Поиски и разведка подземных вод

Становление учебной дисциплины "Поиски и разведка подземных вод" связано с именем крупнейшего советского гидрогеолога Г.Н.Каменского, преподававшего в Московском геолого-разведочном институте и опубликовавшего первый учебник с таким названием в 1947 г. В те времена (40-е - 60-е годы прошлого века) содержание этого курса трактовалось весьма широко, охватывая методику практически всех видов прикладных гидрогеологических работ - не только изыскание источников водоснабжения, но и исследования в области гидротехнического строительства, рудничной и мелиоративной гидрогеологии, нефтедобычи и др. Поэтому в большинстве ВУЗов для подобного курса чаще использовались названия "Специальная гидрогеология" или "Методика гидрогеологических исследований", причем последнее наименование успешно сохраняется до нынешнего времени.
На кафедре гидрогеологии Московского университета до начала 70-х годов существовал курс "Специальная гидрогеология", который читал профессор Б.И.Куделин. Позже из него был выделен курс "Поиски и разведка подземных вод", создателем которого был профессор Н.И.Плотников, читавший его на протяжении почти 20 лет. Важно подчеркнуть, что в этот курс были вынесены только вопросы методики гидрогеологических исследований в связи с изысканием подземных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения; остальные прикладные гидрогеологические проблемы, а также методика разведки специфических видов подземных вод (лечебные минеральные, промышленные и т.д.) рассматриваются в других специализированных учебных курсах кафедры.
Курс "Поиски и разведка подземных вод" преподается на заключительной стадии обучения студентов-гидрогеологов; по действующему учебному плану он читается в 9 семестре, т.е. на второй ступени обучения, после завершения бакалаврского образования. Объем курса (аудиторный) 112 часов, из которых более половины занимает практикум, принципы проведения и содержание которого рассматриваются ниже.
Предлагаемый материал по жанру ближе всего к конспекту лекций по курсу "Поиски и разведка подземных вод", который автор читает на кафедре гидрогеологии МГУ уже более 20 лет. Он, несомненно, недостаточен для полного, глубокого освоения этого обширного раздела прикладной гидрогеологии. Многие позиции в нем лишь обозначены; предполагается, что параллельно студент обращается к рекомендуемой научной и методической литературе (и не только к ней) и привлекает знания, ранее полученные при изучении курсов "Гидрогеология", "Гидрогеодинамика", "Гидрогеохимия", "Региональная гидрогеология", "Геогидрология", "Инженерные сооружения" и многих других, составляющих основу специального образования гидрогеолога.
Структура представления материала - относительно свободная, без конкретной расчасовки по лекциям, поскольку рабочий план чтения лекций и выполнения практикума претерпевает обычно значительные модификации в зависимости от положения в учебном плане специальности, лимита учебного времени и т.д.
Учитывая жанр материала, в нем принципиально не приводятся ссылки на многочисленные источники заимствования. При полнейшем и огромном уважении автора к основоположникам теоретической гидрогеологии и ко всем "действующим" коллегам в конспекте приводятся лишь те фамилии, которые вошли в устоявшиеся общепринятые термины, т.е. по сути стали уже нарицательными - например, "схема Мятиева-Гиринского" и т.п.
Рекомендуемая для освоения материала литература (деление на основную и дополнительную, формально требующееся в программах учебных курсов, конечно же, весьма условно):

Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод. Изд.2-е. Киев, Выща школа, 1989
Бочевер Ф.М., Лапшин Н.Н., Орадовская А.Е. Защита подземных вод от загрязнения. М., Недра, 1979
Плотников Н.И. Поиски и разведка подземных вод. М., Недра, 1985
Штенгелов Р.С. Формирование и оценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод. М., Недра, 1988
Штенгелов Р.С. Поиски и разведка подземных вод. Конспект лекций. Неофициальный сервер геологического факультета МГУ \ Гидрогеология - http://students.web.ru

Арцев А.И. и др. Проектирование водозаборов подземных вод. М., Стройиздат, 1976
Белицкий А.С., Дубровский В.В. Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения. М., Недра, 1974
Биндеман Н.Н., Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. Изд. 2-е. М., Недра, 1970
Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. Изд. 2-е. М., Недра, 1979
Боревский Б.В., Язвин Л.С. Стратегия развития ресурсной базы питьевых подземных вод на территории России в XXI веке. "Разведка и охрана недр", 2003, N 10
Бочевер Ф.М. Теория и практические методы гидрогеологических расчетов эксплуатационных запасов подземных вод. М., Недра, 1968
Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ. Под ред.Р.С.Штенгелова. М., Изд-во Моск. ун-та, 1994
Гидрометрическая оценка взаимодействия речных и подземных вод (методические рекомендации). Л., ГГИ, 1973
Справочник гидрогеолога. Т.1,2. М., Недра, 1979
Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологических, мерзлотных и инженерно-геофизических исследований. Под ред. В.А.Королева, Г.И.Гордеевой, С.О.Гриневского, В.А.Богословского. М., Изд-во Моск. ун-та, 2000
Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. Изд. 3-е. М., Изд-во Моск. ун-та, 1995

