«КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Б.А. БИРИМКУЛОВА ПОИСК И РАЗВЕДКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД Учебное пособие для студентов специальностей: 050805 – Водные ресурсы и водопользование и 050810 – Мелиорация, рекультивация и ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Б.А. БИРИМКУЛОВА

ПОИСК И РАЗВЕДКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Учебное пособие для студентов специальностей: 050805 – «Водные

ресурсы и водопользование» и 050810 – «Мелиорация, рекультивация и

охрана земель»

Алматы 2010 3 УДК 551.4 : 378 (075.8) ББК 26.35 Б 64 Рекомендован к изданию решением Научного совета Казахского национального аграрного университета (26.01.2010г) Биримкулова Б.А. Поиск и разведка подземных вод: Учебное пособие, Алматы: Каз НАУ: НИЦ «ылым», 2010.

ISBN 978-601-241-259- Учебное пособие посвящено методам оценки и эффективности использования эксплуатационных запасов подземных вод при проведении поискоразведочных работ по месторождениям подземных вод, освоению месторождений подземных вод с прогнозированием их качества при эксплуатации и искусственном пополнении эксплуатационных запасов подземных вод, рассмотрены основы типизации подземных вод с анализом и примерами по месторождениям приречного типа, в изолированных пластах и пластовых системах артезианских бассейнов, а также приведены тестирования по поиску и разведке подземных вод.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей: 050805 – «Водные ресурсы и водопользование» и 050810 – «Мелиорация, рекультивация и охрана земель».

Рецензенты: Омаров Р.А. д.т.н., профессор Сейтасанов И.С. к.т.н., доцент Биримкулова Б.А., КазНАУ, НИЦ «ылым»,

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 1 Эксплуатационные запасы подземных вод 2 Методы оценки и эффективность использования эксплуатационных запасов подземных вод 2.1 Рациональный водозабор 2.2 Расчетный срок эксплуатации водозабора 2.3 Оценка естественных запасов подземных вод 2.4 Оценка естественных ресурсов подземных вод 2.5 Оценка интенсивности инфильтрации 2.6 Гидродинамический метод оценки эксплуатационных запасов подземных вод 2.7 Гидравлический метод оценки эксплуатационных запасов подземных вод 3 Освоение месторождений подземных вод 3.1 Прогнозирование качества подземных вод при эксплуатации 3.2 Освоение месторождений подземных вод 3.3 Искуственное пополнение эксплуатационных запасов подземных вод 4 Типизация месторождений подземных вод 4.1 Основы типизации месторождений подземных вод 4.2 Месторождения подземных вод приречного типа 4.3 Месторождения подземных вод в изолированных пластах и в пластовых системах Заключение Тестовые вопросы по порверке знаний студентов Список литературных источников

ВВЕДЕНИЕ

Республика Казахстан, располагая богатейшими запасами нефти, газа, угля, цветных и черных металлов, химического сырья, значительным земельным фондом для сельскохозяйственного производства, но беден водными ресурсами, не только по объему речного стока и открытых водоисточников, но и запасами подземных вод. Это является главным фактором, сдерживающим освоение природных богатств недр и земельных ресурсов, а также в целом развития экономики Казахстана. На основании чего решение водных проблем является одним из важнейших приоритетов в Стратегии развития Казахстана до 2030г., утвержденной в январе 1998г. Президентом РК Назарбаевым Н.А. [1].

Подземные воды представляют собой ценнейшее полезное ископаемое, играющее исключительно важную роль в развитии производственных сил страны и особенно в жизни людей. Подземные воды широко используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения, орошения сельскохозяйственных земель, производственно-технического водоснабжения, лечебных целей, извлечения ряда ценных компонентов и как источник теплоснабжения [2].

По данным института гидрогеологии и гидрофизики им. У.М. Ахметсафина на территории Республики Казахстан разведано свыше 620 месторождении подземных вод. В т.ч. в следующих массивах: 210 – в современных и погребенных речных долинах; 190 – в артезианских бассейнах; 157 – в трещинно-карстовых пород и тектонических нарушении; 55 – в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин; 11 – в песчаных пустынь и полупустынь [2].

В Казахстане прогнозные ресурсы подземных вод составляют 2038 м3/с, в том числе разведанные запасы подземных вод – 502 м3/с, водопотребление вод – 46 м3/с [1].

Водопотребление подземных вод в сельском хозяйстве составляет около 11 м3/с(24% от общего водопотребления). Поиск, разведка и освоение подземных вод в Казахстане продолжается. Для успешного развития этой отросли и подготовки специалистов для ВУЗов введена дисциплина «Поиски и разведка подземных вод». Это учение о методах и приемах изучения гидрогеологических условий, выявления месторождении подземных вод и оценки их ресурсов, запасов, режимах, качества и особенностей движения подземных вод в целях решения различных народно-хозяйственных задач. Это один из основных разделов гидрогеологии, изучающий подземные воды как своеобразное природное вещество Земли и как одно из наиболее ценных полезных ископаемых.

Гидрогеологические исследования при поисках и разведке месторождении подземных вод представляют собой сложный научно-технический процесс, позволяющий с помощью целого ряда приемов методического и технического характера выявить месторождение подземных вод. Дать характеристику условий их формирования, оценить эксплуатационные запасы подземных вод, дать рекомендации по промышленному его освоению и режиму эксплуатации водозаборного сооружения. Успешное проведение таких исследований не возможно без изучения дисциплин в области гидрогеологии, гидрологии, геологии, климатологии и без применения технических средств.

В процессе поиско-разведочных работ на подземные воды в соответствии с методикой выполняются следующие виды гидрогеологических работ:

- получение гидрогеологической информации: гидрогеологические съемки, бурение гидрогеологических скважин, использование технических средств, проведение опытно-фильтрационных работ, наблюдение за режимом подземных вод, геофизические исследования и пр.;

- поиски и разведка месторождении подземных вод: обоснование стадийности исследовании, выбор продуктивного водоносного горизонта и методики оценки эксплуатационных запасов подземных вод, расчет эксплуатационных запасов подземных вод и водозаборного сооружения [2].

1.ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЗАПАСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Сам термин заимствован у твердых (рудных и нерудных) полезных ископаемых, однако существует принципиальная разница: для твердых ископаемых запасы измеряются объемом или весом полезного компонента; для подземных вод мерой эксплуатационных запасов является дебит, т.е. постоянное во времени количество воды, извлекаемое водозабором. Размерность эксплуатационные запасы – м3/сут.

В действующих официальных документах дается такое определение:

под эксплуатационными запасами следует понимать количество подземных вод, "которое может быть получено на месторождении (участке) с помощью геолого-технически 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", 2,3,4,5.

Следует различать две основные формы выполнения работ по оценке эксплуатационных запасов.

Региональная оценка - необходимо подсчитать потенциальный максимум водоотбора для некоторой заданной территории (гидрогеологической структуры, промышленного или административного региона и т.п.). Такие работы выполняются не часто; их заказчиком обычно выступают федеральные или региональные органы генерального планирования развития территорий. При подсчете размещение водозаборов по площади может быть принято в различных вариантах:

а) система водоотбора определена заказчиком и включает, как правило, большинство фактически существующих водозаборов плюс некоторое количество перспективных - в соответствии с планами развития оцениваемой территории;

б) по результатам работ должна быть рекомендована некая оптимальная (в технико-экономическом и водохозяйственном отношении) система и величина водоотбора, наиболее эффективно реализующие эксплуатационные возможности территории;

в) конкретная система водоотбора не определена, и она принимается рассредоточенной по всей оцениваемой площади. Предполагается, что в такой постановке оценивается абсолютный максимум эксплуатационных возможностей территории, однако ценность такого подсчета весьма сомнительна в силу нереальности инженерного воплощения подобной системы водоотбора.

Такую постановку можно рассматривать как вспомогательную (начальное приближение при решении задачи по варианту б).

Локальные оценки - в этом случае исходной, заданной величиной является требуемый дебит водозабора (заявленная потребность); в качестве заказчика чаще всего выступает местная, территориальная администрация или конкретная водопотребляющая организация.

Далее подрядчик (гидрогеологическая организация, имеющая лицензию на выполнение соответствующих работ) предпринимает специальный комплекс полевых и камеральных поисково-разведочных работ для получения достаточного объема необходимой информации, на основе которой и производится подсчет эксплуатационных запасов. В результате выполнения поисково-разведочных работ, исполнитель-гидрогеолог должен определить:

количество скважин, точки их расположения, их конструкцию (положение фильтров, диаметры), размер "охранной" зоны, при этом должно быть доказано (с экспертизой и защитой), что: именно это количество скважин данной конструкции, расположенных в данном месте и в течение заданного времени будет давать требуемую постоянную производительность QЭ (это и есть эксплуатационные запасы), причем понижения уровней нигде не превысят критических значений, вода по показателям качества будет отвечать назначению (хозяйственно-питьевое использование), влияние водоотбора на природную среду будет "терпимым" (согласованным с органами надзора).

Важным начальным этапом изучения территорий является региональная оценка их потенциальных эксплуатационных возможностей (т.е. прогнозных ресурсов пресных подземных вод). Эта достаточно трудоемкая и затратная работа чрезвычайно полезна с точки зрения рационального управления использованием подземных вод. Конечно, по логике такой работой должно начинаться освоение перспективного, но малоизученного региона; фактически же такие работы чаще всего проводятся для интенсивно освоенных регионов, уже на фоне активно развитой системы многолетней эксплуатации подземных вод. Целями проведения региональной оценки (переоценки) прогнозных ресурсов являются:

а) выявление региональной неоднородности распределения прогнозных ресурсов подземных вод;

б) для малоизученных регионов - предварительная оценка абсолютных величин прогнозных ресурсов подземных вод, а для освоенных районов с действующими водозаборами - сопоставление потенциальных возможностей с фактическими величинами водоотбора, выявление "дефицитных" и "профицитных" площадей с целью упорядочения и оптимизации существующего и перспективного использования подземных вод.

Понятие "месторождение" для пресных подземных вод почти лишено абсолютного смысла, поскольку они распространены практически повсеместно. Оно используется произвольно - главным образом, в учетных целях, для географической привязки участков оценки или эксплуатации подземных вод. Поэтому можно упрощенно определить месторождение подземных вод (далее МПВ) как участок, в пределах которого по совокупности ряда причин предлагается построить водозабор. Объективности ради надо отметить, что большинство этих причин имеет "гидрогеологический характер": более высокие фильтрационные свойства водовмещающих пород по сравнению с окружающими площадями, оптимальное положение по отношению к гидрогеодинамическим границам, оптимально близкое положение по отношению к водопотребителю, наиболее благоприятные условия для сохранения качества воды при длительной работе водозабора и т.д.

В рамках разведки реализуется самый широкий комплекс полевых гидрогеологических исследований в соответствии с особенностями гидрогеологического строения разведуемого месторождение подземных вод. Цели работ на этой стадии:

- уточнение контура месторождения (точнее, площади, в пределах которой действуют, по мнению исполнителя, основные балансообразующие механизмы, обеспечивающие дебит будущего водозабора);

- получение достаточного и достоверного комплекса гидрогеодинамических параметров, обеспечивающего адекватную балансовую, фильтрационную и миграционную схематизацию гидрогеологических условий месторождения;

- обоснование выбора "водозаборного участка" (это локальная площадь "внутри" месторождения, где наиболее выгодно расположить водозахватные устройства);

- детальное изучение площади "водозаборного участка" для обоснования количества, конструкции и схемы размещения водозахватных устройств;

- окончательный подсчет эксплуатационных запасов, т.е. выполнение системы расчетов, обосновывающих возможность получения заявленной производительности с помощью предлагаемой схемы и конструкции водозабора (при соблюдении заданных ограничений по режиму эксплуатации).

Эксплуатация водозаборного сооружения в течение расчетного срока рассматривается в организационном смысле как очередная стадия разведочных работ – освоение месторождения (эксплуатационная разведка). Методически работы на этой стадии заключаются в осуществлении многолетних наблюдений на специально организованной системе мониторинга действующего месторождения подземных вод; целью исследований является пересчет эксплуатационных запасов (с целью оптимизации или расширения системы водоотбора) на основе опыта эксплуатации водозаборного сооружения.

По определению, к эксплуатационным запасам может быть отнесено только то количество воды, при отборе которого выполняется ряд исходных условий (ограничений). Эти условия таковы:

- водозаборное сооружение должно быть рациональным в геологическом и технико-экономическом отношении;

- понижение уровней подземных вод в водозаборных скважинах не должно превышать допустимой величины;

- водозабор должен рассчитываться на определенный срок непрерывной работы;

- качество воды (с учетом возможной водоподготовки) в течение всего срока работы водозабора должно отвечать нормативам для хозяйственнопитьевого водоснабжения;

- экологические последствия водоотбора должны быть минимальными (точнее, допустимыми, приемлемыми).

2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

2.1. Рациональный водозабор Рациональный водозабор должен обеспечивать минимум затрат 5,6, - капитальные затраты (стоимость строительства сооружения) - в основном, определяются длиной магистрального водовода (от водозабора до объекта водоснабжения), в меньшей степени - количеством скважин, их глубиной и конструкцией;

- эксплуатационные затраты (стоимость эксплуатации) включают:

1) энергозатраты на I подъем, поэтому важно количество скважин и глубина динамического (пониженного) уровня;

2) затраты на водоподготовку, зависящие от суммарного дебита и необходимых технологий водоподготовки;

3) энергозатраты на перегон воды по магистральному водоводу - зависят от длины водовода, рельефа по его трассе и суммарного дебита.

Исходя из указанных условий, рациональный водозабор должен быть расположен как можно ближе к водопотребителю и содержать минимальное количество эксплуатационных скважин.

Минимизация количества скважин достигается за счет максимальной нагрузки на каждую из них. От чего зависит возможный дебит скважин? Например, при квазистационарном режиме в неограниченном изолированном пласте должны соблюдаться следующие условия где S - понижение уровня воды в скважине, м;

Q - дебит скважины, м3/сут;

а - коэффициент пьезопроводности, м2/сут;

t - нормативное время эксплуатации скважины, сут;

Т - водопроводимость водоносного пласта, м2/сут:

где К - коэффициент фильтрации, м/сут;

т - мощность водоносного пласта, м;

rc - радиус фильтра скважины, м.

Из (2.1) следует,что максимальный дебит достигается при расположении скважины в области с наиболее высокой проводимостью пласта и, напротив, с низкими величинами уровне (пьезо)проводности (т.е. при высокой водоотдаче). Определенное значение имеет и радиус фильтра скважины как технический, так и расчетный, учитывающий различия проницаемости пород в пласте и в прифильтровой зоне. Поэтому в практике строительства водозаборных скважин применяют различные методы увеличения проницаемости прифильтровой зоны - простреливание, торпедирование, гидроразрыв, соляно-кислотная обработка и т.п., чтобы увеличить расчетный радиус rc.

Однако, реально возможный дебит скважин имеет некоторые ограничения во-первых, по техническим характеристикам типового насосного оборудования; во-вторых, для определенных типов водовмещающих пород нежелательно создание высоких скоростей в прифильтровой зоне водозаборных скважин. Но наиболее существенным является ограничение величины возможного понижения уровня в водозаборных скважинах.

Допустимое понижение уровня в водозаборе. Ограничение величины понижения уровня в водозаборных скважинах преследует две цели:

- при эксплуатации грунтовых водоносных горизонтов происходит уменьшение их мощности и, следовательно, уменьшение проводимости горизонта. Чтобы не допустить прогрессирующего, "обвального" перепонижения уровней, рекомендуется сохранять в зоне водозаборной скважины не менее 30-50% начальной проводимости;

- в водозаборной скважине всегда должен оставаться столб воды, достаточный для размещения насоса и отстойника (обычно 3-10 м). Для безнапорных горизонтов принимают расчетную величину допустимого понижения порядка = (0.5 0.7), где - начальная, ненарушенная мощность потока в зоне эксплуатационных скважин (рис.2.1, а). Однако, такой подход допустим только для однородных по вертикали горизонтов, когда кумулята проводимости имеет вид прямой линии (рис.2.1, б). Более вероятно, что водоносные пласты имеют неоднородное (и достаточно контрастное) строение по вертикали - слоистость в рыхлых четвертичных отложениях, карстовые коллекторы и др. В таких случаях величина допустимого понижения должна обосновываться путем расходометрических испытаний - из условия, чтобы остаточная проводимость пласта в зоне скважины составляла не менее (0. 0.5) (рис.2.2 а,б).

Рисунок 2.1 - Допустимое понижение уровня (a) и форма кумуляты проводимости (б) в однородном по вертикали безнапорном пласте Рисунок 2.2 - Допустимое понижение уровня (a) и форма кумуляты проводимости (б) в неоднородном по вертикали безнапорном пласте Для напорных горизонтов гарантированной является величина допустимого понижения до кровли пласта (не вызывающая изменения проводимости эксплуатируемого пласта); если же эта величина недостаточна, то допускается Рисунок 2.3 - Допустимое пониже- Расчетный срок эксплуатации - это ние уровня для межпластовых водовремя, в течение которого водозабор носных горизонтов. Обычно (если не оговорено иное) используют так называемый амортизационный срок (27.4 года, что соответствует "круглой" расчетной величине 10 000 суток). Однако, могут быть заданы и особые варианты: временные водозаборы (например, строительные - 35 лет), периодические водозаборы (оросительные – 34 месяца в году; пиковые с внутригодовой, внутринедельной и даже внутрисуточной периодичностью), 2,5,7,8.

Если при разведке доказана возможность стационарного режима фильтрации при эксплуатации, то такой водозабор может работать неограниченно долго.

Сохранение качества воды в пределах действующих нормативов в течение всего расчетного срока - вполне понятное требование, не требующее комментариев.

Оценки эксплуатационных запасов подземных вод может быть сведено к необходимости количественного обеспечения трех прогнозных положений:

1) обоснование связи между дебитом водозабора и понижениями уровней в нем;

2) обоснование тенденции изменения показателей качества извлекаемой воды за расчетный срок;

3) обоснование возможных изменений условий взаимосвязи эксплуатируемого водоносного горизонта со смежными элементами окружающей среды.

Правильное балансовое понимание гидрогеологических условий позволяет избежать логических, формальных ошибок при выборе расчетных формул, схем, при построении расчетных моделей.

Например, для расчетов качества подземных вод - нужны долевые составляющие расхода для расчетов химического смешения, то же - для оценки экологических последствий водоотбора.

Проблема очень непростая, так как чаще всего невозможны прямые полевые измерения; необходимо очень ясное понимание общей гидрогеологической ситуации и балансово-гидродинамических механизмов при естественном и нарушенном режиме фильтрации.

Среднегодовой баланс водоносного горизонта (с осредненными сезонными колебаниями и потому - с некоторым постоянным объемом воды в пласте): объем притока за счет всех видов питания равен объему оттока за счет всех видов разгрузки, т.е. должно соблюдаться условие где QП,QP - приток и отток воды в водоносном горизонте, м3/сут;

t - расчетное время, сут.

Водоотбор - новая расходная статья баланса (искусственная разгрузка).

Поэтому после включения водозабора начинает формироваться (в полном соответствии с законами систем материального мира) новое равновесное балансовое состояние, т.е. происходят количественные изменения естественных балансовых процессов, стремящиеся компенсировать возникший за счет водоотбора дисбаланс. В совокупности эти изменения таковы:

- всегда уменьшается объем воды в пласте на величину, так как обязательно (по законам гидрогеодинамики) должна образоваться депрессионная воронка;

- может увеличиться суммарный расход питания до величины ;

- может уменьшиться суммарный расход разгрузки до величины.

Если питание имеет "потенциальный" характер, т.е. происходит под действием разности напоров (перетекание из смежного горизонта, приток из рек), то при эксплуатационном понижении уровней разность напоров может только увеличиваться.

Если питание имеет инфильтрационный характер, то при понижении свободной поверхности инфильтрация тоже возрастает (до некоторого предела), так как уменьшается испарение.

Если естественная разгрузка происходит с некоторой разностью напоров на дренирующей границе (разгрузка в русла рек, водоемы, восходящими родниками...), то при эксплуатационном понижении напоров эта разность уменьшается - следовательно, уменьшается и расход разгрузки.

Если разгрузка происходит путем испарения, то при эксплуатационном понижении свободной поверхности величина испарения всегда уменьшается.

Процесс уменьшения естественной разгрузки при эксплуатации будем называть инверсией; она может быть частичной или полной.

Уравнение баланса водоносного горизонта при работе водозабора приобретает такой принципиальный вид:

или, учитывая, что QП QP :

где QЭ - эксплуатационные запасы (ресурсы) подземных вод, м3/сут;

VЭ - изменение объема при водоотборе в водоносном горизонте, м QП, QP - изменение притока и расхода в водоносном горизонте, м3/сут.

