ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ И ПОНЯТИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ОЦЕНКОЙ ЗАПАСОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

1.1. Виды запасов и ресурсов подземных вод и их взаимоотношения

Подземные воды в отличие от всех остальных полезных ископаемых (твердых, жидких и газообразных) имеют ряд особенностей, которые не позволяют оценивать перспективность их использования по величине запасов в обычном их понимании – как массы соответствующего вещества, заключенного в недрах. Главная особенность подземных вод по сравнению с другими полезными ископаемыми – это их подвижность. Являясь одним из звеньев круговорота в природе, подземные воды непрерывно возобновляются и расходуются. Поступление воды в водоносные горизонты происходит путем инфильтрации атмосферных осадков, поглощения поверхностных вод, перетекания из других горизонтов и т.д. Поступившая в водоносные горизонты вода расходуется на разгрузку в поверхностные водотоки и водоемы, испарение, родниковую разгрузку, перетекание в другие горизонты, искусственный водоотбор и т.п. В отличие от всех других полезных ископаемых, эксплуатация подземных вод во многих случаях является фактором, вызывающим не только расходование воды, но и ее дополнительное поступление, связанное с изменением условий водообмена в водоносных горизонтах. Так, эксплуатация подземных вод, приводящая к понижению их уровней, может вызвать возникновение или увеличение фильтрации воды из рек, уменьшение или полное прекращение разгрузки в реки, родниковой разгрузки или разгрузки испарения, возникновение или усиление перетекания воды из смежных водоносных горизонтов. Дополнительное питание подземных вод может быть вызвано и различными техническими и водохозяйственными мероприятиями (например, гидротехническое строительство, орошение, потери из водонесущих коммуникаций).

Перечисленные особенности подземных вод вызывают необходимость оценивать возможности их использования не только с помощью понятия "запасы", которое имеет размерность массы или объема, но и понятия "ресурсы", имеющего размерность расхода. "Запасы" и "ресурсы" подразделяются, кроме того, следующим образом: 1) естественные; 2)искусственные; 3) привлекаемые и 4) эксплуатационные.

Под естественными запасами понимается объем гравитационной воды, заключенной в порах и трещинах водовмещающих пород. В безнапорных водоносных горизонтах разделяют объем гравитационной воды, содержащейся в водовмещающих породах ниже зоны естественных колебаний уровня, и объем воды в зоне колебаний уровня, который называют регулировочными запасами. В напорных пластах к естественным запасам относятся также упругие запасы. Под последними понимается объем воды, который может быть извлечен из водоносных пластов при снижении уровня подземных вод за счет упругих свойств воды и горных пород.

Естественные ресурсы – это количество подземных вод, поступающих в водоносный горизонт в естественных условиях путем инфильтрации атмосферных осадков, фильтрации из рек, перетекания из выше и ниже расположенных водоносных горизонтов, притока со смежных территорий. Естественные ресурсы равны сумме всех приходных элементов баланса данного горизонта. Они выражаются в единицах расхода и могут быть определены также по сумме расходных элементов баланса (испарение, транспирация растительностью, родниковый сток, фильтрация в поверхностные водотоки и водоемы, перетекание в смежные горизонты и т.д.).

Искусственные запасы – это объем подземных вод в пласте, сформировавшийся в результате орошения, фильтрации из водохранилищ, искусственного пополнения подземных вод (магазинирования).

Искусственные ресурсы – это расход воды, поступающей в водоносный горизонт при фильтрации из каналов и водохранилищ, на орошаемых площадях, а также при проведении мероприятий по усилению питания подземных вод.

Привлекаемые ресурсы – это расход воды поступающей в водоносный пласт при усилении питания подземных вод, вызванного эксплуатацией водозаборных сооружений (возникновение или усиление фильтрации из рек, озер, перетекания из смежных (обычно выше расположенных) водоносных горизонтов, уменьшение испарения с поверхности грунтовых вод вследствие увеличения глубины её от поверхности земли, уменьшение или прекращение родниковой разгрузки.

Понятия "эксплуатационные запасы" и "эксплуатационные ресурсы" подземных вод являются, в сущности, синонимами. Это то"... количество подземных вод, которое может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям (потребителя) в течение всего расчетного срока водопотребления" [9]. Эта величина, таким образом, представляет собой производительность водозабора и выражается в единицах расхода, обычно в м³/сут. На практике термин "запасы" используется чаще из-за того, что результаты геолого-промышленной оценки месторождений подземных вод утверждаются в Государственной Комиссии по Запасам, которая утверждает не "ресурсы", а именно "запасы" полезных ископаемых.

Особое внимание в данном выше определении эксплуатационных запасов подземных вод следует обратить на их зависимость, наряду с гидрогеологическими условиями, от технико-экономических факторов и в частности, от вида водозабора, т.е. числа скважин, способа их расстановки, конструкции и т.д. При этом эксплуатационные запасы – это не вообще дебит какого-то водозабора, способного работать в данных условиях, а такого водозабора, который является "рациональным в технико-экономическом отношении" или, иначе говоря – оптимальным в рамках конкретных геолого-гидрогеологических условий и требований к качеству воды, ее стоимости, экологии и т.д.

Эксплуатационные запасы – это специфическая категория, свойственная лишь подземным водам; при решении проблем, связанных с использованием подземных вод, первостепенное значение имеет именно оценка их эксплуатационных запасов. Оценка всех остальных видов запасов и ресурсов подземных вод, а именно: естественных, искусственных и привлекаемых, имеет значение лишь постольку, поскольку они являются "источниками формирования" эксплуатационных запасов. В самом общем случае связь между эксплуатационными запасами и источниками их формирования выражается следующим балансовым соотношением [1, 2]:

(1)

где – эксплуатационные запасы (ресурсы), м³/сут; и – естественные и искусственные ресурсы, м³/сут; и – естественные и искусственные запасы, м³; Q_п – привлекаемые ресурсы, м³/сут; t – время, на которое рассчитываются эксплуатационные запасы; , , , – коэффициенты использования естественных ресурсов, естественных запасов, искусственных ресурсов, искусственных запасов.

Соотношения между различными видами запасов и ресурсов подземных вод иллюстрируются также рис. 1, изображающим классификацию эксплуатационных запасов подземных вод Ф.М. Бочевера [4].

На рис.2изображены некоторые случаи формирования привлекаемых запасов в условиях конкретных расчетных схем. Соответственно будет изменяться и общий вид уравнения (1).

А) б)

В) г)

Д) е)

Рис 2.Условия формирования привлекаемых запасов

– направление движения подземных вод:

– в естественных условиях;

– в условиях водоотбора.

а – рассредоточенное в слоистой толще;

б – инверсия испарения;

в – через «гидрогеологическое окно»;

г – инверсия источника;

д – питание из реки;

е – искусственное пополнение подземных вод.

1.2. Общие принципы и способы оценки эксплуатационных запасов подземных вод

Связь между эксплуатационными запасами и источниками их формирования выражает уравнение (1), однако для непосредственной оценки, за некоторыми исключениями, его использование невозможно. Причиной такого положения является то важное обстоятельство, что это уравнение не отражает многих важных факторов, которые влияют на величину эксплуатационных запасов. Прежде всего, это такие факторы, как число скважин водозабора, характер их размещения относительно границ пласта, производительность. В уравнении не учитываются также факторы, от которых зависят качество подземных вод, их защищенность от потенциальных загрязнителей и многие другие. Идею о невозможности использования уравнения (1) для практической оценки эксплуатационных запасов подземных вод можно сформулировать также и по-другому: не существует способов прямого и независимого определения численных значений коэффициентов a_i, без которых такой расчет не может быть выполнен. Можно лишь констатировать, что численные значения этих коэффициентов изменяются во времени и в зависимости от конкретных особенностей гидрогеологических условий могут заключаться в пределах от 0 до 1. К этому следует добавить, что не существует способа прямого и независимого определения важной составляющей эксплуатационных запасов - привлекаемых ресурсов Q_п.

На практике составляющие эксплуатационных запасов подземных вод (их гидрограф) количественно оценивают лишь после того, как эксплуатационные запасы будут определены тем или иным независимым способом. Гидрограф отражает структуру эксплуатационных запасов подземных вод во времени и способствует более полной и всесторонней их оценке.

Вопросы построения гидрографа эксплуатационных запасов подземных вод рассматриваются в разделе 6.4.

Значение уравнения (1) заключается также и в том, что оно позволяет оценивать прогнозные ресурсы подземных вод по результатам предварительных или детальных поисков подземных вод. При этом следует иметь в виду, что это возможно не всегда, а лишь когда месторождения подземных вод характеризуются достаточно четко выраженным балансом. Напомним, что в литературе указанный способ оценки эксплуатационных запасов подземных вод называется балансовым [1].