Принципиальный смысл и формальный механизм его применения - раздельная оценка всех потенциальных составляющих баланса водоотбора: в первую очередь, естественных запасов и естественных ресурсов, а при наличии общих гидрогеологических предпосылок - и привлекаемых ресурсов. Они оцениваются в целом для месторождения (или другой расчетной площади), без определения той водозаборной системы, с помощью которой они могут быть извлечены. Таким образом, по сути это - "потенциальные" ЭЗ; система их отбора должна рассчитываться особо, какими-либо другими способами, которые мы рассмотрим позже.
Возникает вопрос - а для чего же нужен такой "неполноценный" метод?

- Во-первых, он вполне успешно может быть применен для региональных оценок ЭЗ,
- Во-вторых, он очень продуктивен на ранних стадиях работ на месторождениях (поиски и оценка) для предварительной общей оценки потенциальных эксплуатационных возможностей, т.к. позволяет сравнить их с заявленной потребностью и решить, не нужно ли искать дополнительные площади.
- Наконец, следует добавить, что во всех случаях балансовый контроль, балансовое "сопровождение" любых гидрогеологических расчетов при оценке ЭЗ чрезвычайно полезны и даже необходимы во избежание формальных ошибок и грубых промахов.

Вспомним, что это объем воды, содержащейся в эксплуатируемом пласте в некоторой расчетной области (площадью

). Рассмотрим в общем случае межпластовый водоносный горизонт, обладающий избыточным напором над кровлей

(рис. 2.1).

Очевидно, что полное количество УПРУГИХ запасов можно получить при полной сработке избыточного напора до кровли пласта по всей расчетной площади:

При дальнейшем полном осушении пласта можно дополнительно получить ЕМКОСТНЫЕ запасы в количестве:

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):

Более точно: принять какое-то среднее понижение уровня в пределах воронки; тогда

где

- радиус воронки. Приближенно можно доказать, что при понижении в скважине

и ее радиусе

среднее понижение на площади депрессионной воронки составляет:

Поскольку обычно

×10^2-3 м,

×10^-1 м, то

≈ 3 - 4, откуда

Таким образом, 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,

= (0.5 ÷ 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;
- задаться значениями

Из этих величин параметром является водоотдача; оценивается обычно трудно и ненадежно:

- лабораторные методы: точечные определения, невысокая 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.

Напомнить: в курсе "Гидрогеодинамика" рассматривались вопросы оценки гидрогеодинамических параметров (включая водоотдачу) по данным опытно-фильтрационных (режимных) наблюдений с использованием классической методики Г.Н.Каменского - решение конечно-разностного уравнения фильтрации.

ПЕРИОД для расчета - "независимый спад", т.е. пoлное отсутствие питания (истощение горизонта)
СТВОР из 3-х скважин по линии тока (при квазилинейной структуре потока - рис. 2.2) или "конверт" из 5-и скважин, если поток существенно плановый
БАЛАНС РАСЧЕТНОГО БЛОКА 2
Приток:

- расход из блока 1 (

)
- уменьшение количества воды в блоке на величину

за время

(в связи со спадом уровня от

до

)

Пока будем говорить об одной разведочно-эксплуатационной скважине. По данным стабилизировавшейся опытно-эксплуатационной откачки имеем уже неизменную удельную срезку:

Казалось бы, 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 (хотя и необязательно). В каких условиях этого можно ожидать?
- если от дебита (т.е. и от понижения) не зависят параметры элементов водоносной системы и характер действия граничных условий. Например, при стационарном режиме откачки на Звенигородской практике:

Видно, что при "устойчивых"

величина

не должна меняться при любых дебитах. Но ведь при увеличении дебита воронка углубляется и расширяется - следовательно, в нее попадут новые элементы опробуемой водоносной системы, которые окажут свое влияние на характер связи понижения и дебита (например, зоны с существенно отличными параметрами проводимости или перетекания).

Поэтому ОЭО проводится в несколько "ступеней", т.е. при нескольких значениях дебита; затем строится ИНДИКАТОРНАЯ КРИВАЯ или " КРИВАЯ ДЕБИТА " - график в координатах

.
Если удельная срезка

действительно =

, то связь

линейная, график является ПРЯМОЙ линией (рис. 5.1).

Сколько нужно "ступеней" для подтверждения линейности связи

? Строго говоря, достаточно двух, т.к. формально существует точка

= 0 при

= 0. На практике все же предпочитают провести три ступени.

