Антонов В.В. Поиски и разведка подземных вод Уч пос 2006

организованных режимных наблюдений с оценкой (переоценкой) эксплуатационных запасов при помощи аналогового или численного моделирования.

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод проводится в основном по результатам оценочных работ и разведки месторождения. В некоторых случаях предварительно проводится предварительная оценка эксплуатационных запасов по результатам поисковых работ.

Как правило, результаты оценочных работ дают возможность определить запасы по категориям С1-С2. В некоторых относительно благоприятных условиях часть запасов может быть отнесена к категории В. Причем, согласно существующим нормативным документам, для получения лицензии на добычу подземных вод эксплуатационные запасы должны быть утверждены по категории не ниже С1.

6.2. Состав, виды и объемы проектируемых работ

Одной из важнейших задач проектирования гидрогеологических изысканий МПВ является оценка и обоснованный выбор состава, видов и объемов исследований. В настоящее время эта задача решается на основе анализа ранее выполненных работ на аналогичных МПВ (принцип гидрогеологической аналогии), т.е. в основном качественно. При этом учитывается, что состав, виды и объемы исследований могут зависеть от геологических и гидрогеологических условий МПВ, стадии гидрогеологических исследований, степени изученности гидрогеологических условий, целевого назначения и потребного количества подземных вод, выбранного метода оценки эксплуатационных запасов подземных вод.

В состав гидрогеологических исследований, применяемых при поисках и разведке подземных вод, входят следующие работы:

гидрогеологическая съемка и картирование;

буровые и горные работы;

геофизические работы;

опытно-фильтрационные работы;

71

режимныестационарныеработы (мониторингподземныхвод);

специальные работы, выполняемые при поисках и разведке (метеорологические, гидрологические, инженерно-геологические, гидрогеохимические работы, исследования для обоснования зон санитарной охраны и др.);

лабораторные работы.

6.3. Примеры проведения поисково-разведочных работ некоторых типов МПВ

Особенности проведения поисков и разведки подземных вод определяются главным образом геологическим строением и гидрогеологическими условиями месторождений. В качестве примера, иллюстрирующего наиболее важные стороны гидрогеологических изысканий, рассмотрим поиски месторождений пресных подземных вод, пригодных для хозяйственно-питьевого водоснабжения, и отметим некоторые специфические задачи проведения гидрогеологических работ на месторождениях минеральных вод.

На территории нашей страны наибольшее значение для удовлетворения хозяйственно-питьевых нужд имеют месторождения подземных вод, приуроченные к речным долинам, и месторождения артезианских бассейнов.

Главные задачи, которые должны быть выяснены в процессе поисково-разведочных работ на месторождениях в речных долинах, следующие:

1)выяснение особенностей распространения, мощности и фильтрационных свойств пород;

2)изучение режима поверхностных вод (уровень, расход, мутность, взвешенные вещества, качество воды, деформации русла

иустойчивость береговой линии);

3)исследование взаимосвязи подземных и поверхностных вод и влияние режима поверхностного стока на особенности этой взаимосвязи;

4)определение качественных характеристик воды;

5)изучение водоносного горизонта в коренных породах.

72

Поисковые работы на месторождениях данного типа обычно начинают с проведения гидрогеологической съемки масштабов 1:50 000-1:25 000. Съемкой должна быть охвачена не только собственно речная долина, но и коренные берега. При этом должно быть установлено строение речной долины, история ее формирования и развития, положение участков древних переуглублений, строение и фильтрационные свойства аллювиальных отложений, выявлены участки разгрузки аллювиальных подземных вод. По результатам съемочных работ должно быть охарактеризовано качество подземных вод в аллювиальных и коренных отложениях.

Необходимо собрать материалы по действующим водозаборам подземных вод, а также сведения о режиме поверхностных вод: продолжительность меженного периода, характер и продолжительность паводка, период, когда в реке отсутствует сток.

На стадии поисков разведочные гидрогеологические профили, как правило, располагают перпендикулярно речной долине. Профили обычно содержат четыре-пять скважин, расстояние между профилями 3-4 км. Разведочные скважины проходятся до коренных пород, причем эти породы должны быть вскрыты одной-двумя скважинами. Желательно, чтобы разведочные скважины захватывали также и коренные склоны. Глубина скважин на коренных склонах должна быть на 8-10 м ниже абсолютных отметок уреза воды в реке. Во всех разведочных скважинах проводятся пробные откачки продолжительностью не менее суток.

На стадии поисковых работ необходимо широкое применение геофизических исследований, в первую очередь электропрофилирования и вертикального электрозондирования.

Главными задачами оценочных работ являются получение сравнительных характеристик нескольких участков, выбранных по результатам поисковых работ, и обоснование выбора участка под детальную разведку применительно к конкретной схеме водозабора. Буровые работы на этой стадии включают сооружение поперечных гидрогеологических профилей с расстояниями между профилями около0,5-1,0км и расстоянием между скважинами в профиле 300-500м. Для увязки профилей целесообразно бурение отдельно стоящих скважин. Глубина скважин обычнопринимается равной мощности аллювиальныхотложений.

73

В наиболее характерных местах разведочные скважины опробуются опытными откачками продолжительностью 5-10 сут. При большой мощности аллювиальных отложений рекомендуется проведение зональных откачек. Для оценки фильтрационных свойств, в том числе и параметра сопротивления русла реки, необходимо проведение двух-трех кустовых откачек.

Режимные стационарные наблюдения должны включать по крайней мере годовой цикл наблюдений. Скважины режимной сети целесообразно располагать в наиболее характерных местах: у реки, в тыловой части поймы, на коренном берегу.

Разведка проводится применительно к схеме проектируемого водозабора. На этой стации обычно мощная групповая откачка продолжается в течение 1-1,5 мес. Результаты групповой откачки используют для оценки эксплуатационных запасов с применением гидравлического или комплексного методов.

Главные задачи разведочных работ на месторождениях подземных вод артезианских бассейнов платформенного типа следующие:

1)выяснение условий и глубины залегания водоносных го-

ризонтов;

2)изучение литологического состава и мощности основного водоносного горизонта;

3)определение фильтрационных свойств пород;

4)изучение характера пьезометрической поверхности основного горизонта;

5)оценка качества подземных вод;

6)выяснение характера взаимосвязи подземных и поверхностных вод, а также взаимосвязи водоносных горизонтов между собой;

7)изучение перекрывающих и подстилающих водоносных горизонтов.

Для МПВ артезианских бассейнов геосинклинального типа одной из важных задач исследований является выяснение влияния границ области фильтрации на процессы движения подземных вод.

На стадии поисков МПВ артезианских бассейнов проводят сбор и анализ фондовых и литературных материалов, а также обследуют и изучают действующие водозаборы, на которых желательны

74

постоянные режимные наблюдения. По окончании поисковых работ составляют гидрогеологическую карту масштаба 1:100 000-1:50 000.

Оценочные работы включают в себя бурение гидрогеологических профилей. Во всех скважинах проводятся пробные откачки. Для изучения взаимосвязи водоносных горизонтов между собой проводят специальные термометрические наблюдения. В процессе предварительной разведки по нескольким скважинам должны быть опробованы перекрывающие и подстилающие водоносные горизонты. В хорошо изученных районах стадия предварительной разведки отсутствует или существенно сокращена.

На стадии разведки места расположения разведочных скважин определяют по схеме проектируемого водозабора. Количество разведочно-эксплуатационных скважин связано с необходимостью получения по результатам разведочных исследований значительных запасов по категории В. Расстояние между скважинами обычно выбирают равным удвоенному расстоянию между проектируемыми эксплуатационными скважинами в водозаборе. Во всех скважинах проводят опытные откачки с дебитом, близким к эксплуатационному, а также одну-две кустовые откачки или одну крупную групповую откачку, причем в качестве наблюдательных обычно используют ближайшие разведочно-эксплуатационные скважины.

Специфической особенностью поисково-разведочных работ на месторождениях минеральных подземных вод является проведение значительных объемов исследований гидрохимической направленности. При этом детально изучают главные и второстепенные ионы, микрокомпоненты и органические вещества. При изучении формирования состава подземных вод исследуют изотопный состав некоторых элементов (кислород, водород, углерод и др.). Значительное внимание уделяется исследованию гидрохимического режима, включая режим газовой составляющей подземных вод.

При разведке промышленных подземных вод размеры площади, в пределах которой концентрируются гидрогеологические работы, зависят от положения контура, отделяющего запасы с промышленными концентрациями от забалансовых. Граница контура проводится по линии минимальной промышленной концентрации полезных компонентов.

