Типизация месторождений подземных вод

Вполне естественно, что богатый отечественный опыт разведки МПВ (уже разведано несколько тысяч месторождений!) побудил специалистов к разработке их типизации - главным образом, с целью оптимальной унификации постановки поисковко-разведочных работ. Есть типизации регионального масштаба, есть и попытки типизации всеобъемлющего толка. Это чрезвычайно сложная (а потому - интересная) научная задача, не имеющая пока удовлетворительного решения. Тем не менее специалисту, работающему в области разведочной гидрогеологии, несомненно необходимо владеть всеми разработками в этом направлении, отвечающими текущему уровню научно-методической поддержки поисково-разведочных работ.

В методических и инструктивных документах в настоящее время используется типизация, предложенная Б.В.Боревским и Л.С.Язвиным. С ней студентам полезно ознакомиться по рекомендованной литературе, однако мы не будем ее рассматривать, т.к. она ориентирована на специалистов, имеющих богатый разведочный опыт и способных поэтому распознать "образ" месторождения по предлагаемым названиям типов и подтипов МПВ (своего рода "масонский знак"). С точки зрения обучения молодого специалиста эта типизация бесполезна, поскольку в названиях типов МПВ отсутствуют содержательные признаки, указывающие хотя бы на какую-то отличительную особенность условий формирования эксплуатационных запасов подземных вод.

Такой наиболее общей отличительной особенностью является, в первую очередь, определенная ПРИРОДНАЯ СОВОКУПНОСТЬ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ, обеспечивающих формирование баланса ЭЗ, т.е. определенным образом реагирующих на нарушение естественных условий стока. Именно этими граничными условиями (или их отсутствием) определяются генеральные закономерности развития депрессии напоров (зависимость S от Q), возможного изменения качества воды при эксплуатации и характер возможного воздействия водоотбора на окружающую среду. И именно поэтому основной методической проблемой разведки является достоверная оценка балансовых и гидрогеодинамических параметров этих граничных условий.

По совокупности балансообразующих граничных условий все месторождения можно разделить на три типа:

МПВ приречного типа

МПВ в пластовых разрезах

МПВ изолированного типа.

Месторождения подземных вод приречного типа

Типизационный признак: основными балансоообразующими элементами фильтрационной схемы являются граничные условия на контуре поверхностного водотока (водоема) и/или на очагах внерусловой естественной разгрузки подземных вод (точечной, линейной, площадной) в днище речной долины (озерной котловины).

Эти месторождения приурочены к водоносным горизонтам, залегающим первыми от поверхности в днищах эрозионных понижений и непосредственно (либо через локальный подрусловой экран) связанным с поверхностными водами.

Это преобладающий тип месторождений пресных подземных вод - по некоторым оценкам, до 60-70% всех освоенных и разведанных эксплуатационных запасов.

Различают подтипы:

Долины равнинных рек (платформенные области)

Обычно небольшая мощность аллювия (слабая тектоника) - 20-30 м

В аллювии достаточно много глинистого материала (малые скорости течения, длительная переработка материала)

Часто (особенно в долинах малых рек) основной водоносный горизонт связан не с аллювием, а с коренными породами ложа долины

Как правило, реки являются дренами для подземных вод; поглощение речных вод - редкое явление (за исключением периодов берегового регулирования), в основном, в районах развития современного карста, при невыработанном продольном профиле речных долин.

Долины горных рек (горноскладчатые области, предгорья)

Часто мощный аллювий, особенно аллюво-пролювий межгорных впадин - до 400-500 м и более

Грубообломочный состав, с валунами, часто без заполнителя

Основной водоносный горизонт - в аллювии, аллюво-пролювии; коренные породы в сравнении с ним резко проигрывают в проницаемости и могут рассматриваться как слабопроницаемые

Характерно постоянное чередование участков поглощения речного стока (на расширениях долин) и выклинивания подземных вод непосредственно в русла или мощными родниками (перед сужениями долин).

Далее будем говорить, главным образом, о равнинных реках - они более характерны для территории освоенной части России. При этом заметим, что основные закономерности формирования ЭЗ для равнинных и горных рек принципиально не различаются, за исключением специфики строения и состава отложений основного горизонта и, в некоторых случаях, характера взаимодействия подземных и поверхностных вод.

Основные черты фильтрационных схем месторождений подземных вод приречного типа

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПОТОКА при работе водозаборов

Чаще всего достаточно адекватной является схема однослойного потока с двумерной, плоско-плановой структурой течения. Однако, в вертикальном разрезе могут существовать локальные деформации линий тока, которые учитывают введением местных дополнительных фильтрационных сопротивлений (чтобы сохранить более простую двумерную расчетную структуру). Такие деформации возникают:

за счет неполной врезанности речных русел в водоносный горизонт, что вызывает искривление линий тока по вертикали при взаимодействии потока с рекой. Эта деформация имеет локальный в плане характер (не более мощности горизонта m) и может быть учтена введением компенсирующей эквивалентной длины 0.5m. Однако, нередко этим вовсе пренебрегают, т.к. эта величина мала по сравнению с несовершенством реки за счет сопротивления подрусловых отложений.

за счет несовершенства водозаборных скважин по степени вскрытия продуктивного пласта (обычно в долинах горных рек при весьма значительной мощности водоносного аллювия). В этом случае при подходе потока к водозабору возникают заметные деформации течения по вертикали и, следовательно, дополнительные понижения. В плане размер зоны деформации относительно невелик - около мощности горизонта. Чтобы учесть дополнительные понижения, сохраняя простую расчетную структуру, можно либо а) уменьшить расчетный радиус водозаборных скважин, либо б) ввести специальные поправки (Н.Н.Веригин).

РЕЖИМ ПОТОКА во ВРЕМЕНИ

По напорам режим, естественно, нестационарный, т.к. эксплуатируются горизонты неглубокого залегания (чаще всего - первый от поверхности, грунтовый), тесно связанные с гидрометеорологическим режимом. Но величины понижений уровня (от работы водозабора) стремятся к стабилизации, т.к. достаточно близко существует активная питающая граница - река. В результате сложения этих двух тенденций образуется циклично-стационарный режим, то есть колебания уровней определяются только естественными факторами, хотя сами уровни понижены относительно их естественных значений.

Короткое, но важное отступление. Следует точно понимать содержание термина "ПОНИЖЕНИЕ УРОВНЯ". Парадоксально (но лишь на первый взгляд), но при сколько-нибудь длительной работе водозабора вызванное им понижение уровня точно определить нельзя. Дело в том, что единственно правильно под понижением уровня следует понимать разность между тем уровнем, который был бы в данной точке в данный момент времени без водоотбора, и фактически наблюдаемым при работе водозабора. Ключевым в этой проблеме является условие "был бы в данный момент времени". Оно сформулировано в сослагательном наклонении - иначе и нельзя, ведь совершенно очевидно, что при работе водозабора естественный уровень в данной точке измерить уже невозможно; следовательно, величина понижения точно не может быть рассчитана.

В практике довольно часто подсчитывают понижение в период эксплуатации так же, как и при кратковременных опытных откачках - по отношению к так называемому "статическому уровню", существовавшему в момент пуска скважины. Это некорректное употребление термина "понижение", так как рассчитанная таким образом величина по сезонам года меняется как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Между тем даже на уровне простой гидрогеодинамической логики понятно, что изменение уровней ("понижение"!), вызванное откачкой с постоянным дебитом, может либо возрастать во времени, либо стабилизироваться. Уменьшение понижения может быть обусловлено только уменьшением дебита (если исключить возможность изменения состояния фильтра или прискважинной зоны пласта в процессе эксплуатации скважины).

Эта проблема (неопределенность величин понижения при длительной работе водозабора или при длительных опытных откачках) хорошо известна. Она значительно затрудняет обработку откачек и решение так называемых "эпигнозных" задач, предпринимаемых с целью уточнения фильтрационной схемы месторождений по данным многолетней эксплуатации водозабора. Реальных практических путей ее преодоления нет. Теоретически существует возможность решить ее на основе корреляционных (парных или множественных) связей между уровнями в конкретной водозаборной скважине и в "фоновых" скважинах, находящихся в максимально близкой гидрогеологической ситуации, но заведомо за пределами зоны депрессии от водозабора (т.е. отражающих действие только естественных режимообразующих факторов). Однако, применение такой методики на практике выливается в длительное, хлопотное, дорогостоящее и, главное - требующее тщательного исполнения, а потому неосуществимое мероприятие: 1) за несколько лет (!) до пуска водозабора должны быть начаты совместные, достаточно детальные (10-15 замеров в месяц или чаще) режимные уровенные наблюдения в будущей водозаборной скважине (уже построенной!) и в "фоновых" (одной или нескольких) скважинах; 2) к моменту пуска водозабора должна быть подтверждена устойчивая регрессионная связь между этими уровнями для всех сезонных фаз внутригодового режима; 3) в период эксплуатации "фоновая" скважина (находящаяся на расстоянии, как правило, многих километров от водозабора!) наблюдается по единой программе со скважинами водозабора; 4) для расчета понижения в водозаборной скважине "естественный" уровень в ней на нужную дату рассчитывается по уравнению регрессионной связи с "фоновой" скважиной на ту же дату. Увы, для человека, хотя бы поверхностно знакомого с системой наблюдений и состоянием документации на абсолютном большинстве действующих водозаборов России, описанная процедура может представляться лишь плодом больного воображения.

Как правило, время практической стабилизации понижений невелико - во всяком случае, несопоставимо с полным расчетным сроком эксплуатации водозабора. Для его оценки воспользуемся ранее приведенным выражением для времени стабилизации воронки у реки (см. Гидродинамический метод оценки ЭЗ) при таких исходных условиях:

Удаление водозабора от реки = 100 м

Уровнепроводность грунтового водоносного горизонта кв.м/сут

Радиус фильтра скважины = 0.1 м

Погрешность оценки факта стабилизации = 0.05.

При относительно небольшом несовершенстве реки (= 100 м) время стабилизации 10 суток; при значительном повышении несовершенства (= 1000 м) оно заметно возрастает ( ≈ 240 суток), но тем не менее много меньше реальных сроков работы водозабора, что дает основание рассматривать прогнозные решения в стационарном режиме.