Однако, в реальных условиях связь

часто НЕЛИНЕЙНА,причем обычно

возрастает с ростом

(кривая имеет выпуклость вверх). Генетические причины нелинейности кривой дебита разнообразны.
БЕЗНАПОРНЫЕ ПОТОКИ: проводимость зависит от мощности (глубины) потока

. Поэтому, чем больше дебит опробования, тем больше понижение - тем меньше

и, следовательно, тем меньше проводимость

. Для таких условий возможно аналитическое описание формы кривой дебита. Общий вид связи

для стационарных радиальных потоков:

где

- радиальная координата точки наблюдения,

- "радиус питания" (при

).
Соответственно понижение в работающей скважине

.
Аналитический вид выражения для

зависит от конкретной расчетной схемы - например, при работе скважины на расстоянии

от уреза несовершенной реки (с параметром сопротивления ложа

)

.
Для условий безнапорного потока следует принимать

(рис.5.2), откуда

.
Так как

то

Отсюда: Q =

S _с -

S _с² =

S _с -

S _с². Это уравнение параболы в координатах

(рис. 5.3).

Для использования такой кривой в целях прогноза (определение ожидаемого

при расчетном эксплуатационном дебите

) нужно ее экстраполировать, следовательно, нужно определить ее КОЭФФИЦИЕНТЫ. Это можно сделать путем обычного регрессионного анализа, но для этого нужно бы иметь побольше экспериментальных точек - мало реально, так как дорого и хлопотно.
Можно применить линейную анаморфозу в виде

.
Что такое

? Это удельный дебит

(величина, обратная удельной срезке).
Итак, если причиной нелинейности кривой дебита является именно зависимость проводимости от понижения в безнапорных потоках, то в координатах

должен получаться линейный график (рис.5.4). Это важнейший диагностический признак!
Сколько нужно ступеней дебита, чтобы подтвердить линейность этого графика? Три, так как есть неизвестный свободный член.
Проведя минимум три ступени откачки с разными дебитами, получаем возможность определить прямо с графика коэффициенты прямой

. После этого для прогноза понижения при заявленном дебите решаем квадратное уравнение:

относительно

и сравниваем его с допустимым.

Другая распространенная причина нелинейности индикаторного графика - возникновение явлений ТУРБУЛЕНТНОСТИ в прискважинной зоне; при этом возникают дополнительные потери напора, величина которых зависит от дебита.
Пример, показывающий высокую действительную скорость при входе подземных вод в ствол скважины - учебная откачка на Звенигородском полигоне:

- Дебит Q = 40 л/с ≈ 3500 куб.м/сут
- Радиус фильтрового интервала r _ф = 0.15 м
- Длина рабочей части фильтра l _ф ≈ 15 м
- Площадь боковой поверхности рабочей части фильтрового интервала F _ф = 2p r _ф l _ф ≈ 14 кв.м
- Скорость фильтрации на боковой поверхности фильтрового интервала v _ф = Q / F _ф = 3500 / 14 ≈ 250 м/сут
- Действительная скорость (при активной трещиноватости порядка n _акт ≈ 3-5%):
u _ф = v _ф/ n _акт ≈ 5000-8300 м/сут ≈ 6-10 см/сек!

Это огромная скорость для подземных вод. Прямым следствием является постоянно наблюдаемый при учебных откачках вынос тонкой карбонатной взвеси в откачиваемой воде; расчетный радиус центральной скважины уже сейчас превышает фактический радиус бурения. На другом учебном кусте несколько лет назад вышла из строя центральная скважина в связи с осадкой технической обсадной колонны; расчетный радиус этой скважины по последним оценкам составлял около 5 м (!), что свидетельствует о значительном суффозионном выносе и, возможно, расширении трещин и карстовых каверн в прискважинной зоне.
Возможность подобного рода негативных 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:

т.е. подобный генезис криволинейности графика

должен подтверждаться линейным характером связи

(рис. 5.5).
Опять нужно минимум три ступени для доказательства линейности, так как есть неизвестный свободный член.
По графику находим коэффициенты a и b. Для прогноза понижений при заявленном дебите решается уравнение

либо можно экстраполировать прямую на графике до Q _заявли получить φ _э.

Есть еще целый ряд причин, заметно осложняющих форму кривых дебита:

- изменение сопротивления прискважинной зоны (размыв, разрушение стенок скважины или кольматация фильтра глинистыми частицами, выносимыми из заполнителя трещин и т.д.) - совершенно непрогнозируемая вещь!;
- 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....