Его физический смысл: отрицательное (по балансовому знаку) изменение, возникшее в естественной сбалансированной системе, погашается положительными изменениями Эти положительные изменения называются источниками формирования ЭЗ и составляют балансовую структуру эксплуатационного водоотбора (БСЭВ).

Принципиально важно: величина (или само существование) каждой компоненты БСЭВ определяется конкретной гидрогеодинамической ситуацией, т.е. зависит от параметров, граничных условий, времени, схемы и расположения водозабора и др.

Таким образом, возникает теоретически бесконечная цепочка балансовой реакции на эксплуатационный водоотбор. Практически же где-то может найтись такая питающая граница, которая выдаст необходимое приращение питания без изменения собственного уровня (точнее, при пренебрежимо малом изменении уровня) - обычно это большие реки, крупные водоемы и т.п.

Стационарный режим фильтрации при работе водозабора может установиться только в том случае, если в области влияния водозабора есть питающие и/или дренирующие границы, на которых в связи с понижением уровней произойдет суммарное изменение естественных величин питания и/или разгрузки, равное величине водоотбора:

- суммарное изменение расходов через все границы,м3/сут где При работе с балансовыми зависимостями надо договориться о знаке расхода: «+» - питание, «-» - разгрузка. Нужно в гидрогеодинамических формулах всегда ставить на первое место уровень на границе :

где - это уровни в приграничной области пласта, м;

- некоторое фильтрационное сопротивление границы, через которую происходит водообмен пласта со смежными элементами гидросферы, м3/сут.

Естественные запасы (ЕЗ) - количество воды в пласте. Величина естественных запасов зависит от размеров водовмещающей толщи (площадь оцениваемой области, мощность пласта) и ее емкостных параметров (водоотдача). В зависимости от природы водоотдачи различают емкостные и упругие естественные запасы. Размерность объема (L3), но в уравнении баланса представляем их расходом, "размазывая" объем запасов на время водоотбора.

Естественные ресурсы (ЕР) - суммарная величина питания водоносного горизонта в естественных условиях (следовательно, и величина естественной разгрузки). В уравнение баланса водоотбора входит не общая величина естественных ресурсов, формирующаяся в пределах некоей водосборной площади, а только изменение расхода разгрузки, т.е. та часть общей величины естественных ресурсов, которая "схвачена" водозабором за счет депрессии напоров в областях разгрузки естественного потока (замена естественной разгрузки на искусственную, техногенную).

Привлекаемые ресурсы (ПР) - специфическая балансовая категория, возникающая только при работе водозабора. Это - суммарный расход дополнительного питания эксплуатируемого горизонта. Две возможности возникновения привлекаемых ресурсов:

- в областях естественного питания - оно может усилиться при эксплуатационном понижении уровней (раньше уже говорили об этом явлении - например, усиление перетекания из смежного горизонта;

увеличение интенсивности инфильтрации при возрастании глубины залегания свободной поверхности...); разность между эксплуатационной и естественной величиной и есть привлекаемые ресурсы;

- в областях естественной разгрузки - вначале инверсия (это использование естественных ресурсов), а после полной инверсии на границе возникает обратное соотношение напоров и поток обратного направления, которого не было в естественных условиях; его полный расход и есть привлекаемые ресурсы.

Структура баланса водоотбора способна к существенному преобразованию во времени, а возможная направленность этих преобразований во многом зависит от положения водозабора по отношению к действующим балансово-гидрогеодинамическим границам пласта. Если водозабор расположить близко к реке (или к другой дренирующей границе), то достаточно быстро, при небольших еще понижениях уже возникает сначала, а затем и. Поэтому может быстро установиться стационар.

Если же водозабор далеко от дренирующей границы, то воронка достигнет ее через весьма значительное время (или вообще не "успеет" это сделать за расчетный срок), либо в принципе не сможет ее достичь в пределах допустимых понижений в водозаборе (Рисунок 2.4). Величина естественного потока в этих условиях не Рисунок 2.4 - Характер развития депрессионных воронок при расположении водозабора на удалении и таким же, как и в условиях вблизи реки 2.3. Оценка естественных запасов подземных вод Объем воды, содержащийся в эксплуатируемом пласте в некоторой расчетной области, оценивается его площадью F, мощностью m и водоотдающими свойствами. В общем случае межпластовый водоносный горизонт, обладающий избыточным напором над кровлей (рис. 2.5), имеет кроме ёмкостных запасов, упругие запасы 2,9,10,11.

Рисунок 2.5 - К оценке емкостных и упругих естественных запасов пласта можно дополнительно получить емкостные запасы в количестве:

где - коэффициент водоотдачи.

Следовательно, в целом полные естественные запасы составляют:

Если пласт ненапорный, то упругого слагаемого в этой формуле нет, только емкостная (гравитационная) составляющая Это - потенциальные естественные запасы водоносного горизонта;

реально же при водоотборе будет использована только некоторая их часть, так как:

- понижение уровня всегда ограничивается тем или иным допустимым значением, т.е. вместо надо использовать ;

- сама форма воронки имеет вид отнюдь не чемодана, поэтому среднее понижение по всей области депрессии заметно меньше, чем.

На практике для балансовых оценок применяют коэффициент использования (извлечения), тогда естественные запасы будут равны:

где а1 =0,3 0,5 – коэффициент использования.

Более точно: принять какое-то среднее понижение уровня в пределах воронки; тогда где - радиус воронки, м;

S ср - среднее понижение уровня, м.

Приближенно можно доказать, что при понижении в скважине и ее радиусе среднее понижение на площади депрессионной воронки составляет:

При сосредоточенном водоотборе реальная величина коэффициента использования естественных запасов составляет от 0.1 - 0.15 (для напорных условий, где ) до 0.05 - 0.1 (для грунтовых горизонтов, = (0. 0.7) ).

Как добиться увеличения ? Максимально возможным рассредоточением водозабора по площади.

Итак, для балансовой оценки потенциальных естественных запасов месторождения нужно:

- оценить характер водоотдачи в пределах ожидаемой величины понижений, исходя из условий залегания водоносного горизонта и возможной глубины депрессионной воронки;

Из этих величин параметром является водоотдача для определения которой используют:

достоверность экстраполяции и интерполяции на больших площадях месторождений;

- откачки (кустовые): определяется уровне(пьезо)проводность; обычно получаются заниженные величины емкостных оценок, так как из-за "разнокалиберности" порово-трещинного пространства реальная величина водоотдачи проявляется значительно дольше обычной длительности опытных опробований;

- режимные наблюдения: в принципе лучше, так как наблюдаются и обрабатываются длительные периоды относительно медленного природного нестационарного режима.

Ниже дана методика по определению водоотдачи.

Створ состоит из 3-х скважин по линии тока (при квазилинейной структуре потока - рис. 2.6) или "конверт" из 5-и скважин, если поток Рисунок 2.6 - К обоснованию методики оценки водоотдачи по данным режимных наблюдений на створе где q12, q 23 - приток воды из блока 1 в 2 и отток из 2 в 3, м3/сут;

V2 - уменьшение объема воды в блоке 2,м3;

t - время наблюдений, сут.

Из (2.16) определяется водоотдача :

Для определения используется закон Дарси для линейного потока шириной по фронту 1 м:

где К1-2, К2-3 – коэффициент фильтрации из блока 1 в 2, из 2 в 3, м/сут;

h1, h2, h3 – расстояние от подошвы до уровня воды в блоках 1, 2 и 3, м;

Н1, Н2, Н3 – среднее значение напора воды в блоках 1, 2 и 3 за расчетный период, м;

х1-2 и х2-3 – расстояние между скважинами в блоках 1-2 и 2-3, м.

Скорее всего, средние значения за расчетный период - например, напор для блока 2:

Водоотдача вычисляется по (2.17) из невязки расходов, а она, как правило, невелика, поэтому результат очень чувствителен к погрешностям полученных значений, которые, обычно велики. За счет этого могут получаться даже абсурдные результаты - отрицательные или огромные значения.

Вообще, этот метод применим, как правило, лишь в случае безнапорных потоков (гравитационная, т.е. большая, величина водоотдачи); в случае упругого режима (напорные потоки) очень мала.

Наконец, необходима уверенность в отсутствии питания - иначе балансовое уравнение неверно.

Чтобы уверенно выделить периоды именно "независимого спада", проводят специальный анализ режимных наблюдений (рис. 2.7), основанный на использовании уравнения Майе-Буссинеска для периода спада уровня:

Рисунок 2.7 - Участок независимого спада уровня на графике режимных наблюдений итощения применяют зависимость Чем больше (т.е. чем меньше водоотдача и размер бассейна), тем интенсивнее протекает процесс истощения.

Итак, по найденным участкам "независимого спада" можно пытаться определить водоотдачу по рассмотренной методике Г.Н.Каменского; полезно также оценить величину коэффициента истощения.

2.4. Оценка естественных ресурсов подземных вод Это - суммарная величина питания горизонта в ненарушенных (точнее сложившихся к началу эксплуатации) условиях, определяющая расход потока по пласту и расходы разгрузки через все дренирующие границы.

Размерность - расход, м3/сут, 2,9, Формы (механизмы) питания подземных вод: инфильтрация (естественная и техногенная), перетекание, фильтрация из рек.

Формы естественного дренирования водоносных горизонтов: родники, рассредоточенная русловая разгрузка в реки (озера, болота, моря...), испарение с поверхности грунтовых вод, транспирация растениями, перетекание.

Естественные ресурсы (ЕР) всегда оцениваются применительно к определенной расчетной площади, являющейся балансово-замкнутым элементом подземного стока, т.е. включающей области питания, стока и разгрузки (водосборный бассейн или система бассейнов).

Методы оценки: а) по расходу питания, б) по расходу потока, в) по расходу разгрузки.

а) При оценка естественных ресурсов по расходу питания, оценивается интенсивность (модуль) питания. Это расход питания на единицу площади в плане, т.е. скорость или слой за расчетный промежуток времени.

Размерность: для гидрогеодинамических расчетов – м3/сут; в балансовых расчетах обычно - мм/год (для удобства сопоставления с другими элементами водного баланса - например, с интенсивностью атмосферных осадков); в ряде случаев удобной является специфическая размерность л/с на кв.км.

При среднем модуле питания естественные ресурсы, формирующиеся на расчетной площади питания, составляют.

Далее будем говорить об инфильтрации - основном процессе питания для первых от поверхности водоносных горизонтов.

