Антонов В.В. Поиски и разведка подземных вод Уч пос 2006

рождение, отдельную его часть или некоторую интересующую нас область. По целевому назначению можно выделять ресурсы питьевые, промышленные и др. Ресурсы подземных вод по генезису различают в зависимости от источников их формирования, выделяя, например, ресурсы, связанные с питанием за счет атмосферных осадков, за счет поступления части поверхностных вод со стороны реки и т.д.

Поскольку извлекаемые ресурсы подземных вод представляют собой подвижную (динамическую) их часть, ресурсы подземных вод могут быть определены также по расходу подземного потока, протекающего по водоносному горизонту от области питания к области разгрузки. В этом случае под термином ресурсы может пониматься расход подземного потока через некоторое сечение, нормальное к направлению движения подземных вод.

Рассмотрим баланс подземных вод в некоторой области фильтрации (рис.1) площадью F с внешней границей S. Предположим, что в

данную область через внешнюю границу S поступает QпS подземных вод, непосредственно в пределы площади F рассматриваемой области поступает QпF подземных вод (например, за счет инфильтрации атмосферных осадков). Будем считать, что за единицу времени из области фильтрации вытекает через внешнюю границу расход, равный QвS , а в пределах области потери подземных вод составляют QвF . По области фильтрации протекает расход Q, величина которого зависит от соотношения количества поступающей и вытекающей воды, т.е. от баланса подземных вод в пределах рас-

Общие ресурсы подземных вод могут быть равны расходу, протекающему в пределах изучаемой области, тогда и только тогда, когда в пределах области не наблюдается ни накопления, ни оттока

что в общем случае соответствует условиям стационарного режима фильтрации. Таким образом, при стационарном движении подземных вод общие ресурсы можно определить по суммарному расходу подземных вод.

Ресурсы подземных вод могут изменяться как во времени, так и в пространстве. Различия между понятиями о запасах и ресурсах подземных вод относительны. В частности, изменение ресурсов подземных вод в пределах некоторого района равно изменению во времени их запасов.

Интенсивность питания подземных вод обычно изменяется после введения в действие водозаборов. Возможное увеличение поступления подземных вод отражает понятие о привлекаемых ресурсах.

Привлекаемые ресурсы определяют как расход дополнительного подземного потока, который возникает за счет усиления питания подземных вод, вызванного образованием депрессионной воронки при эксплуатации водозабора. Привлекаемые ресурсы подземных вод нужно отличать от искусственных ресурсов, поскольку возникновение последних связано, главным образом, с работой специальных инженерных сооружений, предназначенных для дополнительного питания работающих водозаборов подземных вод.

Для характеристики возможностей реального извлечения подземных вод вводится понятие об эксплуатационных запасах.

Под эксплуатационными запасами подземных вод понимается их количество, которое может быть получено на месторождении (участке) с помощью геолого-технических обоснованных водозаборных сооружений при заданных режиме и условиях эксплуатации, а также качестве воды, удовлетворяющем требованиям ее целевого использования в течение расчетного срока водопотребления с учетом природоохранных требований.

Под прогнозными ресурсами понимается количество подземных вод определенного качества и целевого назначения, которое

12

может быть получено в пределах гидрогеологического региона, бассейнов рек или административного района и отражает потенциальные возможности использования вод.

Эксплуатационные запасы и прогнозные ресурсы подземных вод оцениваются и учитываются в кубических метрах в сутки, пароводяной смеси – в тоннах в сутки. В промышленных водах определяется также количество основных и попутных компонентов (в тоннах), которое может быть получено на месторождении за расчетный срок его разработки без учета потерь при переработке вод. По месторождениям теплоэнергетических вод и парогидротерм кроме эксплуатационных запасов оценивается также теплоэнергетическая мощность месторождения (в гигаджоулях в год, мегаваттах, тоннах условного топлива).

2.2. Источники формирования эксплуатационных запасов подземных вод

Главными источниками формирования эксплуатационных запасов подземных вод (рис.2) могут быть: естественные запасы и ресурсы основного водоносного горизонта; привлекаемые ресурсы, формирующиеся в процессе водоотбора за счет привлечения части поверхностного стока, перетекания подземных вод из соседних водоносных горизонтов, отжатия воды из перекрывающих и подстилающих относительно водоупорных пород и других причин; искусственные запасы и ресурсы подземных вод, формирующиеся при искусственном восполнении подземных вод.

2.3. Классификация и категоризация эксплуатационныхзапасов подземных вод

Эксплуатационные запасы подземных вод по условиям освоения, а также по хозяйственному и экономическому значению подразделяются на две группы, подлежащие раздельному подсчету и учету:

13

Эксплуатационные запасы

Рис.2. Источники формирования эксплуатационных запасов подземных вод

1)балансовые запасы – запасы, использование которых экономически целесообразно и которые должны удовлетворять требованиям к качеству вод для данного целевого назначения и заданному режиму эксплуатации;

2)забалансовые запасы – запасы, использование которых в настоящее время экономически нецелесообразно (вследствие малого количества, несоответствия качества заданному назначению, особо сложным условиям эксплуатации или технологии извлечения ценных компонентов), но которые могут рассматриваться как объект использования в будущем.

По степени изученности условий формирования количества и качества подземных вод, условий эксплуатации и подготовленности месторождений для их дальнейшего геологического изучения или освоения эксплуатационные запасы и прогнозные ресурсы подземных вод подразделяются на отдельные категории.

Эксплуатационные запасы подземных вод подразделяются на следующие категории:

14

освоенные – категория А;

разведанные – категория В;

предварительно оцененные – категория С1;

выявленные – категория С2.

Прогнозные ресурсы подземных вод по степени обоснованности относятся к категории Р.

Категория А – гидрогеологические, водохозяйственные, санитарные, экологические и другие условия эксплуатации подземных вод должны быть изучены с детальностью, позволяющей установить соответствие принятых при подсчете запасов фактическим параметрам, а также продолжить эксплуатацию действующего водозабора или составить проект его реконструкции.

Категория B – гидрогеологические, водохозяйственные, санитарные, экологические и другие условия эксплуатации подземных вод должны быть изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных для составления проекта водозабора либо технологической схемы эксплуатации минеральных вод и конструкций водозаборных скважин, а также для выработки рекомендаций по режиму эксплуатации, сооружению сети наблюдательных скважин и обоснованию зон санитарной охраны или округов горно-санитарной охраны месторождений минеральных вод.

Категория С1 – гидрогеологические, водохозяйственные, санитарные, экологические и другие условия должны быть изучены в степени, обеспечивающей получение исходных данных для выбора участка размещения водозабора и разработки программы его дальнейшего изучения.

Категория С2 – условия водоотбора должны быть изучены в степени, обеспечивающей возможность геолого-экологической оценки эксплуатации и экономической эффективности использования подземных вод.

Категория Р – ресурсы оцениваются по результатам региональных гидрогеологических исследований на основе общих представлений об условиях их формирования по гидрогеологическим регионам, бассейнам рек, отдельным административно-террито- риальным подразделениям, а также по аналогии с более изученными территориями. Они являются результатом региональной площадной

15

оценки для характеристики обеспеченности ресурсами подземных вод отдельных территорий, составления схем комплексного использования и охраны водных ресурсов, планирования их использования, а также основой для постановки поисковых и поисково-оценочных работ на площадях, перспективных для выявления новых месторождений подземных вод.

2.4. Понятие об оценке эксплуатационных запасов подземных вод

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод заключается в прогнозе понижений уровней или напоров подземных вод при заданной производительности водозабора или в определении производительности водозабора при заданном понижении. При этом расчетами должна быть доказана возможность эксплуатации подземных вод при расчетном водоотборе в течение всего срока работы водозабора (или неограниченно долго) при условии удовлетворения качества подземных вод заданному назначению в течение всего этого периода.

Заметим, что в некоторых случаях, например, при расчете региональных эксплуатационных ресурсов, прогноз заключается в определении максимальной производительности водозаборов при учете всех допустимых условий.

Окончательная оценка эксплуатационных запасов (по промышленным категориям) производится применительно к конкретным гидрогеологическим условиям и конкретному типу проектируемого водозабора.

В том случае, если проектируемый водозабор работает на режиме постоянного водоотбора, оценка эксплуатационных запасов будет связана с тем, что максимальное расчетное понижение в гидродинамически наиболее нагруженной точке (обычно в центральной скважине) водозабора не превысит допустимой величины в течение всего расчетного срока водопотребления, т.е. при

Q = Qпот = const,

16

где Qпот – потребное количество подземных вод; Sр – расчетное понижение; Sдоп – допустимое понижение; tр – расчетный период водопотребления.

Если проектируемый водозабор работает на режиме заданного понижения, оценка эксплуатационных запасов будет заключаться в том, что минимальный расчетный дебит будет больше потребного количества подземных вод в течение всего расчетного срока водопотребления: при понижении S Sдоп = const

где Qр – расчетный дебит.

Допустимое понижение, как правило, определяется специальными расчетами. В целом, при обосновании Sдоп учитывают технические и экономические аспекты, а также вопросы охраны окружающей среды. Для предварительных оценок безнапорных водоносных горизонтов

для напорных водоносных горизонтов

где hср – средняя мощность водоносного горизонта; Hотн – относительный напор; m – мощность напорного пласта.

Расчетный период, на который оцениваются эксплуатационные запасы, определяется сроком работы водозаборного сооружения. Если срок работы водозабора заранее не оговаривается, то в качестве расчетного периода выбирается промежуток времени, превышающий срок амортизационных отчислений с водозабора. Обычно срок амортизационных отчислений равен 15-20 годам, поэтому принимают tр = 20-30 лет. Для облегчения вычислений полагают tр = 104 сут = 27,4 года.

В настоящее время для оценки эксплуатационных запасов подземных вод существует три основных метода: гидродинамический, гидравлический и балансовый.

Гидродинамический метод основан на использовании математических моделей, описываемых дифференциальными и

17

интегральными уравнениями теории фильтрации подземных вод. Расчет гидродинамическим методом может быть проведен на основе аналитических зависимостей, являющихся решениями конкретных, как правило, сильно схематизированных задач (моделей), а также с использованием аналогового или численного моделирования.

Гидравлический метод предполагает использование эмпирических зависимостей, полученных по результатам испытаний водоносного горизонта в полевых условиях.

Балансовый метод основан на использовании уравнения баланса, связывающего эксплуатационные запасы (расходная статья баланса) со всеми источниками формирования эксплуатационных запасов (приходные статьи баланса).

Наиболее точная оценка эксплуатационных запасов может быть получена при совместном использовании всех трех методов.

3.ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ

3.1.Гидродинамические методы

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод гидродинамическими методами заключается в переходе от природных гидрогеологических условий к их математическим моделям, с расчетами на этих моделях интересующих нас ситуаций. Естественно, что математическая модель природных условий не может учесть всех реальных факторов и элементов, а также характера их взаимодействия. Построение математических моделей природных гидрогеологических объектов представляет собой весьма сложную задачу, решение которой требует обоснованного выбора основных факторов и умелого отбрасывания второстепенных, которыми можно пренебречь. Особо подчеркнем, что при схематизации природных условий весьма существенна так называемая обратная связь, т.е. влияние на принципы схематизации и методы построения математических моделей конструктивных особенностей, типа и режима работы проектируемого водозабора подземных вод.

18

Переход от природных гидрогеологических условий к их математической модели (расчетной схеме) может быть осуществлен в два этапа:

схематизация – построение фильтрационной схемы;

типизация – выбор расчетной схемы.

Отметим неформальный характер перечисленных этапов. В настоящее время нельзя указать некоторый универсальный прием (алгоритм), с помощью которого можно было бы строить математические модели реальных гидрогеологических полей.

На принципы и методы схематизации и типизации влияют следующие важнейшие факторы: гидрогеологические условия месторождения подземных вод, состояние гидродинамической теории (разработанности гидрогеологических расчетов), потребность в подземных водах и особенности конструкции и характера работы технических устройств, используемых при поисках и разведке МПВ.

Построение фильтрационной схемы требует решения следующих основных задач:

1)выделение границ области фильтрации и определение гидродинамических условий на этих границах;

2)оценка характера режима подземных вод;

3)характеристика внутреннего строения области фильтрации. Типизация является переходом от фильтрационной схемы

красчетной и представляет собой выбор (из числа имеющихся) модели, наиболее полно отвечающей данным условиям. Эта задача заключается в том, чтобы отнести данный объект (фильтрационную схему) к одной из заданного множества групп (набор типовых схем).

При типизации, т.е. при выборе расчетных схем, принимают во внимание следующие аспекты:

1)форму области фильтрации в плане и гидродинамические условия на границах;

2)строение области фильтрации в разрезе;

3)условиепитанияи разгрузки впределах области фильтрации;

4)тип и конструктивные особенности проектируемого во-

дозабора.

19

аб

Рис.3. Гидродинамические типы водоносных пластов: а – полуограниченные пласты; б – пласты-квадранты; в – круговые пласты; г – пласты-полосы

1 – с открытыми границами; 2 – с непроницаемыми границами; 3 – с границами смешанного типа

По форме области фильтрации в плане выделяют следующие типы водоносных пластов (рис.3): неограниченный пласт, полуограниченные пласты и ограниченные пласты.

Неограниченный пласт имеет весьма большие размеры, а его границы так удалены от водозаборов, что практически не влияют на процесс эксплуатации подземных вод. Полуограниченный пласт имеет одну прямолинейную границу, на которой могут быть заданы или постоянный напор, или постоянный расход. Ограниченный пласт может принадлежать к одному из следующих типов: пластквадрант, ограниченный двумя прямолинейными контурами, пересекающимися под прямым углом, пласт-полоса или круговой пласт, ограниченный непрерывным круговым контуром.

По строению области фильтрации в разрезе могут быть выделены однородные и слоистые пласты. В однородном пласте фильтрационные свойства во всех его точках одинаковы. Слоистые пласты состоят из нескольких однородных слоев. Наиболее часто встречаются двухслойные и трехслойные пласты.

Двухслойный пласт сложен обычно хорошо проницаемым нижним и относительно плохо проницаемым верхним слоем, причем депрессионная поверхность располагается в пределах верхнего слоя.

20