К тому же, эти причины могут проявляться совместно, т.е. очень часто нельзя или трудно применить стандартные приемы интерпретации типа вышерассмотренных. Что делать?
Пробуют разные системы координат, чтобы найти линейную связь между

, затем как-то ее объясняют с генетических позиций и по ней экстраполируют понижения на величину

. Понятно, что такие формальные построения весьма уязвимы, поэтому рекомендуют ОЭО проводить при дебите, максимально близком к потребности, чтобы уменьшить риск экстраполяции по дебиту.

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ МЕТОДУ (в стационарной постановке ОЭО): в принципе сильный инструмент, так как

определяется экспериментально, по факту, а не по частям. 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!

А как быть, если будущий водозабор должен состоять из нескольких скважин?
Приходится проводить ОЭО из каждой скважины системы, чтобы получить n² удельных срезок:

(удельная срезка в i -ой скважине от действия j -ой)

Затем для каждой скважины рассчитывается ожидаемое понижение при эксплуатации с заявленным дебитом по принципу суперпозиции:

(если скважины равнодебитные, то

).
Затем проверяем соответствие рассчитанных и допустимых понижений по каждой скважине. Если где-то что-то не сошлось: в гидродинамическом методе легко изменить (в уме!) схему расстановки или количество скважин, а при гидравлическом? Нужно бурить реальные новые скважины, проводить в них ОЭО, снова считать, сравнивать.....

Комбинированный метод, гидравлический с элементами гидродинамического подхода.
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

Как определить

(

- прогнозная срезка;

- опытная срезка;

- приращение срезки за время

).
Для определения

нужно два условия:

А как 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!

Как технически выполняется прогноз? Стараются найти такую координату времени, чтобы график

имел линейный характер. Например, в однородных пластах существует линейная зависимость

(рис. 5.6). Такая же картина наблюдается и в хаотически-неоднородных пластах - установившийся темп снижения отвечает некоторой "обобщенной" проводимости в области депрессии.

Можно, например, доказать, что линейный характер снижения уровня в логарифмическом масштабе времени существует и в случае непроницаемой границы на расстоянии

от эксплуатационной скважины ("полуограниченный" пласт).

Использование приема зеркальных отражений должно быть известно студентам из курса "Гидрогеодинамика". В данной ситуации применяется зеркальное отражение скважины с тем же (по величине и знаку) дебитом относительно непроницаемого граничного контура, что обеспечивает сохранение на нем условия нулевого трансграничного расхода

(нулевой градиент напора по нормали к границе в силу симметрии реальной и отраженной депрессионных воронок). Понижение в реальной скважине рассчитывается по принципу сложений решений:

т.е. сохраняется линейная зависимость понижения от логарифма времени, но угловой коэффициент прямой в 2 раза больше (рис. 5.7).

Понятно, что в этом случае длительность ОЭО должна быть значительно больше, чем t ₀, чтобы достаточно хорошо проявился возросший темп снижения, отвечающий влиянию границы.

Другой пример: полосообразный пласт с непроницаемыми границами в плане - например, полоса аллювия в речной долине, вложенная в относительно слабопроницаемые коренные отложения. Аналитическое описание для такой схемы (при "среднем" положении водозабора в полосе (рис.5.8):

(студентам полезно самостоятельно выписать выражения для свободного члена и углового коэффициента в этой зависимости).

Еще пример: замкнутый пласт с непрoницаемой границей (условно "пласт- круг"). Аналитическое описание:

Линейная зависимость фиксируется в координате "чистого" времени (рис. 5.9):

Главный вывод из приведенных примеров: для успешной экстраполяции графика изменения удельной срезки во времени необходимо достаточно хорошо изучить гидрогеологические условия месторождения, чтобы ясно понимать, какие границы будут определять генеральный темп снижения.
Таким образом, рассмотрев возможности применения гидравлического метода (как в стационарной, так и в нестационарной постановке ОЭО) мы пришли к тому, с чего начинали - хотели закрыть глаза на сложные условия и изучить их "обобщенно", с помощью интегральной количественной характеристики

; однако, получается, что все равно нужно очень серьезно заниматься изучением (количественным!) неоднородности строения пласта в плане и по вертикали, границ с их параметрами и всех других элементов фильтрационной схемы, так как нужно ОТВЕТСТВЕННО идти на экстраполяцию: либо по дебитам (кривые

), либо по времени (графики

В заключение - еще одна модификация гидравлического метода: МЕТОД ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АНАЛОГИИ (подобия).
Смысл его - в переносе фактически наблюдаемых количественных характеристик на водозаборе-аналоге на изучаемый (перспективный) участок. Такой прием полезен для предварительной оценки эксплуатационных возможностей участка на ранних стадиях работ или для "не ответственных" объектов.
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

(напр., площадь воронки, площадь локальной гидрогеологической структуры и т.п.):

где

- площадной модуль эксплуатационных запасов.
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:

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: