Методика поисково-разведочных работ

В разведке месторождений пресных подземных вод выделяют три стадии: а) предварительная, б) детальная, в) эксплуатационная разведка.

Предварительная разведка. На стадии предварительной разведки должны быть определены общие масштабы месторождения, возможность удовлетворения заявленной потребности в воде, а также (в предварительном виде) условия промышленной его отработки.

В процессе изучения месторождения на стадии предварительной разведки рекомендуется выполнить следующие основные виды гидрогеологических работ:

Детальная гидрогеологическая съемка участка предварительной разведки (площадь, на которой впоследствии разместится водозаборное сооружение). Масштаб съемки от 1:5000 до 1:25000 в зависимости от площади и степени сложности месторождения.

Бурение гидрогеологических скважин на площади предварительной разведки, включает проходку разведочных и наблюдательных скважин.

Опытно-фильтрационные работы (одиночные и кустовые откачки из разведочных скважин).

Опробование подземных вод.

Изучение режима подземных и поверхностных вод.

Камеральная обработка материалов, которая является завершающим этапом предварительной разведки месторождений подземных вод.

Детальная разведка. Главная задача гидрогеологических работ, на стадии детальной разведки, состоит в обосновании проекта строительства и рациональных условий эксплуатации будущего водозаборного сооружения. Для решения этой задачи на участках будущего водозабора эксплуатационные запасы подземных вод должны быть разведаны с детальностью, обеспечивающей подсчет запасов с учетом заданного количества воды на ближайший период по категориям А и В. Для удовлетворения на перспективу должны быть выявлены запасы с оценкой их не ниже категории С1.

Эксплуатационная разведка. Основными задачами ее являются: 1) стационарный надзор за режимом эксплуатации подземных вод на водозаборном участке (дебит водозаборных скважин и величина допустимого понижения уровня подземных вод); 2) изучение условий формирования депрессионной воронки подземных вод на площади влияния водозаборного сооружения; 3) исследование характера изменения качества подземных вод в годовом и многолетнем разрезе; 4) уточнение гидрогеологических параметров продуктивного водоносного горизонта; 5) периодическая переоценка эксплуатационных запасов подземных вод; 6) изучение техногенных процессов; 7) диагностика эксплуатационных скважин для определения их технического состояния, в том числе состояния фильтров водозаборных скважин; 8) доразведка флангов месторождения с целью приращения эксплуатационных запасов подземных вод на водозаборном участке (для удовлетворения перспективной потребности в воде); 9) выявление возможности искусственного восполнения эксплуатационных запасов подземных вод; 10) проведение сравнительной оценки гидрогеологических данных разведки и результатов эксплуатации.

Для решения этих задач на стадии эксплуатационной разведки на водозаборном участке целесообразно проводить следующий комплекс гидрогеологических и инженерно-геологических работ.

Стационарные наблюдения за режимом эксплуатации подземных вод.

Инженерно-геологические исследования на участках дейтвующих водозаборов.

Бурение гидрогеологических и наблюдательных скважин.

Геофизические работы в скважинах.

Камеральная обработка материалов для систематизации поступающих данных и составления отчетов.

Задачи гидрогеологических исследований

Важное место по своему значению при разведке и эксплуатации месторождений подземных вод занимают гидрологические исследования, изучение режима и качества подземных вод.

Гидрологические исследования, изучающие естественный режим поверхностного стока, обычно проводятся при поисках и разведке тех месторождений, на площади которых подземные воды имеют тесною гидравлическую связь с поверхностными водами, когда последние являются основным источником формирования эксплуатационных запасов на выбранное под разведку участке. В таких природных условиях гидрологические работы приобретают важное значение. При изучении конкретных месторождений в состав гидрологических исследований должны входить следующие виды работ.

Сбор, обобщение и анализ материалов, характеризующих режим поверхностного стока, в том числе обобщение данных наблюдений, которые проводятся организациями специализированной Государственной гидрометеорологической службы РФ.

Полевые (дополнительные) гидрологические исследования непосредственно по площади месторождения в период его разведки.

В процессе исследований по первому направлению необходимо представить характеристику режима поверхностного стока реки в многолетнем разрезе - расход и его изменения во внутри годовом и многолетнем циклах, температурный режим, режим паводковых и минимальных расходов реки, качество и санитарно-бактериологическое состояние поверхностных вод. При разведке участков под водозаборные сооружения инфильтрационного типа, как следует из требований Инструкции ГКЗ РФ, очень важно установить по результатам многолетних исследований внутри годовое распределение стока, в том числе минимальный средний за 30-ти суточный период расход для года 85, 90 или 95 %-ной обеспеченности. При этих расчетах необходимо сохранить в долине реки минимальный санитарный расход, значение которого должно быть согласовано с местными санитарно-эпидемиологическими станциями и органами по регулированию использования и охраны водных ресурсов.