75

Оценка минимальных промышленных концентраций проводится на базе экономических показателей по следующей методике. Сначала определяется себестоимость 1 т готовой продукции:

Cп Cвq Cт ,

(65)

где Св – затраты на извлечение 1 т промышленных вод; q – расход вод на получение 1 т продукции; Ст – размеры технологических затрат на производство 1 т продукции, Ст = Си + Сс; Си – затраты на заводе для извлечения из подземных вод 1 т готового продукта; Сс – затраты на сброс технологических стоков.

Концентрация полезного компонента определяется с учетом необходимого расхода промышленных вод на получение 1 т готового продукта: q = 1000/Сk, где С – содержание полезного компонента, г/м3; k – коэффициент извлечения, определяемый особенностями технологии извлечения компонента.

Минимальные промышленные концентрации (кондиции) полезных компонентов определяют из условия Сп Сот, где Сот – отпускная (оптовая) цена 1 т продукции.

Специфическими особенностями месторождений подземных вод являются также значительная глубина залегания перспективных водоносных горизонтов, при этом пластовые термодинамические условия могут существенно отличаться от условий на дневной поверхности. Часто минеральные подземные воды содержат значительные количества растворенных газов.

Названные особенности существенно влияют на методику проведения поисково-разведочных работ на месторождениях данного типа. В частности, сложность гидрогеологических условий приводит к тому, что основным методом оценки эксплуатационных запасов может стать гидравлический, что в свою очередь требует проведения мощных групповых откачек большой продолжительности или опытно-эксплуатационного водоотбора.

76

7. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ

7.1. Опытно-фильтрационные работы

Одним из основных видов гидрогеологических работ, выполняемых при поисках и разведке МПВ, являются опытнофильтрационные работы (ОФР) и режимные стационарные наблюдения (мониторинг подземных вод).

Опытно-фильтрационные работы включают откачки, нагнетения и наливы в шурфы и скважины.

Преимущество откачек перед другими видами ОФР состоит в том, что они наиболее близко моделируют процесс водоотбора при последующей эксплуатации водозабора подземных вод. В зависимости от продолжительности откачки подразделяются на пробные и опытные.

Пробные откачки предназначены для оценки водообильности водоносных горизонтов и отбора проб на анализы. По результатам пробных откачек иногда ориентировочно можно оценить гидрогеологические параметры.

Опытные откачки служат для определения фильтрационных параметров, а также для построения эмпирических зависимостей понижения дебита, что необходимо для оценки эксплуатационных запасов гидравлическим методом.

Опытные откачки в зависимости от числа опытных и наблюдательных скважин, а также от продолжительности эксперимента, подразделяются на одиночные, кустовые, групповые и опытноэксплуатационные.

Местоположение опытных откачек определяется схемой разведки подземных вод и схемой проектируемого водозабора. Кустовые откачки обычно располагаются в центральной части проектируемого водозабора и в наиболее характерных местах области его влияния.

Групповые откачки проводят на участках проектируемых водозаборов, часто из опытно-эксплуатационных скважин.

Глубина опытных скважин при проведении ОФР зависит от особенностей залегания как испытуемых, так и смежных водонос-

77

ных горизонтов. При этом очень важно, чтобы степень несовершенства опытных и наблюдательных скважин была одинаковой. Несовершенные наблюдательные пьезометры могут применяться лишь в относительно однородных пластах.

Перед началом опытных откачек все скважины (и возмущающие, и наблюдательные) нужно разглинизировать и прокачать. Для учета инерционности наблюдательных скважин желательно проведение в них экспресс-наливов.

При проведении кустовых откачек число лучей наблюдательных скважин изменяется от одного до шести и определяется степенью фильтрационной неоднородности исследуемого водоносного горизонта. Обычно два луча располагают взаимно-перпенди- кулярно, причем один из них ориентируют по направлению естественного подземного потока. При откачках в анизотропных породах лучи наблюдательных скважин стараются располагать по главным осям анизотропии. При откачках у реки для оценки параметров сопротивления ложа водоема L один из лучей располагают параллельно реке (навстречу поверхностному потоку), а второй – перпендикулярно ему.

Максимальное число наблюдательных скважин в каждом луче – шесть, обычно их две-три.

Наблюдательные скважины в луче располагают на расстоянии, возрастающем в геометрической прогрессии со знаменателем 2. Расстояние до первой наблюдательной скважины r1 = (0,1 – 0,2)R,

где R = 1,5at0 ; t0 – время откачки. В пластах ограниченной мощно-

сти расстояние до первой наблюдательной скважины r1 = (1 – 1,5)m, где m – мощность опробуемого водоносного горизонта.

