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

	С = C0		C1 C0	arccos		.	(52)
					tп t

Зная минерализацию пресных и соленых вод, а также время прихода к водозабору первых порций соленых вод, по формуле (52) можно прогнозировать минерализацию воды на последующие моменты времени t > tп.

Максимальная минерализация воды на водозаборе Сmax (при t ) равна полусумме минерализаций пресной и соленой вод.

При наличии зоны постепенного перехода от пресных вод к соленым минерализация воды на водозаборе [4]

n		Ci 1
С = C0	Ci		arccos tпi /t .			(53)
i 1

Для практических расчетов зону перехода достаточно представить в виде одной или двух полос.

Достаточно часто пресные воды снизу подстилаются солеными. При работе водозабора в подобных условиях возможно подтягивание и внедрение соленых вод в эксплуатационные скважины. Оценим максимальную минерализацию воды, соответствующую полному отбору и смешению пресных и соленых вод, содержащихся

вограниченном водоносном горизонте.

Воднородном пласте максимальная минерализация воды, отбираемой совершенной скважиной,

C		C	(C	C	)	mп	,	(54)
	max	1	1	0		m

где mп – мощность пресных вод; m – общая мощность водоносного горизонта.

В двухслойном пласте при расположении границы раздела пресных и соленых вод по линии фильтрационной неоднородности максимальная минерализация

Cmax C1 (C1 C0)	mпK0			,	(55)
	m K	0	m K
	п		1 1
					51

где К0 и К1 – коэффициенты фильтрации в зоне пресных и соленых вод соответственно.

Для оценки времени подтягивания соленых вод в несовершенную скважину, работающую в пласте неограниченной мощности, рассмотрим решение для точечного источника – стока в условиях установившегося движения:

S Q / 4 K ,

где Q – интенсивность источника – стока; – расстояние от центра источника (сферические координаты).

Тогда

dS

Q

1

.

d

4 K 2

Уравнение поршневого вытеснения будет иметь вид

d

Q

1

,

2

dt 4 nэ

откуда время продвижения

t 4 n 3

/3Q.

(56)

э

Используя полученное решение для несовершенной скважины, примыкающей к водоупору, получим

t	п	4 n m3	/3Q.	(57)
		э п

Минерализация воды на любой момент времени после начала внедрения соленых вод может быть определена по зависимости

C C	(C	C	)3	t	п	/t .	(58)
1	1	0

Задача подтягивания соленых вод к водозабору из более глубоких частей пласта должна рассматриваться с учетом различия в плотности пресных и соленых вод. Гравитационный фактор препятствует подтягиванию купола соленых вод к эксплуатационной скважине, и «бессолевой» водосбор оказывается возможным. Для расче-

52

та возможного бессолевого дебита скважины можно использовать формулу Г.Б.Пыхачева [8]

Q K (m2 l2)/ ln

rк

,

(59)

п

rс

где = ( c – п)/ п; l – длина фильтра скважины; rк – расчетный радиус контура пласта; c и п – объемная масса соленых и пресных вод.

Аналитические методы расчета загрязнения подземных вод применимы для простых, в значительной степени схематизированных фильтрационных потоков. В сложных гидрогеологических условиях широко применяется графоаналитический метод расчета, который основан на использовании гидродинамических сеток движения подземных вод.

Расчет ведется по выделенным лентам тока последовательно, по отдельным секторам.

Время прохождения фронтом поршневого вытеснения каждого сектора

t	i	nl2	/K	H	,	(60)
		i	i	i

где li – длина сектора; Ki – коэффициент фильтрации пород i-го сектора; Нi – перепад напоров в пределах i-го сектора.

Суммарное время прохождения всей ленты тока оценивается как сумма элементарных промежутков ti.

Вычисления по отдельным лентам тока позволяют оценить расход загрязненных вод. По формулам смешения можно также определить суммарную концентрацию вещества в откачиваемых водозабором подземных водах.

4.3. Расчет зон санитарной охраны водозаборов

Зоны санитарной охраны (ЗCO) организуются на всех водозаборах подземных вод, вне зависимости от их ведомственной принадлежности. Основной целью создания ЗСО является санитарная охрана от загрязнения источников водоснабжения и водо-

53

проводных сооружений, а также территорий, на которых они расположены.

Всоответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1110-02 зоны санитарной охраны организуются в составе трех поясов:

1) первый пояс (пояс строгого режима) включает территорию расположения водозаборных скважин, площадок всех водопроводных сооружений и водопроводящего канала. Его назначение – защита места водозабора и водозаборных сооружений от случайного или умышленного загрязнения и повреждения;

2) второй и третий пояса (пояса ограничений) включают территорию, предназначенную для предупреждения загрязнения воды самих источников водоснабжения.

Предполагается, что второй пояс ЗСО служит для предупреждения бактериального (микробного) загрязнения, а третий пояс предназначен для защиты от химического загрязнения подземных вод.

Вкаждом из трех поясов ЗСО устанавливается специальный режим и определяется комплекс мероприятий, направленных на предупреждение возможного ухудшения качества воды.

Граница первого пояса ЗСО назначается нормативно. Граница первого пояса ЗСО устанавливается на расстоянии не менее 30 м от водозабора – при использовании защищенных подземных вод и на расстоянии не менее 50 м – при использовании недостаточно защищенных подземных вод.

К защищенным подземным водам относятся напорные и безнапорные межпластовые воды, имеющие в пределах всех поясов ЗСО сплошную водоупорную кровлю, исключающую возможность местного питания из вышележащих недостаточно защищенных водоносных горизонтов.

К недостаточно защищенным подземным водам относятся:

грунтовые воды – подземные воды первого от поверхности земли безнапорного водоносного горизонта, получающего питание на площади его распространения;

напорные и безнапорные межпластовые воды, которые в естественных условиях или в результате эксплуатации водозабора получают питание на площади ЗСО из вышележащих недостаточно

54

защищенных водоносных горизонтов через гидрогеологические окна или проницаемые породы кровли, а также из водотоков и водоемов путем непосредственной гидравлической связи.

Для водозаборов из защищенных подземных вод, расположенных на территории объекта, исключающего возможность загрязнения почвы и подземных вод, размеры первого пояса ЗСО допускается сокращать при условии гидрогеологического обоснования по согласованию с центром государственного санитарно - эпидемиологического надзора.

Размеры второго пояса ЗСО определяются специальными гидродинамическими расчетами. Расчеты ведутся по времени продвижения загрязнения от границы пояса до водозабора подземных вод. Расчеты проводят исходя из условий, что микробное загрязнение, поступающее в водоносный пласт за пределами второго пояса, не достигает водозабора за время, меньшее срока жизнедеятельности болезнетворных микробов или бактерий.

Основным параметром, определяющим расстояние от границ второго пояса ЗСО до водозабора, является время продвижения микробного загрязнения с потоком подземных вод к водозабору (Тм). При определении границ 2-го пояса время Tм принимается по данным табл.4.

Граница 3-го пояса ЗСО, предназначенного для защиты водоносного пласта от химических загрязнений, также определяется специальными гидродинамическими расчетами.

Размеры 3-го пояса ЗСО рассчитываются с использованием следующих методов:

1)метод нейтральных линий тока;

2)по времени прихода химического загрязнения к водозабору подземных вод;

3)по времени прихода к водозабору подземных вод предельно допустимой концентрации загрязняющего компонента.

При расчете по второму методу исходят из того, что время движения химического загрязнения к водозабору должно быть больше некоторого расчетного значения Тх. Величина Тх принимается равной сроку эксплуатации водозабора (обычный срок эксплуатации водозабора 25-30 лет). В большинстве случаев Тх = 104 сут.

