Забор подземных вод Забор подземных вод осуществляется путем устройства ключевых, шахтных или буровых (трубчатых) колодцев.Таблица 6Расход холодной воды Достигнув водонепроницаемого слоя грунта, вода собирается там и в зависимости от накопившегося количества начинает

6.15. Использование подземных коммуникаций

6.15. Использование подземных коммуникаций В ходе ведения разведки в городе широко используются подземные коммуникации. Передвижение по ним, как правило, требует предварительной подготовки и производится на небольшие (до 200–300 м) расстояния по заранее разведанному

Динамика подземных вод

Запасы подземных вод

Использование подземных коммуникаций

Использование подземных коммуникаций В ходе ведения разведки в городе широко используются подземные коммуникации. Передвижение по ним, как правило, требует предварительной подготовки и производится на небольшие (до 200–300 м) расстояния по заранее разведанному маршруту.

Подземные воды являются полезным ископаемым, запасы которого в отличие от других видов полезных ископаемых возобновимы в процессе эксплуатации. Площади водоносных горизонтов и их комплексов, в пределах которых имеются условия для отбора подземных вод определённого состава, отвечающего установленным кондициям, в количестве, достаточном для экономически целесообразного их использования, называется месторождениями подземных вод. По характеру использования подземные воды подразделяются на 4 вида: питьевые и технические, применяемые для хозяйственно-питьевого и производственно-технического водоснабжения, орошения земель и обводнения пастбищ; лечебные минеральные воды, используемые в бальнеологических целях и в качестве столовых напитков; теплоэнергетические (включая пароводяные смеси) - для теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и гражданских объектов, а в отдельных случаях - и для выработки электроэнергии; промышленные воды - для извлечения из них ценных компонентов. В ряде случаев подземные воды одновременно являются минеральными и теплоэнергетическими, промышленными и теплоэнергетическими, в связи с чем они рассматриваются как комплексное полезное ископаемое. Месторождения пресных и солоноватых вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения и орошения, подразделяются на основные типы: месторождения речных долин, артезианских бассейнов, конусов выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин, ограниченных по площади структур или массивов трещинных и трещинно-карстовых пород, тектонических нарушений, песчаных массивов пустынь и полупустынь, надморенных и межморенных водоледниковых отложений, областей развития многолетнемёрзлых пород.

При оценке возможности использования подземных вод производится подсчёт эксплуатационных запасов подземных вод. Эти данные используются при разработке схем развития народного хозяйства, составлении годовых, пятилетних и долгосрочных государственных планов экономического и социального развития, планировании геологоразведочных работ, а по месторождениям - для проектирования водозаборных сооружений и предприятий, добывающих и использующих подземные воды. Различают также прогнозные ресурсы подземных вод, наличие которых предполагается на основе общих гидрогеологических представлений, теоретических предпосылок, результатов геологического и гидрогеологического картирования, геофизических, гидрохимических, гидрологических и воднобалансовых исследований. Они оцениваются в границах артезианских бассейнов, гидрогеологических массивов и районов и отражают их потенциальные эксплуатационные возможности.

Запасы подземных вод - количество воды, содержащееся в водоносном горизонте в естественных условиях или поступающее в него в результате проведения водохозяйственных мероприятий. Под термином " запасы подземных вод" часто понимают также то количество воды, которое может быть использовано. Существует ряд классификаций запасов подземных вод для оценки количества подземных вод. В большинстве из них различают понятия "ресурсы" и "запасы". Термином "запасы" обычно обозначают объём (массу) подземных вод в водоносном горизонте, термином "ресурсы" - расход подземных вод в единицу времени. Выделяют естественные и упругие запасы. Естественные (называемые также статическими, геологическими, вековыми или ёмкостными) запасы подземных вод характеризуют в объёмных единицах общее количество воды в водоносном пласте, упругие запасы - количество воды, высвобождающееся при вскрытии водоносного пласта и снижении пластового давления в нём при откачке или самоизливе за счёт объёмного расширения воды и уменьшения порового пространства самого пласта.

В практике гидрогеологических исследований обычно производят оценку естественных и эксплуатационных ресурсов подземных вод. Естественные ресурсы (или динамические запасы) характеризуют величину питания подземных вод за счёт инфильтрации атмосферных осадков, поглощения речного стока и перетекания из других водоносных горизонтов, суммарно выраженную величиной расхода потока или толщиной слоя воды, поступающего в подземные воды. Среднемноголетняя величина питания подземных вод, за вычетом испарения, равна величине подземного стока, поэтому при региональных оценках естественные ресурсы подземных вод часто выражаются cpеднегодовыми и минимальными значениями модулей подземного стока.

Эксплуатационные запасы подземных вод (ресурсы) - количество воды, которое может добываться в единицу времени из водоносного горизонта рациональным в технико-экономическом отношении водозабором при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчётного периода эксплуатации. Эксплуатационные запасы (ресурсы) являются одним из основных критериев возможности и целесообразности использования подземных вод для различных целей. При этом, по сложившейся традиции, при региональных оценках обычно пользуются термином "эксплуатационные ресурсы", а при оценках для водоснабжения конкретных объектов - "эксплуатационных запасы". При оценке эксплуатационных запасов (ресурсов) учитывается возможность использования естественных (в том числе упругих) запасов, естественных ресурсов, а также привлекаемых (дополнительных) ресурсов, образующихся непосредственно вследствие эксплуатации водозаборов (привлечение поверхностных вод, подземных вод "непродуктивных" горизонтов и т.п.).

Важным источником формирования эксплуатационных запасов могут служить искусственные запасы и ресурсы, создаваемые за счёт закачивания поверхностных вод в природные подземные ёмкости с помощью специальных сооружений, фильтрационных потерь из водохранилищ и каналов, инфильтрации поливных вод на орошаемых массивах и т.п. Ресурсы (запасы) пресных подземных вод определяют на локальных участках с целью водоснабжения конкретных объектов (городов, предприятий) и больших территории, для которых даётся региональная оценка естественных и эксплуатационных ресурсов с целью перспективного планирования возможностей использования подземных вод. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод на локальных участках проводится на основании специальных разведочных гидрогеологических работ или данных эксплуатации действующих водозаборов применительно к выделенным месторождениям подземных вод или их отдельным участкам.

Эксплуатационные запасы подземных вод в зависимости от степени разведанности месторождений, изученности качества вод и условий эксплуатации подразделяются на 4 категории - А, В, С1 и С2. К категории А относятся запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей полное выяснение условий залегания, строения, величин напора и фильтрационных свойств водоносных горизонтов, условий их питания, возможностей восполнения эксплуатационных запасов, установление связи водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами, изучение качества подземных вод с достоверностью, подтверждающей возможность их использования по заданному назначению на расчётный срок водопотребления. Эксплуатационные запасы подземных вод категории А определяются по данным эксплуатации, опытно-эксплуатационных или опытных откачек применительно к намеченной схеме расположения каптажных сооружений. В современной практике при определении запасов категории А допускается расчётная экстраполяция результатов эксплуатации и опытных данных.

К категории В относятся запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей выяснение основных особенностей условий залегания, строения и питания водоносных горизонтов, установление связи подземных вод (запасы которых оцениваются) с другими водоносными горизонтами и с поверхностными водами, определение приблизительного количества естественных водных ресурсов как возможных источников восполнения эксплуатационных запасов подземных вод. Качество подземных вод должно быть изучено с такой же детальностью, как и для запасов категории А. Эксплуатационные запасы категории В определяют в пределах детально изученного участка по данным опытных откачек или по расчётной экстраполяции применительно к намеченной схеме водозабора.

Запасы категории С1 изучаются с детальностью, обеспечивающей выяснение в общих чертах строения, условий залегания и распространения водоносных горизонтов. Качество подземных вод изучается в той мере, чтобы можно было предварительно решить вопрос о возможности их использования по заданному назначению. Запасы оцениваются по данным пробных откачек из единичных скважин, а также по аналогии со сходными районами.

К категории С2 относятся запасы, установленные на основании общих геолого-гидрогеологических данных, подтверждённых опробованием водоносного горизонта в отдельных точках, или по аналогии. Качество подземных вод также определяется по пробам, взятым в отдельных точках водоносного горизонта, или по аналогии. Эксплуатационные запасы категории С2 оцениваются в пределах водоносных комплексов и выявленных благоприятных структур

В гидрогеологической практике оценочных работ количества подземных вод выделяют естественные запасы подземных вод, естественные ресурсы подземных вод и эксплуатационные запасы месторождений подземных вод.
Существуют месторождения подземных вод, содержащих большое количество воды, но питание ничтожное. При отборе воды такое месторождение быстро истощится. С другой стороны существуют месторождения подземных вод, содержащих небольшое количество воды, но обладающих обильным питанием. Отбор воды из такого месторождения будет существенно больше, чем из месторождения первого типа. Поэтому для учета таких особенностей месторождений подземных вод вводят понятия – естественные ресурсы месторождений подземных вод, естественные запасы месторождений подземных вод.
Естественными ресурсами месторождения подземных вод является объем воды, фильтрующийся в водоносный пласт за счет различных источников: инфильтрации, перетекания вод из смежных водоносных горизонтов (залегающих выше и ниже эксплуатируемого), поступления воды из рек и озер. Естественные ресурсы месторождений подземных вод измеряются в величине объем деленный на время поступления в водоносный горизонт. Наиболее часто употребляется величина м3/сут. Естественные ресурсы месторождений подземных вод рассчитываются расходу воды в реки и озера, перетеканию в смежные водоносные горизонты, испарению. Величина естественных ресурсов изменяется в течение года. Обычно весной и осенью величина выше, чем летом и зимой. Замечено, что при эксплуатации подземных вод, часто происходит улучшение их питания.
Естественные запасы месторождений и горизонтов подземных вод – это объем подземных вод, который находится в данном месторождении ПВ или водоносном горизонте, заполняет поры и трещины, зависит не от баланса и поступления воды, а от емкостных свойств этого водоносного горизонта или месторождения. Единицы измерения естественных запасов – объемные. Обычно используются м3 или тыс. м3, в зависимости от размеров месторождения и водоносных горизонтов. При напорном режиме фильтрации необходимо учитывать упругие естественные запасы месторождений подземных вод, дополнительное количество воды, появляющееся при вскрытии водоносного горизонта, за счет уменьшения внутрипластового давления в результате расширения объема воды и снижения порового пространства самого водоносного горизонта.
Естественные запасы при отборе подземных вод из месторождений ПВ уменьшаются. В безнапорных водоносных горизонтах на водозаборах всегда происходит понижения уровня воды и как следствие уменьшение емкости водоносного горизонта. В напорных условиях происходит понижение уровня напорных вод, как следствие этого, потеря упругих запасов подземных вод в результате снижения давления внутри пласта.