В самой дальней наблюдательной скважине необходимо создавать понижение, превышающее естественные колебания уровней, так как естественные колебания уровней обычно равны 10-15 см, понижение в дальней наблюдательной скважине должно быть боль-

ше 0,3-0,5 м.

Наиболее целесообразным режимом опытных откачек является режим постоянного дебита, т.е. откачку желательно проводить с постоянным расходом, определяемым производительностьюнасоса.

78

Впроцессе откачек дебит должен быть постоянным, допускается лишь незакономерные хаотические колебания его вокруг некоторого среднего в пределах 5-10 %. Если дебит откачки закономерно меняется в процессе опыта, схема интерпретации подобной откачки должна учитывать эти изменения.

Крайне нежелательны остановки насосного оборудования

впроцессе опытов, при этом даже кратковременные остановки (на 10-20 мин) в первые сутки делают откачку практически неинтерпретируемой. Остановки на заключительных этапах можно учесть, но при этом необходимо замерять восстановление уровней в процессе подобной остановки.

Продолжительность откачек не назначают заранее, но она должна быть достаточной для получения в пределах зоны воздействия ОФР требуемого режима фильтрации и, следовательно, получения на индикаторном графике S = f(lnl) необходимого участка. Наиболее точно продолжительность опыта может быть определена лишь в процессе самой откачки в полевых условиях. Приблизительно продолжительность откачек может быть установлена на основании предварительного расчета с использованием параметров, полученных на предыдущей стадии изысканий.

Частота замеров уровней в процессе откачки связана со скоростью процесса. Частота замеров должна постепенно убывать, при этом между двумя ближайшими замерами следует выбрать такой промежуток времени, при котором приращение в 2-3 раза больше ошибок прибора, с помощью которого производится замер уровней.

Частота замеров уровня при восстановлении должна быть гораздо больше частоты при откачке, в частности, замеры восстановления в опытной скважине в начальные моменты следует повторять через несколько секунд. Отметим, что в закрытых структурах уровни восстанавливаются относительно медленно и зависят от скорости поступления воды из областей питания.

Частота замеров дебита за исключением первых моментов времени должна совпадать с частотой замеров уровней.

Впроцессе откачки непосредственно в полевых условиях необходимо ведение журналов откачки, а также графиков, при кото-

рых S = f(t), Q = f(t), S = f(lnt).

79

Интерпретация результатов опытных откачек состоит из двух этапов: качественного и количественного.

Главной задачей качественного этапа интерпретации является схематизация области фильтрации и обоснованный выбор расчетной схемы, т.е. проведение надежной диагностики результатов ОФР. На этом этапе должен быть проанализирован весь фактический геологический и гидрогеологический материал, а также результаты самого эксперимента. Исходным материалом для анализа являются схемы опыта, геологические колонки по опытным и наблюдательным скважинам; гидрогеологические разрезы по лучам наблюдательных скважин, карты гидро- и пьезоизогипс, построенные для наиболее характерных моментов эксперимента, графики зависимости понижений и расходов во времени, индикаторные графики S = f(lnt).

На этапе качественной интерпретации весьма желательно проведение прикидочных расчетов. При этом прикидочный расчет выполняет роль численного эксперимента по оценке непротиворечивости и физической правдоподобности вычисляемых параметров гипотетической расчетной схемы. В некоторых случаях тенденции изменения вычисляемых параметров могут подсказать выбор расчетной схемы. Например, различие в коэффициентах водопроводимости, вычисленных по формуле Дюпюи, по различным лучам наблюдательных скважин свидетельствует о наличии плановой фильтрационной неоднородности; завышение параметров водопроводимости примерно в 2 раза, даваемое методом временного прослеживания по сравнению с методом площадного прослеживания, указывает на поступление подземных вод из подстилающих и перекрывающих водоупоров.

На этапе количественной интерпретации вычисляют гидрогеологические параметры по выбранной расчетной схеме.

В настоящее время при интерпретации опытных откачек применяют следующие методы: метод отношений, метод разностей, графоаналитический метод, который может быть подразделен на способы временного, площадного и комбинированного прослеживания, метод эталонной кривой, методы, основанные на использовании интегральных преобразований Лапласа и Лапласа – Карсона,

80