2.5. Оценка интенсивности инфильтрации Применяются следующие методы оценки интенсивности инфильтрации 2,3,9,10:

1. Экспериментальные: с помощью специальных полевых приборов лизиметров. При разведке месторождений они практически неприменимы и используются обычно только на научно-исследовательских балансовых стационарных площадках, из-за следующих недостатков:

- непредставительные результаты - практически они характеризуют точку, в то время как площади месторождений составляют десятки и - сложны технически в обслуживании и наблюдении; требуется практически непрерывное присутствие обслуживающего персонала, что нереально в экспедиционных условиях разведки месторождений;

- ненадежны при больших глубинах залегания уровня подземных вод;

- неприменимы в условиях, когда зона аэрации сложена скальными 2. Расчетные : решение уравнений влагопереноса в зоне аэрации.

3. По данным опытно-фильтрационных наблюдений: существует несколько существенно различных способов использования уровенных режимных наблюдений для оценки питания грунтовых вод.

Используется та же методика Г.Н.Каменского (как для оценки водоотдачи - рис. 2.8), но для периода питания, т.е. на восходящей фазе режима.

Рисунок 2.8 - К обоснованию методики оценки интенсивности инфильтрации по противном случае (спад уровней данным режимных наблюдений на створе на фоне питания) Из (2.22) определяется интенсивность (модуь) питания W, если известна водоотдача :

Применение этой методики содержит те же потенциальные погрешности, что и при оценке водоотдачи; дополнительная погрешность образуется за счет неточности задания параметра водоотдачи.

Нередко после подъема фиксируется период стационарного режима уровней, хотя питание продолжается; это свидетельствует о наступившем равновесии расхода притока к блоку и оттока к дрене:

Такая ситуация выгодна, т.к. оценка инфильтрации может быть выполнена без параметра водоотдачи.

Другой вариант использования данных режимных наблюдений для оценки инфильтрации - по одной скважине, располагающейся в водораздельной области питания, рассмотрен графо-аналитический рисунок 2.9.

Если в вышерассмотренном конечно-разностном уравнении для линейного потока представить (чисто теоретически), что (т.е. все Рисунок 2.9 - Теоретический и где Н - фактический подъем уровня фактический подъем уровня за воды в скважине за период питания, м;

Однако, фактически происходит отток части поступающего питания к для определения нужно каким-то образом оценить "невидимую" величину. Тогда где z - уменьшение подъема уровня воды в скважине за период питания, м.

Есть разные предложения по оценке величины z :

1-й способ. Предполагается, что перед подъемом уровня существовал квазилинейный независимый спад уровня, отвечающий некоторой интенсивности оттока к дрене; темп этого спада (т.е. интенсивность оттока) сохраняется и в период подъема уровней за счет питания.

Рисунок 2.10 - Расчет поправки на отток линейной занижению поправки и, следовательно, экстраполяцией темпа величины.

спада, предшествовавшего 2-й способ. Учет возрастания интенсивности вышерассмотренной модели Майе-Буссинеска.

Простейший (в расчетном смысле) прием заключается в следующем: для расчетного периода вычисляется среднее значение напора Нср, после чего поправка рассчитывается как величина истощения за время при данном значении начального напора (рис. 2.11):

Рисунок 2.11 - Расчет поправки на отток по кривой истощения при среднем значении напора в соответственным уточнением результата оценки) промежуток времени разбивается на несколько шагов. Для каждого из них определяется свое значение и, как в предыдущем случае, вычисляются По опыту применения, различия в оценке инфильтрации по экстраполяции темпа меженного спада и по кривой истощения могут быть вполне значимыми (25-50% и более).

Этот метод оценки инфильтрации (с разными способами расчета ) широко используется в практике разведочных работ, так как прост в организации и исполнении:

- одна скважина с произвольным расположением (но все же в водораздельной области питания);

- не требуется оценка фильтрационных свойств; из параметров участвует только водоотдача (но со всеми проблемами достоверности ее оценки).

Еще один возможный вариант оценки расхода питания горизонта: если оно происходит за счет перетекания из смежного в разрезе горизонта (с напором Н 0 ) на определенной площади с модулем перетекания. Общий расход питания в этом случае равен При этом, скорее всего, придется разделить область перетекания на частные зоны с осредненными показателями и затем суммировать частные расходы перетекания.

Оценка естественных ресурсов по расходу потока Смысл такой оценки - аналитический расчет расхода потока через поперечное сечение горизонта. Важно понимать, что такой расчет характеризует только область, лежащую выше расчетного сечения.

Расчет производится по карте гидроизогипс, построенной по данным измерения уровней в скважинах, в местах выхода родников, по отметкам уреза воды в дренирующих горизонт водотоках и водоемах (рис. 2.12). Эти замеры должны быть по возможности единовременными.

В – ширина потока,м;

h1, h2 и Н1, Н2 – глубина потока и напор в начале и конце рассматриваемого участка, м;

L – длина рассматриваемого потока, м.

Обычно расчетное сечение достаточно большое (км, десятки км) и вполне вероятна "поперечная" неоднородность расчетных величин; тогда полную ленту тока разбивают на n лент шириной, для которых расчетные показатели можно считать относительно постоянными. Рассчитываются частные расходы, которые затем суммируются.

Точность таких расчетов очень зависит от качества и количества фактического материала, в первую очередь - по фильтрационным свойствам оцениваемого водоносного горизонта.

Поэтому реальные подсчеты эксплуатационных запасов выполняются с помощью одного из двух основных методов: гидродинамического или гидравлического (каждый из них имеет модификации).

В гидрогеодинамическом смысле задача подсчета заключается в том, чтобы рассчитать понижение уровней в водозаборной скважине (или в системе скважин) и сравнить его с допустимой величиной. Идеология подсчета базируется на основном физическом принципе взаимосвязи между величиной работы, выполняемой в среде с определенным сопротивлением, и необходимыми для этого затратами энергии. Применительно к большинству потоков подземных вод этот принцип воплощается в линейном законе фильтрации (законе Дарси):

Поскольку речь идет о скважинах (большинство водозаборов), то в качестве выступает величина, т.е. такое изменение (понижение) естественных напоров, которое необходимо для создания градиента в субрадиальном потоке для транспортировки расхода к водозабору.

Ф - это символ обобщенного фильтрационного сопротивления области формирования дебита водозабора; его величина определяется, главным образом, гидрогеодинамическими параметрами водовмещающей толщи, граничными условиями потока в области депрессии и устройством водозабора.

Итак, задача подсчета эксплуатационных запасов имеет такой принципиальный вид:

где S, Sдоп – понижение уровня воды в скважинах водозабора, фактическое и допустимое, м;

Qзаявл – водоотбор из водозабора фактический (заявленный), м3/сут.

Очевидно, что оптимально, если = min.

2.6. Гидродинамический метод оценки эксплуатационных запасов подземных вод Структура фильтрационного сопротивления месторождения имеет следующую функциональную зависимость:

где П - гидродинамические параметры водоносной системы;

Г - Граничные условия потока;

t - расчетное время развития депрессионной воронки;

В3 - схема и конструкция водозаборного сооружения.

При применении гидродинамического метода оценки все эти компоненты, интегрально образующие величину, разведуются раздельно, любыми доступными методами и затем раздельно учитываются в расчетных формулах фильтрации к скважинам или вводятся в состав моделей для моделирования работы водозабора, 2,9,10,11.

Ниже даны поясняющие примеры.

По материалам разведки доказана возможность применения расчетной схемы неограниченного в плане, однородного, изолированного в разрезе пласта, следовательно, расчет понижения уровня в водозаборной скважине можно сделать по формуле Тейса:

Итак, при использовании гидродинамического метода оценки ЭЗ нужно раздельно разведать и количественно оценить все компоненты расчетной схемы. После этого подсчет запасов выполняется аналитически или с использованием моделирования работы водозабора.

Во всех случаях для выполнения гидродинамического расчета необходимо составление фильтрационной схемы месторождения, которая является конечной целью разведки и должна адекватно, с наилучшей возможной степенью приближения отражать все те гидрогеологические условия, которые в конкретном случае контролируют величину.

Основой для составления фильтрационной схемы являются результаты поисково-разведочных работ: работы должны быть запроектированы, проведены и интерпретированы так, чтобы схема стала достоверной, т.е.

содержала бы в себе все те элементы природной обстановки, которые в конкретном случае являются значимыми для формирования балансовогидродинамической ситуации.

Обязательные разделы фильтрационной схематизации, т.е. вопросы, которые гидрогеолог должен поставить перед собой и обосновать ответ по данным разведки • Должен быть обоснован ожидаемый режим фильтрации во времени при работе водозабора. Ответ на этот вопрос обосновывается:

- выявленными источниками формирования баланса водоотбора и прогнозируемым временем проявления каждого из них;

- заданным режимом водоотбора - при наличии перетекания.

• Должна быть обоснована ожидаемая пространственная структура потока гидродинамической сетки по пространственным координатам. Ее обоснование производится на основе общих гидрогеодинамических предпосылок:

- конфигурация границ в плане и их положение в разрезе;

- расположение и степень несовершенства водозахватных устройств;

- соотношение мощности пласта и его размеров в плане и др.

Возможные варианты расчетной пространственной структуры течения:

- трехмерная;

- двумерная (в плане или разрезе);

- одномерная (обычно радиальная).

• Характер распределения в плане и разрезе необходимых параметров водоносной системы:

- проницаемость (проводимость для одномерных и плановых потоков или коэффициент фильтрации для профильных и пространственных - емкость (водоотдача для моделирования или уровне- пьезопроводность для большинства аналитических решений).

• Граничные условия потока в плане и в разрезе (ГУ). Они должны быть определены для области ожидаемой воронки депрессии. Но существует и обратная связь - размер воронки, в свою очередь, зависит от характера и положения граничных условий, поэтому вопрос о необходимых размерах области решения прогнозной задачи приходится решать путем последовательных приближений.

• Завершающий пункт схематизации - распределение источников-стоков.

Сюда относят:

- все виды поступления воды в пласт (источники, балансовый знак +);

- все виды расходования воды из пласта (стоки, балансовый знак -), которые почему-либо не вошли в вышеописанные "стандартные" граничные условия.

К вопросам расчетной схематизации относится и одна из важнейших и распространенных особенностей решения задач оценки эксплуатационных запасов - применение суперпозиции (сложение решений).

Его математическое содержание, согласно теореме наложения, линейное дифференциальное уравнение можно разложить на два уравнения, решить каждое отдельно, полученные решения сложить; их сумма будет являться решением общего исходного уравнения. Как это свойство используется при решении задач расчета водозаборных сооружений?

На примере планового потока (выдерживается условие):

где (2.39) - это распределение в плане по и во времени в естественных условиях (без водоотбора) под действием режимообразующих факторов.

При работе водозабора :

где (2.40) - это распределение в плане по и во времени под действием как-то изменившихся (в результате водоотбора с дебитом ) режимообразующих факторов.

Согласно принципу суперпозиции, эти уравнения можно алгебраически складывать. Из (2.39) вычтем (2.40):

понятный вид:

Так как в конечных резуьтатах интересуют только понижения (чтобы сравнивать их с допустимыми), то можно ограничиться только решением уравнения (2.42). Если же для каких-то целей необходимо распределение "полных" напоров, то можно прямо сложить полученные понижения (2.42) с естественными напорами (2.39) и рассматривать их сумму как решение уравнения (2.40). В частности, такая необходимость возникает, если есть нужда в последующем моделировании миграции - для этого нужны "полные" скорости потока.

При упрощении фильтрционной схемы можно считать, что развитие депрессии не приведет к изменению естественных режимообразующих только параметры пласта и отсутствуют режимообразующие факторы, оценка которых при разведке весьма сложно и не всегда достижимо в нужном объеме и с нужной степенью достоверности.

• Важно, что при применении суперпозиции должны быть соответственно трансформированы и граничные условия, если уравнение решается относительно понижений, то и граничные условия должны быть выражены в изменениях:

- Условия 2 рода приобретают вид:

изменяются, то, т.е. граница 2 рода в этом случае вырождается в непроницаемую.

- Условия 3 рода:

Очевидно, что если эксплуатация не вызывает изменений в поведении и величине, то и условие 3 рода упрощается до вида:

Два попутных обстоятельства:

а) Изменились балансовые знаки расходов - дебит водозабора стал положительным (см. формулу 2.42), а приток в пласт через границу 3 рода стал отрицательным.

б) Почему может возникнуть изменение ? В наиболее распространенном случае условия 3 рода (на экранированной реке) такую возможность следует учитывать, если за счет инверсии разгрузки и формирования привлекаемых ресурсов расход реки существенно уменьшается, что повлечет за собой и заметное изменение глубины реки (т.е. уровня реки).

Итак, общее правило: при решении в понижениях по уравнению (2.42) на границах учитываются только изменения, возникшие под влиянием эксплуатационных изменений напора в пласте.

То же относится и к источникам-стокам:

при решении в понижениях "исчезает" из решения, что крайне заманчиво, так как ее (и тем более ее распределение по площади месторождения) мы обычно знаем очень неточно;

- для водозаборной скважины "изменением" является ее дебит, так как его не было в естественных условиях.

При гидродинамическом методе расчета водозаборных сооружений, аналитические расчеты, т.е. применение формул теории притока к скважинам, применяются очень часто, особенно для небольших водозаборов с простой расчетной схемой и небольшой областью влияния. Для использования аналитических решений значительно упрощаются реальные условия. Необходимы требования к расчетной схеме:

1) режим во времени - не всегда есть решения для нестационарного режима;

2) пространственная структура, как правило, одномерная (радиальная или линейная), для плановой структуры практически нет решений;

3) пласт однородный, в лучшем случае - одна граница неоднородности;

4) границы правильной формы (прямая линия, угол, окружность) и однородны по количественным характеристикам;

5) водозабор - одиночная скважина, для нескольких скважин расчет возможен, но заметно усложняется.

Из-за необходимости таких упрощений возникают два неприятных момента:

- есть опасность, что будут неосознанно "потеряны" какие-то важные элементы расчетной схемы;

- упрощения всегда делаются в сторону "ужесточения" схемы, следовательно, занижаются реальные эксплуатационные возможности месторождений.

Достаточно часто приходится иметь дело с системами скважин:

- контурные - скважины в плане расположены по правильному контуру (прямая линия, кольцо...);

- площадные - скважины расположены в пределах некоторой площади.

Другой принцип классифицирования:

- упорядоченные - существует закономерность во взаимоположении - неупорядоченные - скважины расположены произвольно.

Достаточным и абсолютно точным является расчет взаимодействия скважин по принципу "сложения решений": понижение в каждой скважине системы, есть сумма "собственного" понижения и понижений от действия всех остальных скважин системы:

где - общее количество взаимодействующих скважин, знак * означает, что из суммирования должен быть исключен член с номером ;

- "собственное" понижение в -ой скважине под действием дебита на - понижение в -ой скважине от действия -ой скважины с дебитом Схема водозабора (количество и взаиморасположение скважин) определяется путем решения нескольких вариантов гидрогеодинамического расчета. Для этого предварительно необходимо обосновать расчетную фильтрационную схему, используя хотя бы тот минимум данных, которые получены в ходе практики:

а) ожидаемый режим фильтрации во времени при работе водозабора - судя по опытным данным, при снижении уровней в водоносном горизонте известняков достаточно быстро развивается перетекание из аллювия и затем приток из реки в аллювий, что создает стационарную балансовогидродинамическую ситуацию, которую можно прогнозировать на неограниченно долгое время. Подтвердим это расчетом возможного времени стабилизации в условиях перетекания по (2.38), приняв (по данным интерпретации кустовой откачки из скв.1) фактор ширины перетекания В = 390 м и пьезопроводность субнапорного водоносного горизонта в известняках а = 3106 м2/сут:

Полученная оценка (около 6 часов) близко совпадает с фактически наблюдающимся временем стабилизации при проведении учебных опытных откачек;

б) пространственная структура течения при работе водозабора - в целом, трехмерная: плоско-плановое течение в пласте известняков и в аллювии и вертикальный приток из аллювия через слабопроницаемый глинистый слой.

Однако, чтобы не усложнять расчет, можно задавать приток из аллювия с помощью площадного граничного условия 3 рода на кровле пласта известняков, тогда можно рассматривать только двумерное плоско-плановое течение в известняках;

в) распределение параметров по площади - таких сведений у нас практически нет, поэтому вынужденно считаем область однородной по всем параметрам. Поскольку расчет будет выполняться для стационарного режима, то единственным необходимым параметром является проводимость пласта известняков Т = 800 м2/сут;

г) граничные условия (тоже не очень уверенно, так как имеем данные только по одной точке опробования):

- в плане водоносная система неограниченная (во всяком случае, для относительно небольшой области влияния откачки);

- снизу (в подошве): непроницаемая граница по подстилающим глинам ( ? );

- сверху (в кровле): площадное условие 3-го рода по подошве слабопроницаемого слоя между аллювием и известняками, фактор перетекания порядка 390 м; уровень в аллювии при откачке снижался незначительно и в локальной области, поэтому можно принять ;

д) скважины водозабора - совершенные, так как вскрывают основную проводящую зону в разрезе пласта известняков; диаметр фильтровой части водозаборных скважин можно принять = 400 мм ( = 0.2 м ).

Для расчета водозабора используем аналитическое решение из теории скважин, соответствующее принятой расчетной схеме - неограниченный в плане пласт, с площадным перетеканием при постоянном уровне в смежном горизонте, при стационарном режиме фильтрации:

(эта формула действует при, но с некоторой погрешностью ее можно использовать и в более широком диапазоне радиальных координат).

Для этого сначала нужно определить максимально возможную производительность одиночной скважины (т.е. без влияния других скважин водозабора):

где - это максимально допустимое (по гидрогеодинамическим и техническим соображениям) понижение в водозаборной скважине м. При его оценке следует учитывать:

- с технической стороны: высота подъема воды для современных погружных насосов - до 100 м;

- с гидрогеодинамической точки зрения: нежелательно понижать уровень в пласт известняков, так как будет резко уменьшаться его проводимость (основные проводящие зоны, по данным расходометрии, расположены именно в верхней части пласта).

Выведем расчетную формулу для понижения в любой из этих двух скважин (в неограниченной однородной области понижения в них будут сложения решений:

где - полное понижение в скв.1, м, - "собственное" понижение в скв.1,м; - понижение в скв.1 от действия скв.2,м.

Соответственно:

откуда можно оценить дебит, с которым может работать каждая скважина при допустимом понижении:

Варианты возможной схемы водозабора приведены на рисунке 2.13.

Важен общий вывод: в конкретном случае не существует некоей однозначно "правильной" схемы водозабора, можно предложить целую серию различных вариантов - либо много близкорасположенных скважин, либо мало, но достаточно удаленных. Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки; оптимальный вариант всегда выбирается с учетом некоторых дополнительных, "внешних" соображений - экономических, условий строительства, землепользования и т.п. Заметим также, что на возможную величину дебита эксплуатационной скважины накладываются также ограничения, связанные с характеристиками серийных насосов и фильтрового оборудования, допустимыми скоростями потока в прискважинной зоне и др.

Рисунок 2.14 - Принципиальная балансово-гидродинамическая схема в центральной части депрессии прекращается полностью. Суммарное сокращение расхода естественной разгрузки характеризует долю использования естественных ресурсов основного горизонта.

В зоне полной инверсии разгрузки на некоторой площади возникнет перетекание обратного направления - из аллювия в основной горизонт, что означает появление в балансовой структуре водоотбора привлекаемых ресурсов для основного горизонта.

Однако, обязательно нужно задуматься и понять: в аллювиальном горизонте тоже нарушились естественные балансовые условия (хотя из него и нет водоотбора).

Во-первых, сократилось ранее существовавшее питание аллювия в виде перетекания из известняков; уже один этот факт неминуемо вызовет определенное снижение уровней в аллювии (должен уменьшиться градиент напора в потоке к реке).

Во вторых, нужно чем-то обеспечивать возникшее перетекание в известняки. Сначала расходуются просто емкостные запасы аллювия, в результате чего в нем продолжает развиваться понижение уровней;

начинается инверсия естественной разгрузки из аллювия в реку, которая в итоге на определенном участке русла приводит к возникновению притока из реки в аллювиальный пласт (т.е. в общей балансовой схеме появляются привлекаемые ресурсы для аллювиального горизонта).

После завершения описанной перестройки естественной балансовогидродинамической системы картина понижений стабилизируется окончательно и водоотбор может продолжаться теоретически неограниченно долго. Балансовое уравнение водоотбора имеет вид:

где QЭ - эксплуатационные запасы (ресурсы) водозабора, м /сут;

Возникшее перетекание из аллювия в эксплуатируемый горизонт известняков в это уравнение не входит. Весь водоотбор в стационарном режиме компенсируется:

- естественными ресурсами основного эксплуатируемого горизонта расход сокращения естественной разгрузки в аллювий);

- естественными ресурсами смежного аллювиального горизонта;

- привлекаемыми ресурсами в аллювиальный горизонт.