На некоторых месторождениях подземных вод, приуроченных к речным долинам, могут быть созданы водозаборные участки, режим которых рассчитан на периодическую сработку естественных запасов в водоносных аллювиальных образованиях или в коренных породах с последующим их восполнением в период прохождения в реке паводка. При разведке таких водозаборных участков в процессе гидрологических исследований необходимо установить продолжительность маловодного периода реки, в течение которого суммарный (проектный) дебит будущего водозабора будет превышать расход поверхностных вод, поступающих на питание подземных вод. При таких и других гидрологических условиях по результатам обобщения материалов требуется определить внутригодовое распределение поверхностного стока для 95 %-ной обеспеченности, 50 %-ной обеспеченности и того периода, в течение которого на месторождении были проведены гидрологические исследования.

В тех случаях, когда непосредственно по площади месторождения отсутствуют многолетние гидрологические наблюдения или недостаточно материалов для общей характеристики стока в многолетнем разрезе, целесообразно провести сбор и обобщение материалов по близко расположенным к месторождению рекам - аналогам.

В этом случае необходимо произвести пересчеты полученных результатов применительно к изучаемому объекту по разработанной в гидрологии методике.

Кроме сбора и обобщения материалов, ранее проведенных работ, на месторождениях проводятся дополнительные специальные полевые исследования. В комплекс дополнительных полевых гидрологических работ должно входить:

проведение наблюдений за режимом уровня поверхностных вод непосредственно на площади разведочного участка;

наблюдения за температурой воды; определение расходов реки (на небольших реках), когда минимальный ее расход соизмерим с производительностью будущего водозабора;

изучение химического состава поверхностных вод и их мутности; изучение проявления русловых процессов (интенсивность переработки берегов во время прохождения паводков), площади затопления паводковыми водами, ледовых явлений.

Для выполнения перечисленных выше работ на площади месторождения должна быть оборудована специальная сеть (гидрометрические посты, каптаж родников) для режимных наблюдений. Так как гидрологические данные являются очень важной информацией для оценки эксплуатационных запасов подземных вод на участках, где проектируются инфильтрационные водозаборные сооружения, гидрологические исследования необходимо начинать в стадию поисковых работ и продолжать их до завершения полного цикла разведочных работ (более 3-5 лет). Это позволит представить более достоверную характеристику режима поверхностного стока.

При разведке месторождений подземных вод гидрологические исследования по своему содержанию и значению являются весьма важными. Результаты таких исследований являются одной из основных информации, которая по существу предопределяет количественную и качественную оценку собственно эксплуатационных запасов подземных вод разведочного участка.



ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПОИСКОВО- РАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Методика поисков, разведки и оценки эксплуатационных запасов на месторождениях пресных подземных вод непромышленного типа сравнительно проста. При наличии общих гидрогеологических данных по тому или иному району, где могут быть распространены мелкие месторождения, сущность их разведки состоит в бурении одной или двух разведочных скважин для непосредственного вскрытия водоносного горизонта. Затем на скважинах, как правило, проводятся опытно-фильтрационные работы, главным образом для установления характера зависимости между дебитом выработки и понижением в ней динамического уровня Q - f (S).

По характеру зависимости, установленной опытным путем, простыми аналитическими расчетами или графически (путем экстраполяции графика Q - f(S) можно определить максимально возможный дебит разведочной скважины. Если этот дебит удовлетворяет заявленную потребность в воде небольшого хозяйственного объекта, то, по существу, задачу по разведке источника водоснабжения можно считать решенной положительно.

3.1 Методика разведки месторождений напорных вод на площади межгорных артезианских массивов

Месторождения этой группы, несмотря на разнородность гидродинамических условий (напорных, напорно-безнапорных и безнапорных), достаточно однотипны по гидрогеологическому строению и условиям формирования эксплуатационных запасов подземных вод. Поэтому лишь условно эту группу месторождений подземных вод можно подразделить:

предгорные бассейны, включая артезианские склоны, конусы выноса и пролювиальные шлейфы;

межгорные бассейны, включая замкнутые впадины или межгорные долины.

Предгорные бассейны содержат часто огромные запасы подземных вод и поэтому имеют большое практическое значение. Сложены они щебнистым и галечниковым материалом, который по мере удаления от гор все более и более расчленяется прослоями глин и суглинков на несколько обычно хорошо гидравлически взаимосвязанных и невыдержанных по площади водоносных горизонтов. Безнапорные условия сменяются напорными, чаще всего увеличивающимися с глубиной напорами. Мощность отложений увеличивается по мере удаления от гор и может составить несколько сотен метров. Минерализация воды возрастает с глубиной и по мере удаления от гор.

Эксплуатационные запасы подземных вод в предгорных бассейнах формируются за счет перехвата естественной разгрузки, фильтрационных потерь из оросительных каналов и на массивах орошения, перетекания и в меньшей степени за счет инфильтрационного питания и осушения пласта.

Принимая во внимание, что водоносные прослои в указанных многослойных толщах, как правило, не выдержаны ни в плане, ни в разрезе, чаще всего маломощны и гидравлически тесно взаимосвязаны, эксплуатационные скважины обычно закладывают сразу на несколько (от двух до пяти) водоносных горизонтов или прослоев. В единой колонне с фильтрами на разные водоносные горизонты (прослои) производятся опытные опробования в период поисков и разведки месторождений.

Другой особенностью эксплуатации является линейное расположение эксплуатационных скважин, что определено стремлением перехватить либо поток, направленный от предгорий к долине по крупным или слившимся конусам выноса и предгорным шлейфам, либо фильтрационные потери из рек, выходящих из гор на предгорную равнину. В соответствии с этим водозаборы закладываются параллельно горам (вдоль основной долины), реже - поперек основной долины и вдоль ее притоков. Ввиду частой засоленности и загрязненности грунтовых вод основными эксплуатируемыми горизонтами являются напорные.

Граничные условия в зависимости от размеров водозабора и его местоположения могут быть различными. При сравнительно малом водоотборе, а также в силу значительной водообильности отложений и обильном естественном и искусственном питании подземных под воронка депрессии развивается в пределах ограниченных площадей. В этих случаях наблюдательная сеть может создаваться так же, как и в артезианских бассейнах, по схеме неограниченного изолированного пласта или по схеме с перетеканием.

При расположении водозабора вблизи выклинивания водоносного горизонта (замещения его слабопроницаемыми осадками, например, при сочленении аллювиально-пролювиальных и коренных отложений), наблюдательная сеть должна создаваться как для "полуограниченного" пласта с контуром постоянного напора на границах.

При расположении водозабора вблизи границы частичного выклинивания предгорного потока подземных вод основной створ из двух - трех скважин оборудуется перпендикулярно к этой границе. Организуются наблюдения и за родниками в зоне выклинивания в целях оценки их инверсии, а также за расходами рек, за счет которых идет питание подземных вод. Минимум одна скважина закладывается в зоне возможного снятия испарения.

Межгорные артезианские бассейны тесно связаны с предгорными, являясь их продолжением. Подразделение на межгорные и предгорные бассейны условно и эти группы месторождений подземных вод часто изучаются и используются одновременно. Сложены они гравийно-галечниковыми отложениями, разделенными не выдержанными в плане и разрезе суглинистыми отложениями содержащими гравий и гальку и являющиеся относительными водоупорами. Поэтому все водоносные прослои представляют собой единый водоносный комплекс. В отдельных случаях (Араратская долина) гравийно-галечниковые отложения подстилаются высокопроницаемыми коренными (лавовыми) отложениями, содержащими мощные водоносные горизонты, гидравлически взаимосвязанные с вышележащим гравийно-галечниковым водоносным комплексом.

Поскольку эксплуатационные скважины чаще всего оборудуются фильтрами сразу на несколько водоносных горизонтов, наблюдательные скважины должны иметь одинаковую с ними конструкцию. Размещаются они по тем же принципам, что и для артезианских бассейнов платформенного типа в условиях перетекания: одна скважина в центре водозабора, вторая - на расстоянии 1м, третья - на расстоянии 1,5м при групповом расположении и 0,5м при линейном. Лучи скважин закладываются в крест и вдоль потока.

Принимая во внимание часто большие размеры водозаборов (длина которых достигает нескольких километров, что соизмеримо с шириной долины), а также интенсивную рассредоточенную по площади эксплуатацию подземных вод одиночными скважинами, заложенными на различные горизонты. Наблюдательную сеть на отдельных водозаборах надо сочетать с наблюдениями за режимом подземных вод по всей межгорной впадине или долине в целом. В этом случае региональные створы наблюдательных скважин должны быть расположены поперек долины кустами на каждый из основных водоносных горизонтов зоны активного водообмена, включая грунтовые воды.