Собственно оценка эксплуатационных запасов на основании данных, получаемых при поисково-оценочных и разведочных работах, осуществляется путем гидродинамического расчета водозабора. Подробно и обстоятельно вопросы гидродинамического расчета водозабора (ГДРВ) рассмотрены в работе И.К. Гавич «Гидрогеодинамика» [5]. Под ГДРВ понимается исследование гидродинамического режима потока подземных вод, формирующегося при различных схемах водоотбора, и определение расчетных гидродинамических параметров водозабора при соблюдении заданных гидродинамических критериев. Расчетные гидродинамические параметры водозабора включают: число скважин n, схему их расположения и расстояния 2σ между скважинами, а также расчетную величину понижения уровня воды в эксплуатационных скважинах S_Р. Гидродинамическими критериями являются: предельно допустимые понижения уровня воды в скважинах S_доп и экологически допустимые понижения уровня в эталонных точках потока S_эк. S_эк определяется конкретным содержанием водоохраной, экологической задачи и представляет собой допустимое понижение уровня, предупреждающее, например, осушение пласта и возникновение негативных изменений в соседних водозаборах, осушение мелких рек и негативное изменение их водного баланса. Решение считается достигнутым, если в заданных точках соблюдаются условия:

;

i – номер расчетной точки исследуемой области.

Значения S_доп определяются гидрогеологами, S_эк – экологами.

Постановка гидродинамического расчета водозабора формулируется следующим образом.

Задано:

а) суммарный водоотбор (заявленная потребность) ;

б) наиболее вероятная схема гидрогеологической структуры потока подземных вод (в виде исходной расчетной схемы или нескольких наиболее вероятных ее вариантов);

в) расчетные значения гидрогеологических параметров (k, μ, m, k₀, m₀, T, , а и т.д.);

г) начальные и граничные условия на границах потока.

Требуется: обосновать гидродинамическую структуру потока, выбрать такое число n, водозаборных скважин и схему их расположения, которые обеспечивали бы получение заданного водоотбора Q_сум при соблюдении гидродинамических критериев (рассмотрены далее). Очевидно, что подобная постановка задачи отвечает понятию задачи оптимизации. Следует иметь в виду, что для выбора оптимального варианта водоотбора в постановку задачи необходимо дополнительно включать условия, определяющие формирование заданного гидрохимического режима потока подземных вод и получение наилучших технико-экономических показателей для эксплуатации водозабора и разработки месторождения подземных вод (МПВ) в целом. В сокращенной - гидродинамической постановке - задача оптимизации рассмотрена в работе [5, c.277-289].

Общая последовательность расчёта водозабора заключается в следующем:

1) Исходя из результатов изучения месторождения на соответствующей стадии (поисково-оценочных или разведочных работ) разрабатывают варианты расчетных схем потоков, обосновывают значения расчетных гидрогеологических параметров, вид граничных условий и критериев;

2) используя методы, изложенные в указанной выше работе [5], осуществляют поиск варианта водозабора, оптимального с гидродинамической точки зрения;

3) строят гидродинамическую сетку потока, создаваемого действием расчетного водозабора. С помощью сетки определяют размеры и форму зон санитарной охраны водозабора, время перемещения загрязнений, от их потенциальных источников, разрабатывают прогноз качества подземных вод в процессе их эксплуатации. Если прогноз качества воды оказывается неблагоприятным, вносят соответствующие изменения в постановку задачи (например, уменьшают задаваемый суммарный дебит), принимают иную исходную схему расположения скважин и повторяют решение задачи, начиная с п. 2;

4) осуществляют технико-экономическую оценку водозабора, т.е. расчет капитальных и эксплуатационных затрат, себестоимость добываемой воды, учитывая при этом расходы на транспортировку воды, её дополнительную обработку и т.п. Разумеется, эта часть задачи расчета водозабора выполняется специалистами-проектировщиками водозаборных сооружений с использованием так называемых типовых схем обустройства водозаборов. С другой стороны в последнее время появились методы комплексного расчета водозаборов - по всему комплексу показателей, включая технические и технологические. В качестве оптимального в этом случае, рассматривается вариант, имеющий наилучшие технико-экономические показатели эксплуатации. Очевидно, что такой подход осуществим лишь в условиях достаточной изученности месторождения, которая может быть достигнута на стадии разведочных работ или даже эксплуатации водозабора в процессе объектного мониторинга разработки МПВ;

5) подсчитанные эксплуатационные запасы – как дебит рационального в технико-экономическом отношении водозаборного сооружения оценивают с точки зрения их обеспеченности. Методы оценки обеспеченности запасов подземных вод различны и зависят от типа месторождения и условий их формирования. В заключение составляется гидрограф эксплуатационных запасов подземных вод, который отражает их структуру по источникам формирования.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 684; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!