Ниже покажем приближенные расчеты на примере упорядоченной контурной системы скважин в виде линейного ряда в простейшей фильтрационной схеме (рис. 2.15):

Условие формирования рядов, фильтрации и исходные предпосылки:

- ряд равномерный - шаг между скважинами постоянный, ;

- режим фильтрации – стационарный;

- две исходных предпосылки:

- граничные условия, обеспечивающие стационарный режим фильтрации, удалены от линии ряда более, чем на ;

- длина ряда существенно больше расстояния до границы (теоретически речь идет о ряде "неограниченной" длины).

Рисунок 2.15 - Схема притока к линейному водозаборному ряду необходимостью расходования энергии и к эквивалентной траншее Поскольку зона деформации локальна, то правомерен такой ход:

- сначала сделаем расчет для траншеи по простым зависимостям для линейных потоков;

- а потом введем поправку на дополнительные потери напора и получим уровни в скважинах.

Теоретически доказано, что разность не зависит от характера граничных условий и определяется общим выражением:

где f КС - «внутреннее» сопротивление контурной системы, зависит только от характеристик и rc :

QC - дебит скважины, м3/сут:

где q 0 - удельный дебит, м /сут/м;

Из (2.55) и (2.53) удельный дебит скважины равен:

Расход линейного в плане потока по единичной ленте тока определяется по формуле:

Отсюда следует формальная аналогия: - это эквивалентная длина, т.е. такая длина планового потока с проводимостью, на преодоление которой затрачивается разность напоров Итак, можно записать:

Возьмем случай очень распространенной схемы водозабора равномерный равнодебитный линейный ряд скважин, расположенный параллельно реке (рис. 2.16).

Рисунок 2.16 - Расчетная схема линейного ряда у реки воспользуемся вышерассмотренной моделью ряда "неограниченной" длины, заменив его водозаборной траншеей с погонным расходом:

С другой стороны, мы уже знаем, что по (2.58) Подстановка из (2.60) в (2.59) дает окончательно:

Действуем так:

- берем разные (по маркам насосов);

- получаем разные величины ;

- решаем уравнение относительно.

При этом будет получаться разная длина ряда (рис. 2.17).

Далее нужно выбрать (с заказчиком и проектировщиками), что лучше:

много скважин и короткий ряд или поменьше скважин, но длиннее ряд.

Не исключено, что длина ряда будет ограничена (землеотвод, условия строительства, санитарно-охранные соображения) некоторой предельно допустимой величиной.

Могут быть и другие варианты:

- задан дебит одной скважины (по марке насоса с учетом местного опыта эксплуатации водозаборов, состава и строения водовмещающей Рисунок 2.17 – Зависимость В большинстве случаев в этих расчетах придется столкнуться с необходимостью решения трансцендентных уравнений.

Это так, но они справедливы для "неограниченной" длины ряда, т.е. для бесконечно большого количества взаимодействий скважин между собой. Как следствие - понижения во всех скважинах ряда одинаковые. Фактически же для ряда реальной ограниченной длины это не так: на флангах понижения меньше, чем в средней части ряда; да и в целом понижения реально будут меньше. Приближенный расчет всегда дает завышение реально необходимого расстояния между скважинами; полученный результат следует использовать лишь как первое приближение для окончательного уточнения по "нормальным" аналитическим зависимостям. Степень погрешности расчета понижения в средней скважине реального ряда (обычно в первую очередь рассчитывают именно это понижение, поскольку оно самое большое Рисунок 2.18 - Схема к расчету влияния скв.2 на точку расположения скв. где r12.

Для учета взаимодействия равнодебитных скважин в ряду:

унифицируется:

При этом необходимо учитывать: 1) нужно использовать модуль разности номеров скважин; 2) звездочка означает, что при суммировании исключается член с номером j = i ).

Формула (2.66) абсолютно точная, окончательные варианты следует считать по ней. Но относительно громоздко для "ручного" счета (а вот программируется она предельно просто). Поэтому гдето на ранних стадиях расчетов, для предварительных координат центра "большого колодца" колодца" с радиусом rk по любой формуле, отвечающей расчетной схеме, например, в "схеме Тейса":

Конечно, такая оценка будет приближенной, так как приходится принимать некоторое единое для системы значение.

В завершение характеристики гидродинамических расчетов коротко остановимся на моделировании работы водозаборов. Оно применяется, если необходимо учесть выявленные при разведке особенности неоднородного распределения параметров, сложные граничные условия, структуру потока и др.

Основная особенность моделирования скважин: если в блок модели подать дебит скважины, то в нем при решении будет получен напор (или понижение ), не отвечающий реальному напору (понижению) в скважине Рисунок 2.20 - Характер притока к водозаборной скважине в реальном(синие стрелки) фильтрационном потоке и на сеточной модели (черные стрелки) Если теперь почленно вычесть (2.70) из (2.68), то:

При конструировании модельной сетки следует стремиться к квадратной разбивке в области расположения скважин, стараясь "посадить" скважины в узлы блоков.

Если в один блок сетки модели попадают несколько работающих водозаборных скважин, то их приходится объединять в одну эквивалентную, т.е. заменять их "большим колодцем" с суммарным дебитом, рассчитав его радиус по вышерассмотренным зависимостям.

Таким образом применение гидродинамического метода оценки запасов подземных вод предполагает:

- в методическом отношении: по результатам ПРР должна быть обоснована фильтрационная схема месторождения, т.е. все её значимые (запасообразующие) элементы должны быть охарактеризованы пространственно и параметрически - в виде карт параметров, граничных условий и т.д.;

- в технологическом смысле: расчет схемы водозаборного сооружения производится аналитически (по формулам теории притока подземных вод к скважинам и другим водозахватным устройствам) или с использованием моделирования фильтрации.

2.7. Гидравический метод оценки эксплуатационных запасов подземных вод Гидравлический метод оценки эксплуатационных запасов и расчета водозаборов, являющийся альтернативой рассмотренному гидродинамическому методу 2,9,10,11,12,13,14.

Его основной смысл – непосредственная экспериментальная (т.е. с помощью прямых полевых опытов) оценка как единой "эмпирической" величины. Для этого при разведке выполняется ОЭО - достаточно длительные и достаточно мощные опытно-эксплуатационные откачки из скважин, заложенных непосредственно в точках будущего водозабора (такие скважины обычно называют разведочно-эксплуатационными). По сути, такое опробование является почти полной имитацией работы будущего водозабора.

Техника применения следующая: в начале по результатам ОЭО для опробуемой скважины фиксируется т.н. срезка уровня (несколько устаревший синоним термина "понижение", затем рассчитывается удельная срезка ("удельное понижение") как величина срезки (понижения) на единицу дебита:

где - удельная срезка понижения уровня воды в скважине, м/м3/сут;

S - понижение уровня в скважине при опытно-эксплуатационной откачке, м;

QОЭО - дебит скважины при опытно-эксплуатационной откачке, м3/сут.

Видно, что и по смыслу, и по размерности является фильтрационным сопротивлением - тем самым "обобщенным" сопротивлением области влияния ОЭО. Таким образом, проводя ОЭО, мы "одним ударом" определяем (в виде одного-единственного числа) всю совокупность действия гидрогеологических факторов в зоне влияния опробования.

Ясно, что в ходе ОЭО будет изменяться в соответствии с развитием величины понижения даже при относительно постоянном дебите опробования. Очевидно, что возможны два принципиальных варианта:

- за время ОЭО достигнут устойчивый стационарный режим понижений, следовательно, удельная срезка достигла своего максимального в данных условиях значения;

- - в течение всего времени ОЭО сохранялся нестационарный режим, т.е.

достигнутое к моменту завершения ОЭО значение не является предельным.

Существование одного из этих вариантов в конкретной ситуации определяется, в первую очередь, удаленностью питающих границ, способных обеспечить необходимую величину.

Стационарный режим ОЭО. По данным стабилизировавшейся опытноэксплуатационной откачки имеем уже неизменную удельную срезку 9,10,11, где S ОЭО - понижение уровня воды в скважине при стабилизировавшемся режиме откачки, м.

Теперь можно дать прогноз понижения в водозаборе при заявленном дебите:

Однако, для этого нужно быть уверенным, что величина не зависит от дебита, т.е. сохранит свое значение при, который чаще всего больше опытного. Этого можно ожидать в условиях, если от дебита (т.е. и от понижения) не зависят параметры элементов водоносной системы и характер действия граничных условий, тогда:

где Q – дебит скважины при опытной откачке, м /сут.

Рисунок 2.21 – Зависимость понижения уровня где - радиальная координата точки наблюдения m, - радиус питания (при Соответственно понижение в работающей скважине:

Аналитический вид выражения для (2.77) зависит от конкретной расчетной схемы - например, при работе скважины на расстоянии от уреза несовершенной реки (с параметром сопротивления ложа ). Радиус влияния R и водопроводность водоносного пласта определяются по формулам:

Для условий безнапорного потока следует принимать (рис.2.22), откуда при замене Решая (2.81) относительно Q и Sс, получаем формулы для их определения:

Рисунок 2.22 – Схема к расчету нужно определить ее коэффициенты.

работающей скважины Рисунок 2.23 – Зависимость S f (Q) нужно бы иметь побольше экспериментальных точек, однако это мало реально, так как дорого и хлопотно.

Можно применить линейную анаморфозу в виде м3/сут/м.

Итак, если причиной нелинейности кривой дебита является именно зависимость проводимости от понижения в безнапорных потоках, то в координатах должен получаться линейный график (рис.2.24).

Зависимость наблюдаемый при учебных откачках вынос тонкой q f (Sc ) карбонатной взвеси в откачиваемой воде.

последствий при чрезмерно высоких скоростях входа воды в ствол скважин служит основанием для ограничения допустимой нагрузки на одну скважину, которая специально обосновывается с учетом строения водовмещающих отложений.

При значимом проявлении турбулентных составляющих потерь напора используется двучленная зависимость Дюпюи:

Рисунок 2.25 – Зависимость до Qзаявл и получить э.

или кольматация фильтра глинистыми частицами, выносимыми из заполнителя трещин и т.д.) - совершенно непрогнозируемый параметр ;

- изменение характера действия границ при разных дебитах - например, 1) ограниченный расход реки, заметно перехватываемый при ОЭО, 2) возникновение отрыва уровней от реки при большом дебите;

- неоднородность пласта по вертикали.