55

		Таблица 4
Время Тм для расчета границ 2-го пояса ЗСО
	Тм, сут
Гидрогеологические условия	В пределах I и II	В пределах III
	климатических	климатическо-
	районов	го района
Недостаточно защищенные подземные воды	400	400
(грунтовые воды, а также напорные и безна-
порные межпластовые воды, имеющие непо-
средственную гидравлическую связь с откры-
тым водоемом)
Защищенные подземные воды (напорные и	200	100
безнапорные межпластовые воды, не имею-
щие непосредственной гидравлической связи
с открытым водоемом)

Если запасы подземных вод оцениваются на неограниченный срок эксплуатации водозабора, 3-й пояс должен обеспечить соответственно более длительное сохранение качества подземных вод. В этом случае оценка 3-го пояса ЗСО проводится с использованием нейтральной линии тока.

При расчете по 3-му методу (по времени прихода к водозабору подземных вод ПДК загрязняющего компонента) учитывают, что время подхода ПДК химического загрязнения не превышает Тх.

Определение границ 2-го и 3-го поясов ЗСО подземных источников водоснабжения для различных гидрогеологических условий проводят в соответствии с методами специальных гидрогеологических расчетов.

При расчетах размеров 2-го и 3-го поясов ЗСО обычно используют схемы «поршневого вытеснения» для конвективного переноса химически нейтральных, стабильных, несорбируемых компонентов. Для этих компонентов размеры зон будут максимальны.

Для неограниченных пластов при квазистационарном режиме движения

56

r	Q	t ,	(61)
	nm
где r – расстояние; Q – расход водозаборной скважины; t			– время;
n – пористость; m – мощность водоносного горизонта.

Для расчета 2-го пояса ЗСО t Tм (табл.4), а для вычисления размеров 3-го пояса ЗСО t Tх .

При расчетах групповых водозаборов, заменяемых «большим колодцем», в большинстве случаев вычисления проводят от наиболее нагруженной водозаборной скважины, и Q принимается равной суммарной производительности всех взаимодействующих скважин.

Если площадной водозабор имеет значительные размеры, границы 2-го и 3-го поясов ЗСО могут быть измерены от крайних водозаборных скважин. При этом также расчетный расход в формуле (61) принимается равным суммарной производительности скважин «большого колодца».

При расчетах эксплуатационных запасов подземных вод на неограниченно долгий срок границы ЗСО определяются по методу нейтральных линий тока.

Как известно, нейтральной линией тока называется такая линия, которая отделяет область, из которой подземные воды обязательно попадут к водозабору, от остальной территории, из которой подземные воды никогда (даже при t ) не попадут к водозаборным скважинам. По существу, нейтральная линия тока определяет область захвата подземных вод эксплуатируемым водозабором.

Для неограниченного пласта в стационарном режиме при на-

личии естественного потока интенсивности qe					уравнение нейтраль-
ной линии тока имеет следующий вид:
x		y		,	(62)
		2 q
	tg(	e	y)

Q

где Q – расход водозабора; x, y – координаты (координатные оси проводятся из центра скважины, причем ось ОХ проводится на-

57

встречу естественному подземному потоку, а ось ОY – перпендикулярно этому потоку).

Подчеркнем, что нейтральная линия тока, описываемая уравнением (62), существует только при наличии естественного подземного потока, т.е. при qe 0.

Время прихода частиц жидкости, располагающихся на оси ОХ, может быть определено по зависимости следующего вида:

nm

Q

2 q

e

t

x

ln 1

x

.

(63)

q

2 q

Q

e

e

Длячастиц, находящихсяна осиOY, время прихода кводозабору

Qnm

2 q

e

t

ln

cos

y

.

(64)

2

Q

2 qe

В сложных гидрогеологических условиях для расчетов ЗСО служат графоаналитические способы или численное моделирование.

5. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТИПОВ МПВ

5.1. Месторождения подземных вод, пригодных для хозяйственно-питьевого и технического

водоснабжения

Среди месторождений этого целевого назначения наиболее широко распространены месторождения, приуроченные к речным долинам.

По особенностям строения выделяют современные речные долины (долины горных, равнинных областей и предгорий) и погребенные, которые могут совпадать с современными или не быть с ними связаны.

Для речных долин горных областей характерно наличие подземного потока, совпадающего с направлением поверхностного стока, при этом уклоны подземных вод практически совпадают

58

с уклонами зеркала поверхностных вод. Для долин равнинных областей характерны подземные потоки, имеющие часто направление, перпендикулярное направлению движения воды в реке. Гидравлические градиенты подземного потока обычно относительно невелики.

По типу водовмещающих пород МПВ в речных долинах различают месторождения в аллювиальных отложениях и трещинных и трещинно-карстовых породах.

По условиям взаимосвязи с поверхностными водами МПВ в речных долинах подразделяются на МПВ, имеющие совершенную связь с рекой, и МПВ, отделенные от рек слабопроницаемыми отложениями.

По геологическому строению МПВ в речных долинах первого типа аллювиальных отложений делятся на два подтипа: МПВ в речных долинах, в которых эксплуатируется первый от поверхности водоносный горизонт, и МПВ в долинах, где эксплуатируемый водоносный горизонт с высокими фильтрационными свойствами отделяется от поверхностного водотока водоносным горизонтом с худшими фильтрационными свойствами.

Для МПВ, находящихся в речных долинах, где основные водоносные горизонты отделены от рек слабопроницаемыми отложениями, возможны две схемы питания:

1)слабопроницаемые отложения полностью изолируют водоносный горизонт и, следовательно, отбор подземных вод возможен лишь за счет осушения части эксплуатируемого горизонта;

2)изоляция проявляется в основном в меженный период (в этот период подземные воды эксплуатируются аналогично первой схеме), в то время как в паводок наблюдается отчетливая гидравлическая связь подземных и поверхностных вод (при этом осушенная часть водоносногогоризонта пополняется вновь поступившими водами).

Обобщая сказанное о различных типах МПВ в речных долинах, можно выделить следующие главные особенности данного типа МПВ:

длина долины, как правило, гораздо больше ее ширины;

наличие свободной поверхности подземных вод, безнапорный режим фильтрации;

59

относительно небольшая глубина залегания подземных вод (5-10 м);

значительная изменчивость мощности и фильтрационных свойств водовмещающих пород;

связь режима подземных вод в той или иной степени с режимом поверхностных вод.

МПВ в широких речных долинах распространены преимущественно в областях краевых прогибов геосинклинальных зон или

вкрупных горных депрессиях, где они формируются в крупных речных долинах с широким фронтом потока.

МПВ в узких долинах встречаются на Урале (в долинах рек Уфы, Самары, Урала и др.). В этих долинах поверхностный сток действует постоянно и с большими расходами.

Основные источники формирования эксплуатационных запасов подземных вод для месторождений данного типа следующие: привлечение части поверхностного стока (привлекаемые ресурсы); осушение части водоносного горизонта (естественные запасы); поступление подземных вод из нижележащих горизонтов за счет перетекания (привлекаемые ресурсы) или со стороны коренного склона (естественные ресурсы); увеличение доли инфильтрующихся атмосферных осадков (привлекаемые ресурсы).

Другим промышленно важным типом месторождений вод хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения являются МПВ артезианских бассейнов, подразделяемые на месторождения платформенного и геосинклинального типа.

Главными особенностями МПВ артезианских бассейнов платформенного типа являются: этажность геологического строения, четко выраженная слоистость, наличие гидрохимической зональности, относительно большие площади распространения, глубины залегания и мощности водоносных горизонтов. В этих месторождениях воды, как правило, напорные, часто с самоизливом.

Для МПВ бассейнов геосинклинального типа характерны относительно небольшие площади распространения водоносных горизонтов и влияние границ области фильтрации на процессы движения подземных вод (например, осушение краевой зоны в процессе работы водозабора подземных вод).

60