u_lectures

= .

В случае напорно-безнапорного движения (рис. 19), когда понижение уровня (S) больше напора над кровлей (hк) приток воды в скважину определя-

где H – напор потока, м; h0 – остаточный столб воды в скважине после снижения уровня, м.

Рис. 19. Приток воды к колодцу, работающему в условиях напорно-безнапорных

вод

В этом случае депрессионная поверхность рассчитывается по формулам для грунтового движения.

Для определения притока воды в совершенную грунтовую скважину

Буквенные обозначения см. на рис. 20.

61

Более точно депрессионная кривая строится при наличии двух наблюдательных скважин, расположенных на расстоянии r1 и r2 от действующей скважины и имеющих мощности h1 и h2:

.

В случае несовершенных скважин при их работе возникает дополнительное сопротивление, которые вызывают более значительные понижения уровня воды по сравнению с совершенными скважинами при условии одинаковых дебитов. Расчетные формулы учитывают несовершенство скважин путем введения поправок.

Определение понижений в несовершенных скважинах определяется для артезианской и грунтовой скважин по формула соответственно:

и

,

где ξ – поправка на несовершенство скважины, которая определяется в зависимости от параметров l0/m и m/rc. Эти значения определяются по графикам в зависимости от расположения водоприемной части скважины или по табл. 4.

Дебиты несовершенных скважин рассчитываются по формулам Н.Н. Веригина, т е. в формулы Дюпюи для артезианской и

грунтовой скважин вводятся поправки на несовершенство ξ:

и

Таблица 4

При неустановившемся движении подземных вод в зоне влияния действующих скважин происходит непрерывное изменение во времени уровней, скоростей движения и расходов подземных вод. При расчетах принимают расход скважин постоянным во времени, а напор потока переменным по пло-

Основные формулы в теории неустановившейся фильтрации позволяют определять понижение S в любой точке области фильтрации для артезиан-

где Q – дебит водозабора, м3/сут; Km – водопроводимость пласта, м2/сут; a – пьезопроводимость пласта для артезианского колодца, уровнепроводимость – для грунтового, м2/сут; t – время работы водозабора, сут; r - расстояние от водозабора, на котором определяется понижение уровня, м; S – понижение уровня, м; He – мощность водоносного горизонта грунтовых вод в естественных условиях, м; K – коэффициент фильтрации, м/сут.

Тема 2.2 Запасы и ресурсы подземных вод

План:

2.2.1.Естественные, искусственные и эксплуатационные запасы

2.2.2.Классификация эксплуатационных запасов подземных вод по степени изученности

2.2.3.Методы определения эксплуатационных запасов

63

подземных вод 2.2.4. Понятия о месторождениях пресных подземных вод

2.2.5.Условия эксплуатации и охрана подземных вод от загрязнения

2.2.6.Требования к геологической информации в процессе оценки эксплуатационных запасов подземных вод

2.2.1. Естественные, искусственные и эксплуатационные запасы

Подвижность подземных вод и их возобновляемость заложены в основу количественных категорий запасов. В классификационных схемах выделяют запасы и ресурсы подземных вод. Понятие о естественных ресурсах и естественных запасах подземных вод было введено в 1933 г Ф.П. Саваренским.

Различие между ресурсами и запасами заключается в том, что запасы

выражаются объемом подземных вод (м3, км3), а ресурсы – расходом (л/с, м3/сут, км3/год).

Естественные запасы – это объем гравитационной воды, заполняющей поры, трещины и карстовые пустоты в водовмещающих породах водоносного пласта, комплекса, бассейна. В напорном водоносном горизонте выделяются упругие естественные запасы – объем воды, высвобождающийся при вскрытии водоносного пласта без его осушения и снижения в нем пластового давления.

Под естественными ресурсами понимается величина питания водоносного горизонта в ненарушенных эксплуатацией подземных вод гидрогеологических условиях. Естественные ресурсы складываются из инфильтрации атмосферных осадков, привлечения естественных водотоков и водоемов, перетекания из смежных горизонтов, притока воды из смежных структур и т.д. Естественные ресурсы могут быть оценены и по суммам всех расходных элементов баланса водоносного горизонта: испарения, родникового стока, подземного стока в реки, оттока из водоносного горизонта за пределы месторождения.

Величина естественных ресурсов изменяется по сезонам года и в течение нескольких лет в зависимости от интенсивности питания, поэтому они выражаются среднегодовыми и минимальными значениями модуля подземного стока.

Естественные ресурсы подземных вод являются важнейшим источником формирования эксплуатационных запасов и определяют обеспеченность последних, т.е. возможность извлечения того или иного количества воды на объектах водоснабжения. На многих месторождениях естественные запасы и ресурсы подземных вод являются основным источником формирования эксплуатационных запасов.

Эксплуатационные запасы – это количество подземных вод, которое может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении

64

водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качестве вод, удовлетворяющем целевому назначению в течение всего расчетного времени эксплуатации. Если на водозаборном участке отсутствуют другие источники формирования подземных вод, то эксплуатационные запасы

Q можно определить по формуле

э.з э.з = е.з α .

где Qе.р – естественные ресурсы подземных вод; Vе.з – естественные запасы подземных вод; Т – время эксплуатации; α и α1 – коэффициенты извлечения ресурсов и запасов подземных вод.

В интересах теории и практики использования подземных вод возникла необходимость выделять искусственные запасы и ресурсы, привлекаемые ресурсы.

Искусственные запасы – это объем подземных вод, накопившихся в горных породах под влиянием инженерной деятельности человека (магазинирование подземных вод, орошение, фильтрация из каналов и водохранилищ). Искусственные ресурсы характеризуются расходом воды, поступающим в водоносный горизонт благодаря техногенным процессам (фильтрация из каналов и водохранилищ, массивов орошения и т.д.).

Привлекаемые ресурсы формируются в эксплуатируемом водоносном горизонте за счет привлечения вод поверхностных водотоков и водоемов и перетекания вод из нижележащих горизонтов.

2.2.2. Классификация эксплуатационных запасов подземных вод по степени изученности

Основные принципы и требования к оценке эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов пресных подземных вод определяются действующей в настоящее время (с 1 января 2008 г) Классификацией запасов и прогнозных ресурсов питьевых, технических и минеральных подземных вод. Классификация утверждена в соответствии с Положением о федеральном агентстве по недропользованию согласно Постановлению Правительства Российской Федерации № 293 от 17 июня 2004 г. Запасы питьевых, технических и минеральных подземных вод подсчитываются по результатам геологоразведочных работ, выполненных в процессе геологического изучения и оценки предоставленных в пользование участков недр, а также по данным разведки таких участков или эксплуатации водозаборных сооружений для добычи подземных вод.

Требования к качеству питьевых и минеральных подземных вод, а также к организации зон санитарной охраны водозаборных сооружений определяются в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.

65

Эксплуатационные запасы подземных вод (ЭЗПВ) подсчитываются на месторождениях подземных вод и оцениваются их расходами (м3/сут), которые могут быть получены проектными водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качестве вод, удовлетворяющем целевому назначению в течение всего расчетного времени эксплуатации.

По возможности использования подземных вод они подразделяются на две основные группы, подлежащие раздельному расчету и подсчету: балансовые и забалансовые. К балансовым относятся запасы подземных вод, которые по своему химическому составу соответствуют требованиям, установленным законодательством Российской Федерации. К забалансовым относятся запасы питьевых и минеральных вод, качество которых по ряду показателей не соответствуют установленным требованиям, и отсутствуют условия для создания зон санитарной охраны водозаборных сооружений.

Согласно действующей Классификации эксплуатационные запасы подземных вод по степени изученности подразделяются на разведанные – категории А, В, С1 и предварительно оцененные – категория С2. Прогнозные эксплуатационные ресурсы по степени обоснованности относятся к категории

P.

При выделении отдельных категорий запасов подземных вод учитываются степень изученности геологического строения и гидрогеологических условий месторождения, степень достоверности определения гидрогеологических параметров продуктивного горизонта и разделяющих слоев, степень изученности качества воды, гидрогеологическая подготовленность разведанного участка к промышленному освоению.

Запасы категории А должны удовлетворять следующим требованиям: мощность, строение и условия залегания водоносных горизонтов, положение уровней подземных вод, литологический состав и изменение фильтрационных свойств водовмещающих пород по площади и в разрезе и другие показатели изучены с детальностью, достаточной для достоверной качественной оценки источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод и обоснования граничных условий, выбранных для расчета.

Запасы категории А выделяются на месторождениях или участках недр,

впределах которых имеются действующие водозаборы по добыче подземных вод.

Запасы категории В выделяются на месторождениях или участках недр,

впределах которых имеются действующие водозаборы (переоценка запасов), а также на месторождениях подземных вод 1-й и 2-й групп сложности. Основанием для выделения запасов по категории В являются геологическая изученность, гидрогеологические и физико-географические, водохозяйственные и экологические условия участка недр или месторождения; достаточная информация для обоснования природной гидрогеологической модели и зоны возможного распространения влияния отбора подземных вод при эксплуатации водозаборных сооружений; достоверно определенные по результатам

66

одиночных и кустовых опытных откачек гидрогеологические параметры для расчета эксплуатационных запасов. Качество подземных вод должно соответствовать установленным требованиям в зависимости от целевого назначения воды.

Запасы категории С1 выделяются на вновь выявленных и оцененных месторождениях подземных вод независимо от группы сложности месторождений по геолого-гидрогеологическим условиям. Запасы этой категории также могут выделяться в пределах ранее разведанных и учитываемых в государственном балансе месторождений, а также на участках недр с действующими водозаборами по добыче подземных вод, не имеющих включенных в государственный баланс запасов.

При оценке запасов по категории С1 гидрогеологические и другие параметры и показатели определены по данным преимущественно одиночных откачек, геофизических, гидрометрических и других видов работ, а также по данным ранее проведенных работ для других целей. Кроме того, ориентировочно обоснованы и оценены источники формирования запасов.

Запасы категории С2 так же, как и С1 выделяются на вновь выявленных и оцененных месторождениях подземных вод. Для категории С2 выполняется предварительный подсчет эксплуатационных запасов для обобщенных условных схем водозаборных сооружений, предварительно изучается качество подземных вод и возможность их использования для соответствующих целей.

Таким образом, категории эксплуатационных запасов подземных вод характеризуют степень их изученности и их подготовленность для дальнейшего изучения. В соответствии с Классификацией запасы по категории А считаются освоенными, по категории В – разведанными, по С1 – предварительно оцененными, по С2 – выявленными.

Отнесение эксплуатационных запасов подземных вод к той или иной категории зависит от сложности геологических и гидрогеологических условий месторождений подземных вод, а также экологических, водохозяйственных, горно-геологических и других условий.

В соответствии с Классификацией месторождения подземных вод или их участки относятся к четырем группам сложности.

К 1-й группе относятся месторождения (части месторождений) или участки недр с простым геологическим строением, гидрогеологическими, водохозяйственными, экологическими, горно-геологическими и другими условиями. Характерными особенностями месторождений (частей месторождений) или участков недр 1-й группы является спокойное и ненарушенное залегание и устойчивая мощность водоносных горизонтов и изолирующих слабопроницаемых пластов, однородные фильтрационные свойства водовмещающих пород, выдержанные в плане и разрезе гидрогеохимические (газогидрохимические) и температурные закономерности.

Такие месторождения приурочены к артезианским бассейнам платформенных структур, реже к предгорных прогибов и межгорных впадин, а также

67

кводоносным горизонтам (комплексам) речных долин, предгорных конусов выноса и др. Источники формирования запасов здесь могут быть оценены по данным геологического изучения и разведки участков недр. Может быть выполнен обоснованный прогноз влияния проектируемого отбора подземных вод на окружающую среду и состояние недр. Для геологического изучения и разведки участков недр могут применяться стандартные методы и технологии проведения геологоразведочных работ.

Впределах участков недр и месторождений по результатам геологиче-

ского изучения и разведки могут быть выделены запасы категорий В, С1 и С2, а в пределах участков недр и ранее разведанных месторождений в используемых участках недр с действующими водозаборами, кроме того, и запасы категории А при оценке и переоценке их запасов.

Ко 2-й относятся месторождения (части месторождений) или участки недр со сложным геологическим строением, гидрогеологическими, водохозяйственными, экологическими, горно-геологическими и другими условиями. Для таких месторождений характерны нарушенное залегание, неустойчивая мощность водоносных горизонтов и осложненное внутреннее строение эксплуатационных водоносных горизонтов (а также изолирующих водоупорных пластов), неоднородность фильтрационных свойств водовмещающих пород в плане и разрезе, невыдержанные гидрогеохимические и геотемпературные закономерности и неоднозначность прогнозов по возможному изменению количества и качества вод при эксплуатации водозаборных сооружений.

Такие месторождения наиболее часто приурочены к предгорным и межгорным артезианским бассейнам, но могут встречаться и в артезианских бассейнах платформенных структур при приуроченности водоносных горизонтов

ктрещиноватым и трещинно-карстовым породам, в речных долинах, а в отдельных случаях и в пределах гидрогеологических массивов и гидрогеологических складчатых областей и др.

Источники формирования запасов по данным геологического изучения и разведки количественно могут быть оценены лишь частично с различной степенью достоверности.

Для геологического изучения и разведки участков недр в основном используются стандартные методы. Как правило, в ряде случаев необходимо применение более сложных технологий, включающих комплекс наземных геофизических исследований, бурение опережающих пилотных скважин с отбором керна, проведение продолжительных кустовых откачек и др.

К 3-й относятся месторождения и участки недр с очень сложным геологическим строением, гидрогеологическими, физико-географическими, водохозяйственными, экологическими и горно-геологическими условиями. Для таких месторождений характерны ограниченные размеры и резкая изменчивость фильтрационных свойств водовмещающих пород и сложные гидрогеохимические и геотемпературные условия и, как следствие, неопределенность

68

прогнозов по возможному изменению количества и качества вод при эксплуатации водозаборных сооружений.

Месторождения (части месторождений) или участки недр 3-й группы приурочены к гидрогеологическим массивам, гидрогеологическим складчатым областям, а также межгорным артезианским бассейнам и связаны с водоносными зонами трещиноватости различного генезиса или закарстованными

иограниченными по площади массивами карбонатных пород в различных гидрогеологических структурах.

Источники формирования запасов по данным геологического изучения

иразведки количественно могут быть оценены приближенно. Для количественных прогнозов изменений расходов и уровней следует использовать анализ имеющихся гидрогеологических и воднобалансовых закономерностей и метод аналогий.

Для геологического изучения и разведки участков недр используются сложные методы и технологи, включающие различные методы наземных геофизических исследований, опробование водоносных горизонтов и водоносных зон трещиноватости пород, продолжительные кустовые и опытноэксплуатационные откачки и др.

Впределах участков недр 3-й группы по результатам геологического

изучения следует рекомендовать выделение запасов категории С2, а разведки категории С1. В пределах ранее разведанных месторождений в отдельных случаях выделение запасов категории В.

К 4-й группе относятся месторождения минеральных вод (или участки недр), характеризующиеся исключительно сложными геологическим строением, гидрогеологическими, газогидрохимическими и горно-геологическими условиями. Основная особенность месторождений и участков недр является резкая изменчивость распространения водоносных зон трещиноватости в породах различного генезиса в плане и разрезе и сложность их выявления геофизическими и другими методами.

Месторождения и участки недр 4-й группы приурочены обычно к зонам глубинной разгрузки флюидов тектонических разломов.

Получение исходных данных для количественных прогнозов дебитов, уровней и температуры возможны по данным длительных кустовых и опыт- но-эксплуатационных откачек, а также опытно-промышленной эксплуатации. По данным стандартных методов геологического изучения и разведки участков недр источники формирования запасов не могут быть оценены достоверно. По данным геологического изучения и (или) разведки выделяются категории С2, по данным опытно-промышленной эксплуатации – категории С1.

69

2.2.3. Методы определения эксплуатационных запасов подземных вод

Завершающим этапом изучения месторождений подземных вод является оценка разведанных запасов. Для достоверной оценки запасов используется одновременно несколько методов. Наиболее распространенным является гидродинамический метод, основанный на принципе фильтрационной схематизации гидрогеологических условий разведанного участка [8].

В реальных природных условиях границы фильтрационного потока могут иметь очень сложные очертания в плане и разрезе. Для аналитических расчетов они заменяются наиболее часто встречающимися на практике расчетными схемами: пласт, неограниченный в плане (природные границы находятся за пределами возможного их влияния на режим водозабора); пласт полуограниченный (рис. 21а) (расчетная схема, в которой одна из границ области фильтрации может оказывать влияние на режим водозабора); ограниченный пласт (рис. 21б) (две параллельные границы влияют на режим работы эксплуатационных скважин); пласт-круг (рис. 21в) (область фильтрации небольших размеров с замкнутой границей, которая повсеместно оказывает влияние на работу водозабора).

Рис. 21. Типовые простейшие схемы водоносных пластов в плане:

1 – водоносные породы; 2 – контур пласта; 3 – скважина; 4 – направление потока

Схеме неограниченный пласт отвечают месторождения напорных вод или грунтовых вод широких речных долин.

Для полуограниченного пласта расчеты эксплуатационных запасов могут выполняться в зависимости от характера границ (H = const или Q = const) по уравнениям установившегося или неустановившегося движения.

Гидрогеологические условия схемы пласт-полоса характерны для месторождений речных долин, когда коренной борт долины можно рассматривать как контур с постоянным расходом (Q = const), а реку – как контур с постоянным напором (H = const).

70