Общие замечания по гидравлическому методу (в стационарной постановке ОЭО): в принципе сильный инструмент, так как S f (Q) определяется экспериментально, для контрастных условий. Но есть и явно уязвимые места:

- далеко не всегда ясны причины возникновения того или иного характера кривых дебита, так как "по определению" месторождение имеет сложные условия; отсюда риск экстраполяции;

- кроме того, этот метод чрезвычайно консервативен - подсчет запасов возможен только для конкретных опробованных скважин, так как является индивидуальной характеристикой скважины.

Нестационарный режим ОЭО – это комбинированный метод, т.е.

гидравлический с элементами гидродинамического подхода 3,8,10.

Если "питающие" гидрогеодинамические границы в области месторождения обладают большим сопротивлением (далеко расположены или слишком несовершенны), то ОЭО придется завершить при нестационарном режиме.

Удельная срезка при нестационарном режиме ОЭО постепенно возрастает.

Понятно, что при длительной эксплуатации срезка вырастет еще больше мы вынуждены считать, что нестационар будет сохраняться на весь период эксплуатации, так как опытным путем не подтверждается возможность стабилизации. Поэтому расчеты водозабора нужно выполнять для некоторого неизвестного прогнозного значения удельной срезки :

Для определения нужно два условия:

- за время ОЭО должен установиться некоторый устойчивый, закономерный темп снижения уровня во времени;

- фактически может повести себя уровень при эксплуатации:

а) может в действительности сохраняться сложившийся темп;

б) может постепенно замедляться и даже стабилизироваться за счет проявления удаленных питающих границ;

в) может возрастать за счет проявления далеких слабопроницаемых границ или балансовой ограниченности питающих границ. Это крайне неприятный случай.

снижения отвечает некоторой "обобщенной" проводимости в области депрессии.

Основная проблема, которой следует уделить должное внимание доказательство аналогии (общие гидрогеологические условия, распределение и величины параметров, тип граничных условий и т.д.). Далее используется принцип пропорциональности:

1. Если, например, на аналоге работает ряд скважин длиной с суммарным дебитом, то на перспективном участке можно получить (при проектируемой длине ряда ):

где - линейный модуль эксплуатационных запасов, т.е. удельный (с единицы длины ряда) расход водоотбора:

2. Если использовать какую-то характерную площадь (например, площадь воронки, площадь локальной гидрогеологической структуры и т.п.):

где - площадный модуль эксплуатационных запасов:

где F aH - площадь воронки или других локальных гидрогеологических структур, м2.

В качестве аналога может быть использовано и ранее детально разведанное, но не освоенное месторождение. Если аналогия неполная, то можно ввести корректирующие коэффициенты, например, корректура по различиям в проводимости (Т0, ТаН):

3. ОСВОЕНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

3.1. Прогнозирование качества подземных вод при эксплуатации К эксплуатационным запасам могут быть отнесены только те количества подземных вод, для которых доказано (на основе разведочных данных и прогнозных расчетов) сохранение показателей качества в течение расчетного срока в пределах нормативных ограничений для воды хозяйственнопитьевого назначения 2,3,10,15.

Качество воды, извлекаемой водозабором, контролируется эксплуатирующей организацией, а при подаче ее в водоразборную сеть местными органами санитарно-эпидемиологического надзора (СЭН).

Контроль кондиционности воды осуществляется по трем группам показателей:

- органолептические свойства (непосредственно воздействующие на органы чувств человека);

- химический состав (общая минерализация, отдельные макро- и микрокомпоненты, различные соединения и т.д.);

- бактериальная зараженность.

В ряде регионов, в силу объективных природных условий, используемые для водоснабжения подземные воды уже в исходном состоянии имеют отклонения по содержанию железа, марганца, фтора, стронция, бария, бора и др. В таких случаях уже при утверждении величины эксплуатационных запасов предусматривается выполнение специальных мероприятий по водоподготовке на весь период эксплуатации водозаборного сооружения.

Гораздо более серьезной проблемой, требующей прогнозного решения, является возможность изменения исходных показателей качества воды при эксплуатации водозабора в течение расчетного срока. Факторы, обусловливающие возможность изменения качества во времени:

- естественные - природная неоднородность химического состава подземных вод, что создает возможность постепенного подтягивания некондиционных вод из удаленных частей области влияния водозабора (в том числе, из поверхностных водоисточников);

- искусственные, к которым относятся техногенные загрязнения самого разного происхождения.

3.2. Освоение месторождений подземных вод Итак, пройдены все стадии поисков месторождения и его разведки, завершившиеся подсчетом эксплуатационных запасов, т.е. обосновано место расположения, необходимое количество и рациональная конструкция водозахватных устройств, дан прогноз качества воды, так или иначе согласованы вопросы влияния водозабора на окружающую среду. Отчет о поисково-разведочных работах экспертируется и защищается в Государственной или территориальной комиссии по запасам полезных ископаемых 2,16.

Для целей водохозяйственного учета и оценки перспектив дальнейшего изучения, общая сумма утверждаемых эксплуатационных запасов разбивается на несколько категорий по степени изученности: А - освоенные, В - разведанные, С1 - предварительно оцененные, С2 - выявленные, Р прогнозные ресурсы 2,17,18,19.

Целесообразная степень изученности месторождений подземных вод определяется степенью сложности гидрогеологических, водохозяйственных, геоэкологических и горно-геологических условий. В настоящее время предлагается использовать три градации группировки месторождений: с простыми, сложными и весьма сложными условиями.

Мы не рассматриваем принципы категоризации эксплуатационные запасы и группировки месторождений, поскольку они не имеют какого-либо содержательного гидрогеологического смысла. Специалист, работающий в области поисков и разведки подземных вод, должен владеть соответствующими методическими и нормативными документами на момент производства работ и руководствоваться ими.

После утверждения эксплуатационные запасы выполняется проектирование и строительство водозабора; затем эксплуатирующая организация, получив лицензию, начинает эксплуатацию (промышленное освоение) месторождения.

Период эксплуатации месторождения в методическом смысле должен рассматриваться как очередная стадия его разведки ("эксплуатационная разведка"), основной целью которой является контроль оправдываемости прогнозных расчетов. С этой целью на действующем водозаборе создается система объектного мониторинга, данные которого передаются по территориальной принадлежности в общую систему Государственного мониторинга состояния недр. Основное содержание гидрогеологических наблюдений на стадии освоения месторождения: пространственновременной контроль развития депрессии напоров, изменения качества извлекаемой воды и состояния окружающей среды.

Постепенное накопление информации за многолетний период дает возможность корректировки первичных (разведочных) прогнозов.

Необходимость в этом реально возникает по таким причинам:

- опасность "недобора" реальной производительности по сравнению с расчетной (заявленной) потребностью (отчетливо выраженная тенденция к перепонижению уровней, критическое ухудшение качества воды). В таких ситуациях необходима разработка рекомендаций по перераспределению нагрузки между скважинами или изменению схемы водозабора, защитным мероприятиям по сохранению качества и т.д.);

- появление дополнительной потребности в воде: в этих случаях необходима оценка возможности увеличения производительности уже действующих скважин, рекомендации по расширению водозабора на фланговых участках, возможно - разработка мероприятий по искусственному пополнению запасов подземных вод;

- изменение водохозяйственной обстановки: гидротехническое строительство, орошение и мелиорация сельскохозяйственных земель, изменение районных схем водопользования (например, ликвидация старых водозаборов и т.д.).

Если эти причины оказываются существенными, то производится переоценка эксплуатационных запасов на основе уточнения первичной (разведочной) фильтрационной схемы. При этом в том или ином объеме может быть предпринята доразведка месторождения (обычно на фланговых участках), однако, наиболее добротный и надежный материал может быть получен по данным длительных наблюдений за эксплуатацией водозабора.

Ведь эксплуатационный водоотбор - это, по сути, мощный опыт, причем такой длительности и интенсивности, которых в принципе невозможно достичь при разведке. Особенно важно, что при таких масштабах возмущения достаточно отчетливо проявляются замедленные во времени процессы, а также ощущается влияние удаленных границ и зон параметрической неоднородности.

Следует особо подчеркнуть, что эффективная и надежная интерпретация этих уникальных данных возможна только при рациональной и ответственной организации объектного мониторинга на всем периоде освоения месторождения, что выполняется крайне редко. С позиций гидрогеолога нужно помнить, что все расчеты параметров и эпигнозный анализ производятся с использованием величин понижений (изменений) уровней, поэтому абсолютно необходимо, чтобы наблюдательная сеть была создана и оборудована до начала эксплуатации, чтобы на ней можно было максимально долго отследить естественный (ненарушенный) фон уровней и расходов.

Желательно осуществление наблюдений как за гидрогеодинамическими элементами потока, так и за доступными балансовыми механизмами.

Обычные объекты наблюдений (мониторинга):

На всех эксплуатационных скважинах должны замеряться дебит и динамические уровни; фиксируются кратковременные технологические и аварийные остановки и, естественно, длительные остановки для капитального ремонта скважин или насосного оборудования. Периодически производится гидрогеохимическое, бактериологическое опробование и т.д.

Система наблюдательных скважин: их количество и схема расположения диктуются типом месторождения и масштабом водозабора; на них наблюдаются динамические уровни, выборочно - физические свойства и химический состав воды.

Частота наблюдений дифференцируется в зависимости от сезона года и удаленности от водозабора. Наиболее часто наблюдаются ближайшие наблюдательные скважины; на периферии воронки достаточна частота 3- раз/месяц. Плотность наблюдений возрастает в "активные" сезоны года (разные в климатических зонах).

Особо следует подчеркнуть, что должны быть и "фоновые" скважины (и/или другие объекты) за пределами депрессионной воронки, по которым отслеживается внешний фон за счет естественных и техногенных процессов при эпигнозном анализе его нужно вычитать, чтобы получить собственно влияние водоотбора.

Естественные водопроявления - лучше всего, сосредоточенные родники, дренирующие основной (эксплуатируемый) или смежные горизонты.

Родники каптируются капитальными лотками; дебит их измеряется гидрометрическим способом или водосливными рамками.

Гидрометрические посты - организуются на поверхностных водотоках в зоне влияния водозабора - желательно на "входе" и "выходе" реки из площади депрессионной воронки плюс створ напротив или несколько ниже водозабора. При наличии притоков следует иметь вспомогательные створы на их устьях, чтобы можно было замкнуть русловой баланс основной реки.

Частота наблюдений определяется, исходя из типичного гидрологического режима местных рек.

К сожалению, рассмотренная схема наблюдений крайне редко соблюдается на реальных действующих водозаборах, что целиком лежит на совести исполнителей от эксплуатирующих организаций. В отличие от всех других опытных данных, режимную информацию невозможно восстановить и тем более получить заново - время, увы, необратимо. Непонимание этой простой истины и элементарная недобросовестность приводят практически к полной потере качества данных мониторинга и невозможности выполнения сколько-нибудь достоверного эпигнозного анализа опыта эксплуатации для большинства водозаборов.

Особая форма обобщения данных мониторинга эксплуатационного водоотбора - создание региональных постоянно-действующих моделей. Они полезны для районов массированного водоотбора или для самых крупных месторождений, имеющих значительные области формирования дебита и, следовательно, гидродинамического влияния. Это региональные модели (в основе своей гидрогеодинамические), информационная база которых обновляется практически в режиме реального времени (в этом смысле следует понимать термин "постоянно-действующие"). Они учитывают:

климатические, ландшафтные, геологические, гидрогеологические, гидрологические условия контролируемой территории, водохозяйственный режим (гидротехнические сооружения, водозаборы, дренажи, сбросы, потери, аварийные ситуации и т.д.).

Основное преимущество этих достаточно сложных в создании и поддержании систем: возможность оперативной прогнозной оценки любой возникшей или проектируемой ситуации - с точки зрения общего водного баланса и воздействия на подземные воды.

3.3. Искусственное пополнение эксплуатационных запасов подземных вод Вынужденная мера, если эксплуатационный водоотбор не обеспечивается естественными источниками формирования ЭЗ, т.е. в процессе эксплуатации происходит перепонижение уровней в водозаборных скважинах. Возможны два варианта:

1) расширить действующий водозабор на флангах, однако, это далеко не всегда можно сделать (дорогая земля, сложность организации зоны санитарной охраны, взаимодействие с соседними водозаборами и т.п.);

2) применить искусственное пополнение запасов (ИПЗ),2,10,11.

Однако, ИПЗ может применяться и на вполне "благополучных" водозаборах с целью повышения их производительности для покрытия возрастающей потребности.

В тех или иных формах ИПЗ применяется еще с середины XIX века. В России ИПЗ применяется с конца XIX века (водозаборы г.г. Арзамаса, Винницы, Симферополя). В настоящее время во многих странах с дефицитом подземных вод с помощью систем ИПЗ обеспечивается до 25-50% общего хозяйственно-питьевого водопотребления (США - 30%, ФРГ, Нидерланды, Швеция...).

Специфические проблемы при осуществлении ИПЗ:

- техника сооружения и технология эксплуатации специальных устройств для пополнения;

- источник и качество "сырой" воды.

Наиболее сложным всегда является вопрос об источнике "сырой" воды.

Основные требования к нему: достаточное количество и удовлетворительное качество - существуют нормативные требования к качеству воды, подаваемой на пополнение. Из физических показателей наиболее важный мутность. Химические ограничения могут быть разнообразными в зависимости от состава пород зоны аэрации и водовмещающей толщи, состава пластовой воды, климатических особенностей региона. ИПЗ сопровождается рядом физических, физико-химических и биологических процессов - механическое осаждение взвешенных частиц, физическая и химическая сорбция, ионный обмен, коагуляция, микробиологические процессы и др.

Обычно для ИПЗ используют поверхностные воды, реже дренажные воды, очищенные стоки, воды смежных горизонтов.

Методы предварительной водоподготовки:

- отстаивание (снижение мутности);

- предварительные фильтры (часто в комплексе с коагулянтами);

- микрофильтрация (задержка механической взвеси, планктона);

- аэрация (насыщение кислородом с уничтожением анаэробных бактерий и разложением органических соединений);

- хлорирование (обеззараживание и окисление органических соединений).

Балансово-гидродинамические особенности ИПЗ Искусственно подаваемое в водоносный горизонт количество воды может входить в балансовую структуру ЭЗ как искусственные запасы или как искусственные ресурсы.

Создание искусственных запасов (применяется также термин "магазинирование") производится один или несколько раз в году путем единовременного затопления больших площадей вблизи водозаборного сооружения (естественные понижения, специально обвалованные участки пойм, террас...); обычно предварительно производится зачистка слабопроницаемого почвенно-растительного слоя. Полное насыщение пород Рисунок 3.1. Пополнение насыщения;

эксплуатационных запасов за счет К – коэффициент фильтрации пород, создания искусственных запасов (магазинирование) Н - изменение напора при искусственном насыщении пород, м:

где Н 0, Н К - изменение напора в инфильтрационном бассейне и насыщенных породах в зоне аэрации:

При коэффициенте фильтрации пород в зоне аэрации K = 1 м/сут (глинистый песок), недостатке насыщения п = 0.1, z 10 м, Н 0.5 - 1 м для полного насыщения зоны аэрации потребуется менее 1 суток.

Этот механизм ИПЗ достаточно прост в осуществлении, но и эффективность его не очень высока. Балансовое уравнение водоотбора в таких условиях приобретает общий вид:

где Ve - изменение емкостных запасов за период эксплуатации t, м3;

- объем воды, поступивший в пласт из инфильтрационных сооружений, м3;

- период времени между циклами магазинирования, сут;

QП, QР - изменение притока и расхода в водоносном горизонте, м3/сут В подавляющем большинстве случаев источником "сырой" воды в этой схеме служат поверхностные воды ближайших водотоков в периоды половодья; реже - снеготалые воды.

Более широко применяются приемы создания искусственных ресурсов, т.е. некоторого расхода, непрерывно поступающего в эксплуатируемый водоносный горизонт из специальных инфильтрационных сооружений капитального типа. Уравнение баланса имеет вид:

где QИ - приток воды в эксплуатируемый водоносный горизонт из инфильтрационных сооружений (искусственный ресурс), м3/сут.

В принципе возможно стационарное балансово-гидродинамическое состояние.

Технологически подача "сырой" воды в пласт возможна нагнетанием (наливом) через скважины или путем инфильтрации из специальных бассейнов.

Через нагнетательные скважины - дорого и технически сложно: большой проблемой является кольматация фильтров скважин даже при небольшой мутности "сырой" воды (допустимые значения 1-2 мг/л), выделение воздуха из "сырой" воды и возникновение в пласте воздушных пробок вокруг скважин. Поэтому ИПЗ через скважины применяется редко, только при отсутствии альтернативы - в скальных водоносных горизонтах или при большой мощности и низкой проницаемости пород в зоне аэрации.

Наиболее распространенная технология - инфильтрационные бассейны прямоугольной формы: 200-400 м на 20-50 м; площадь дна 5 - 10 тыс. кв.м;

глубина 2 - 3 м (рис.3.2). В бассейне поддерживается постоянный уровень;

для этого через систему затворов подается такой расход "сырой" воды, чтобы компенсировать расход инфильтрации через дно бассейна. Зная подаваемый объем воды за время можно рассчитать интенсивность инфильтрации из бассейна:

Рисунок 3.2 В зависимости от состава пород в зоне аэрации Принципиальная схема системы искусственного величина инфильтрации может составлять 0.2 - пополнения с помощью м/сут, т.е. при площади дна бассейна 5 тыс. кв.м инфильтрационных Основная проблема эксплуатации инфильтрационных бассейнов неизбежная кольматация отложений в дне бассейна, несмотря на специальную водоподготовку (снижение мутности до 5-20 мг/л). Выделяют три механизма кольматации:

- механическая - образование поверхностного наилка на дне бассейна и задержка взвешенных частиц в порах придонного слоя (0.1 - 0.5 м) отложений зоны аэрации;

- физико-химическая - за счет выпадения осадка в виде карбонатов и сульфатов кальция, гидроокислов железа и марганца и др.;

- биологическая - за счет деятельности бактерий, развития планктона (сине-зеленых водорослей).

Рисунок 3.3 - Изменение скорости инфильтрации из бассейнов во закольматированных донных отложений На период чистки в работу запускается резервный бассейн.

С целью более длительного сохранения фильтрующей способности донных отложений, производится высадка в бассейнах водной растительности (камыш, рагоз и др.). При этом дополнительно улучшается очистка воды, так, например, камыш не только разрыхляет грунт дна, повышая его фильтрационные свойства, но и поглощает фенолы, хлор и др.

Всвязи с существованием слабопроницаемой пленки инфильтрация из бассейнов, почти всегда имеет характер "дождевания" (аналогично фильтрации из несовершенной реки при отрыве уровня от подошвы экрана).

Поэтому в расчетных схемах инфильтрационные бассейны следует рассматривать как граничные элементы с условием 2-го рода (заданный расход инфильтрации с реальной динамикой во времени, либо в осредненных по времени величинах).

Интересный и практически важный вопрос - оценка эффективности ИПЗ, которую логично оценивать с помощью специального коэффициента:

где - соответственно дебит водозабора без пополнения и при наличии пополнения, м3/сут;

- расход воды, поступающий из бассейнов в пласт, м3/сут.

Характерная схема водозаборного сооружения - линейный ряд скважин вдоль реки с параллельной системой инфильтрационных бассейнов. Если рассматривать линейную структуру потока (по ленте тока шириной 1 м), то коэффициент эффективности ИПЗ определяется по формуле:

q И - погонный расход инфильтрации из бассейнов, м /сут/м:

Рисунок 3.4 – Схема водозабора Можно уверенно считать, что при изменится, так как область питания находится достаточно далеко и относительно небольшое повышение уровней не повлияет на величину инфильтрационного питания. Величина привлечения из реки тоже не изменится ( ), так как сохраняются отметки Hг и Hс (Hл). Поэтому при наличии ИПЗ:

Рисунок 3.5 – Схема водозабора (Вариант 2) значения в этих условиях, сделаем некоторые преобразования.

Во-первых, на разрезе видно, что.

Во-вторых, запишем выражения для всех расходов по формулам для линейной структуры потока (при этом используем схему с независимой проводимостью, хотя реально это, скорее всего, не так; однако, для студентов не должно составить затруднения переписать нижеследующие построения для схемы однородного по вертикали потока).

Для несовершенных рек в величины следует добавить эквивалентную длину.

Вывод из рассмотренных вариантов очевиден: при проектировании систем ИПЗ следует стремиться расположить инфильтрационные сооружения так, чтобы их действие (сопровождающееся подъемом уровней под ними) минимально отражалось на уже сложившихся, действующих естественных источниках балансового обеспечения водоотбора.

4. ТИПИЗАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД