрогеологічного району і узагальнені для всього району.

Наведені цифри експлуатаційних запасів підземних вод чет­вертинних відкладів є прогнозними і можуть бути використані для перспективного планування розміщення продуктивних сил на тери­торії України і окремих економічних районів.