Эксплуатационные запасы подземных вод

Основным критерием максимально возможной добычи подземных вод эксплуатационные запасы. Сущностью эксплуатационных запасов месторождений подземных вод является объем воды в единицу времени, который может быть добыт из водоносного горизонта водозаборными сооружениями (скважинами, каптажами, колодцами) при определенном режиме эксплуатации водоносного горизонта и качестве воды, согласно проектным требованиям. Эксплуатационные запасы пресных вод оцениваются только для участка водозаборов. Единицей измерения эксплуатационных запасов подземных вод являются объемные величины. Обычно используются м3.
Существуют аналитические методы подсчета эксплуатационных запасов месторождений подземных вод и численное моделирование условий и определения запасов подземных вод. Основным аналитическим методом оценки эксплуатационных ресурсов является гидродинамический метод. Метод основан на аналитических зависимостях и схематизации гидрогеологических условий. Несколько водозаборных сооружений – каптажей, скважин, аппроксимируются, как один источник водопонижения – «большой колодец». Максимально допустимое снижение уровней подземных вод рассчитывается для центра «большого колодца». Гидрогеологические условия схематизируются, выделяются граничные условия, составляется предварительный проект расположения водозаборных скважин. Данный метод преимущественно используется для простых гидрогеологических условий и используется совместно с другими методами оценки.
Гидравлический метод оценки основан на опытно-фильтрационных исследованиях водоносного горизонта. Данный метод обычно применяют для месторождений со сложными условиями. Определение характеристик с помощью этого метода требует значительных денежных вложений.
Суть балансового метода заключается в определении расхода подземных вод на проектируемом водозаборе. Баланс учитывает статьи притока воды и расхода. Балансовым методом удобно оценивать роль каждого отдельного элемента общего баланса. Минусом метода является невозможность определения производительность скважины. Балансовый метод дает среднепрогнозную величину снижения уровней подземных вод.
Численные методы моделирования используются в настоящее время как основной инструмент определения эксплуатационных запасов месторождения ПВ. С помощью численных программных комплексов, основанных на уравнении неразрывности потока, строится схематичная модель месторождения с учетом геологических и гидрогеологических условий на основании ранее проведенных и опытных опробований. Численные комплексы считают перетоки воды между элементарными ячейками и схематическими слоями, которыми разбит весь изучаемый массив. В модель вводятся данные характеризующие фильтрационные характеристики, указываются граничные условия. Строится модель стационарного жесткого режима фильтрации, в модели отображаются существующие природные условия. После этого в модель вводятся данные характеризующие емкостные свойства водоносного горизонта. Модель становится стационарной упругого режима фильтрации. После этого в модели фильтрации указывают скважину или предполагаемый водоотбор из заданного водоносного горизонта. Модель рассчитывает положение уровней и структуру потока при нарушенной, нестационарной фильтрации с учетом емкости водоносного горизонта. При варьировании дебита скважины можно подобрать оптимальное сочетание расходов скважины и понижения уровня подземных вод.

Различные методы оценки лучше всего применять комбинированно. Делать оценку численными методами, делать проверку или калибровку модели, аналитическими.
На основе расчетов проектируются водозаборные сооружения, которые будут снабжать водой поселки, города, предприятия. Поэтому задача оценки и определения ресурсов и запасов месторождений подземных вод является очень ответственной.

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕСУРСОВ И ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ИХ ОЦЕНКИ ПОНЯТИЕ О ВИДАХ ЗАПАСОВ И РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Подземные воды , пригодные для использования в народном хозяйстве, следует рассматривать как полезное ископаемое. Однако в отличие от других полезных ископаемых (твердых, нефти и газа) подземные воды имеют-ряд специфических особенностей, которые необходимо учитывать при оценке перспектив их использования в народном хозяйстве.

Отличительной и главной особенностью запасов подземных вод по сравнению с запасами других полезных ископаемых является их возобновляемость. Подземные воды - единственное полезное ископаемое, в процессе эксплуатации которого во многих случаях происходит не только его расходование, но и дополнительное формирование, вызванное усилением питания подземных вод. Источниками такого дополнительного питания могут служить и поверхностные воды, и подземные воды смежных с эксплуатируемым водоносных горизонтов, и уменьшение испарения подземных вод при понижении их уровня. Формирование запасов подземных вод может происходить также в результате проведения различных водохозяйственных мероприятий (гидротехнического строительства, орошения), при создании специальных «фабрик» подземных вод*.

Другая существенная особенность подземных вод связана с их подвижностью и тесной взаимосвязью с окружающей средой. Эта взаимосвязь находит отражение в граничных условиях (взаимосвязь подземных и поверхностных вод, условия питания и разгрузки подземных вод). Граничные условия проявляются в процессе эксплуатации водо.заборов и во многом определяют возможность использования подземных вод, в то время как влияние внешней среды на месторождения твердых полезных ископаемых проявляется в течение геологического времени.

Следует отметить еще одну важную особенность подземных вод, связанную с оценкой перспектив их использования. Она заключается в том, что рациональный отбор подземных вод в определенных условиях зависит не столько от количества воды, находящейся в пласте, и от количества воды, поступающей в пласт в естественных условиях, сколько от фильтрационных свойств водовмещающих пород, определяющих сопротивление движению подземных вод к водозаборным сооружениям.

Перечисленные основные особенности подземных вод, отличающие их от других полезных ископаемых, предопределили необходимость выделения нескольких понятий, характеризующих: а) количество воды, находящейся в водоносном горизонте; б) количество воды, поступающей в водоносный горизонт в естественных условиях при проведении водохозяйственных мероприятий, а также в связи с эксплуатацией; в) количество воды, которое может быть отобрано рациональными водозаборами для народного хозяйства.

Другими словами, если при оценке перспектив использования твердых полезных ископаемых, нефти и газа достаточно одного понятия - «запасы полезного ископаемого», то для подземных вод одно это понятие не может полностью охарактеризовать возможность их рациональной эксплуатации.

Напомним, что под з а п а с а м и полезного ископаемого понимается весовое его,количество, заключенное в зем н ы х недр а х.

Для подземных вод кроме запасов, как отмечено выше, следует учитывать их питание. На это еше в начале 30-х годов указывал один из основоположников отечественной гидрогеологии Ф. П. Саваренский, который предложил различать «запасы» подземных вод и их «ресурсы», понимая под последними «обеспечение в водном" балансе данного района поступления подземных вод». Вопросам классификации запасов и ресурсов подземных вод посвящена обширная гидрогеологическая литература. Наиболее полные сведения по этим вопросам содержатся в работах Ф. М. Бочевера (1957, 1961), Б. И. Куделина (1960).

В настоящей работе мы не будем обсуждать классификации, предложенные различными авторами, тем более, что различие между многими из них носит в основном терминологический характер. Остановимся только на характеристике важнейших понятий, приняв за основу терминологию, предложенную Н. Н. Биндеманом (1963) и использованную при составлении отдельных томов монографии «Гидрогеология СССР».

Запасы и ресурсы подземных вод могут быть подразделены на: 1) естественные запасы и ресурсы;

2) искусственные запасы и ресурсы;

3) привлекаемые ресурсы;

4) эксплуатационные запасы и ресурсы*.

Е с т е с т в е н н ы е з а п а с ы -. м асса rpавитационной воды в пласте в естественных условиях. Ту часть этой массы, которую можно извлечь из пласта при снижении давления за счет упругого расширения воды и сжатия породы (уменьшения пористости), принято называть упругими запасами.

При оценке запасов подземных вод для водоснабжения естественные запасы целесообразно выражать в единицах объема.

Е с т е с т в е н н ы е ресурсы - количество воды, поступающей в водоносный горизонт в естественных условиях в результате инфильтрации атмосферных осадков, фильтрации из рек и озер, перетекания из выше- и нижележащих горизонтов, притока со смежных территорий. Естественные ресурсы водоносного горизонта равны сумме всех приходных элементов баланса данного горизонта. Они выражаются в единицах расхода и могут быть также определены по сумме всех расходных элементов баланса (испарение, транспирация растительностью, родниковый сток, фильтрация в реки, озера и перетекание в смежные горизонты).

* Используемые в настоящей работе термины не принимаются всеми гидрогеологами. Часто термину «естественные запасы» соответствуют в литературе термины «статические», «вековые», «геологические», «запасы», а «естественным ресурсам» - «динамические запасы», «расход подземного потока».

Искусственные запасы - это объем подземных вод в пласте, накопившихся в результате орошения, подпора водохранилищами или фильтрации из них, искусственного восполнения подземных вод (магазинирование).

И с к у с с т в е н н ы е р е с у р с ы - количество воды, поступающей в водоносный горизонт в результате фильтрации из каналов и водохранилищ, орошения, а также проведения мероприятий по искусственному питанию подземных вод.

П р и в л е к а е м ы е р е с у р с ы - увеличение питания подземных вод при эксплуатации водозаборов в связи с возникновением или усилением фильтрации из рек, озер, перетеканием из смежных„обычно вышер расположенных водоносных горизонтов.

Понятия «эксплуатационные запасы» и «экс п луат ац и о н н ы е р е с у р с ы» подземных вод являются в сущности синонимами. Под ними понимается то «количество подземных вод, которое может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчетного срока потребления» («Инструкция...», 1962). Эта величина, таким образом, представляет собой производительность водозабора и выражается в единицах расхода (обычно в м"/сут). Поэтому более логичным было бы использование только термина «эксплуатационные ресурсы». Но так как для всех других полезных ископаемых принят термин «запасы», и они утверждаются Государственной комиссией по запасам полезных ископаемых (ГКЗ), при рассмотрении возможностей использования подземных вод в народном хозяйстве обычно применяется термин «эксплуатационные запасы». Он принят в официальных документах (классификация эксплуатационных запасов и инструкция ГКЗ по ее применению). В то же время при региональной оценке запасов и ресурсов подземных вод более точен термин «эксплуатационные ресурсы», так как в этом случае ресурсы подземных вод рассматриваются как часть общих водных ресурсов.

Эксплуатационные ресурсы подземных вод того или иного региона определяются не только гидрогеологическими условиями, но и схемой эксплуатации (размещением водозаборов, расстояниями между ними, расходами отдельных водозаборов). В связи с этим Н. Н. Биндеман (1972) предложил выделить два понятия: «потенциальные эксплуатационные ресурсы» и «прогнозные эксплуатационные ресурсы». Под потенциальными эксплуатационными ресурсами следует понимать ресурсы подземных вод, которые могут быть получены при размещении водозаборов по всей площади распространения водоносного горизонта и при расстояниях между водозаборами, обеспечивающими полное использование естественных, привлекаемых и искусственных запасов и ресурсов подземных вод с учетом заданного понижения уровня и принятой длительности эксплуатации. В отличие от потенциальных прогнозные эксплуатационные ресурсы соответствуют определенной схеме размещения водозаборных сооружений. Потенциальные ресурсы характеризуют максимальное количество воды, которое может быть отобрано из,водоносного горизонта. Так как водовмещающие породы обладают фильтрационными сопротивлениями, прогнозные ресурсы, соответствующие определенной схеме расположения водозаборов, обычно меньше потенциальных, и только в отдельных случаях прогнозные ресурсы могут достигать величины потенциальных. Долю возможного использования потенциальных ресурсов при той или иной схеме расположения водозаборов Н. Н. Биндеман (1973) предложил называть прогнозным коэффициентом использования подземных вод.

Безусловно, что при различных гидрогеологических условиях в формировании эксплуатационных ресурсов (запасов) подземных вод будут превалировать те или иные виды запасов или ресурсов, что подробно будет рассмотрено в следующем разделе,

Эксплуатационные ресурсы (запасы) подземных вод могут быть обеспечены источниками формирования или на определенный ограниченный срок эксплуатации, или на неограниченное время. В последнем случае источником формирования эксплуатационных ресурсов являются естественные и искусственные ресурсы, а также привлекаемые ресурсы (если они в свою очередь обеспечены на неограниченный срок эксплуатации), так как при t~oo второй и четвертый члены в правой части уравнения" стремятся к нулю.

Несомненно, что при решении различных народнохозяйственных проблем, связанных с использованием подземных вод, первостепенное значение имеет оценка эксплуатационных ресурсов (запасов) подземных вод. Только величина эксплуатационных ресурсов (запасов) позволяет судить о возможности и целесообразности использования подземных вод. Однако определенный интерес представляет подсчет и других видов запасов и ресурсов подземных вод. Это необходимо и для оценки отдельных источников формирования эксплуатационных ресурсов подземных вод, и для количественной характеристики водоносных горизонтов и структур в естественных условиях.