Учитывая возможную взаимосвязь пресных водоносных горизонтов с нижележащими минерализованными водами, в тех случаях, когда это имеет значение, одиночные наблюдательные скважины закладываются дополнительно на эти горизонты.



3.2 Методика разведки трещинно-жильных месторождений

Месторождения трещинно-жильных вод характерны преимущественно для районов горно-складчатых областей, где сложно дислоцированные толщи пород часто поражаются крупными тектоническими нарушениями, в том числе глубокого заложения и очень сложного строения. В платформенных областях месторождения этого типа встречаются реже.

Наиболее крупные месторождения трещинно-жильных вод в горно-складчатых областях нередко приурочены к региональным тектоническим нарушениям краевых частей горных сооружений, прослеживающихся по простиранию на расстояния в несколько сотен километров.

Более широкое распространение в геосинклинальных областях имеют месторождения трещинно-жильных вод, формирование которых наблюдается в зонах тектонических нарушений внутрискладчатых структур (простые и сложные сбросы или надвиги нередко глубокого заложения). Месторождения такого типа встречаются на Урале, в Средней Азии, Казахстане и других областях, где ресурсы трещинно-жильных вод используются для организации водоснабжения городов и промышленных предприятий. Формирование подземных потоков трещинно-жильных вод, таким образом, связано со структурными особенностями тектонических нарушений, с условиями образования в этих структурах физической среды, благоприятной для накопления и циркуляции подземных вод. Разведка трещинно-жильных вод и осушения горных выработок на горнорудйых предприятиях показывает, что в зонах тектонических нарушений, поражающих такие горные породы, как сланцы, филлиты, эффузивы, роговики и им подобные, обычно формируются весьма ограниченные запасы трещинно-жильных вод, не имеющие промышленного значения. Поэтому такие месторождения вод по своим эксплуатационным возможностям не могут быть использованы для организации централизованного водоснабжения крупных объектов. Формируясь в пределах зон тектонических нарушений, подземные потоки трещинно-жильных вод при благоприятных условиях выходят на дневную поверхность в виде восходящих родников. Родники обычно фиксируются по простиранию тектонических нарушений линейно-вытянутой цепочкой, являясь своего рода поисковым критерием для обнаружения месторождений.

Месторождения трещинно-жильных вод отличаются следующими гидрогеологическими особенностями.

Имеют линейно-вытянутую форму залегания в виде узких потоков подземных вод.

Трещинно-жильные воды циркулируют на относительно большой глубине, измеряемой иногда сотнями метров, и в связи с этим часто имеют повышенную температуру (нередко на месторождении формируются термальные воды).

Область питания трещинно-жильных вод расположена вдоль зоны тектонического нарушения непосредственно во вмещающих горных породах.

На месторождении формируются преимущественно естественные ресурсы трещинно-жильных вод, ввиду ограниченной свободной емкости водовмещающей среды естественные запасы трещинно-жильных вод обычно весьма незначительные. Главная гидрогеологическая особенность месторождений трещинно-жильных вод заключается в сложности формирования фильтрационного потока, контуры которого, как и фильтрационные свойства пород, обычно резко изменяются как по простиранию, так и по падению тектонического нарушения. В связи с этим оценку эксплуатационных запасов трещинно-жильных вод при их разведке приходится производить по данным длительных пробно-эксплуатационных откачек (гидравлическим методом).

3.3 Методика разведки месторождений трещинно-карстовых вод

Эти месторождения характеризуются наибольшим разнообразием и сложностью геолого-гидрогеологических условий. Приурочены к трещинно-карстовым коллекторам. Их аналоги в терригенных пластах практически отсутствуют.

В процессе разведочных работ на месторождениях указанного типа особое внимание следует уделять балансу подземных вод, так как он имеет решающее значение для оценки эксплуатационных запасов.

Прогнозная стадия заключается в выявлении по фондовым материалам характерных для изучаемого района геолого-гидрогеологических и генетических признаков, благоприятствующих образованию повышенной трещиноватости и закарстованности, а также формированию естественных ресурсов подземных вод. В результате должны быть выбраны площади с благоприятными геологическими признаками для формирования месторождений подземных вод. В хорошо изученных районах может быть выполнена прогнозная региональная оценка запасов.

На поисковой стадии необходимо выбрать участки, которые действительно характеризуются повышенной трещиноватостью, закарстованностью и благоприятными условиями питания подземных вод, а также ориентировочно оценить возможный масштаб эксплуатационных запасов месторождения.

При этом должны быть:

выделены участки и зоны развития водоносных пород с повышенными фильтрационными свойствами и определена возможная производительность скважин;

установлена глубина развития интенсивной трещиноватости и закарстованности водовмещающих пород;

ориентировочно оконтурена площадь развития пород повышенной трещиноватости и закарстованности;

определены мощность, литологический состав и характер обводненности отложений, перекрывающих трещшшо-карстовый горизонт;

установлен характер обводненности пород, окружающих месторождение;

качественно определены основные источники формирования эксплуатационных запасов, дана их ориентировочная количественная оценка преимущественно по аналогии и на основании общих геолого-гидрогеологических данных;

получены сведения о меженных расходах родников;

предварительно охарактеризован гидрологический режим поверхностных водотоков;

установлена вертикальная и площадная гидрохимическая зональность.

С этой целью проводится крупно- или среднемасштабная гидрогеологическая съемка (масштаб определяется размерами месторождения). Съемка сопровождается площадными геофизическими работами, бурением и опробованием поисковых скважин.

На стадии предварительной разведки должны быть изучены основные факторы, определяющие величину эксплуатационных запасов месторождения, с полнотой, позволяющей дать количественную оценку запасов:

проведено оконтуриваиие месторождения, т. е. выявлены границы структур или зон с повышенной трещиноватостью и закарстовашюстью;

определены фильтрационные свойства водовмещающих пород и закономерности изменения их по площади;

проведена оценка изменения фильтрационных свойств водовмещающих пород с глубиной для определения интервалов основных водопритоков и величины допустимого понижения уровня;

определены естественные ресурсы подземных вод и дана количественная оценка всех приходных и расходных статей баланса;

при наличии водоносных горизонтов в отложениях, перекрывающих месторождение, изучены их мощность, состав, емкостные и фильтрационные свойства, условия взаимосвязи с основным горизонтом, мощность и литологический состав водоупорных прослоев и пород зоны аэрации;

изучен характер водоносности окружающих месторождение пород и их фильтрационные свойства.

В процессе предварительной разведки изучаются только те факторы, которые определяют величину эксплуатационных запасов в пределах данного месторождения и непосредственно учитываются при подсчете запасов. Если месторождение приурочено к резко не равномерно трещиноватым породам в зонах тектонических нарушений, где оценка запасов выполняется гидравлическим методом, то определение фильтрационных свойств водовмещающих пород не проводится.

При разведке месторождений, связанных с реками, проводится тот же комплекс работ, что и в речных долинах, однако поперечники скважин разбуриваются через все месторождение. Для обоснования выбора участка будущего водозабора значительную помощь могут оказать площадные геофизические исследования. Гидрометрические посты на реках обязательно оборудуются на входном и замыкающем месторождение створах.

На месторождениях, не связанных с реками, существенное внимание уделяется балансово-гидрометрическим исследованиям (определение величины инфильтрации атмосферных осадков, испарения, транспирации растительностью). Для этого целесообразно организовать специальные стоковые площадки для определения величины инфильтрации атмосферных осадков.

Для оконтуривания зон повышенной трещиноватости и закарстованности, а также выбора точек для заложения буровых скважин осуществляются площадные геофизические исследования. Преимущественно геофизическими методами в скважинах изучается изменение фильтрационных свойств водовмещающих пород в разрезе.

В ряде случаев вследствие значительной сложности гидрогеологических условий месторождения рекомендованный комплекс работ не позволяет решить задачу предварительной разведки (определение запасов), особенно для локализованных зон повышенной трещиноватости и зон тектонических нарушений. Запасы в таких условиях могут быть оценены только гидравлическим методом по данным опытно-эксплуатационных откачек. Поэтому в подобных случаях предварительная и детальная разведки сливаются в единую стадию, которая заканчивается опытно-эксплуатационной откачкой с расходом, по возможности близким к проектному.

На стадии детальной разведки, как обычно, проводится обоснование проекта водозабора. Поэтому на месторождениях с резко неравномерной трещиноватостью бурение разведочных скважин осуществляется в каждой проектной точке будущего водозабора. Во всех скважинах должна быть обоснована глубина допустимого понижения уровня. На месторождениях с неравномерной трещиноватостью и закарстованностью и сложными условиями питания и разгрузки (особенно при не явно выраженной разгрузке) помимо бурения одним из основных видов работ является опытно-эксплуатационная откачка. Кроме того, при детальной разведке продолжаются стационарные гидрологические, гидрогеологические и балансовые исследования, в том числе и на действующих водозаборах.

В зависимости от основных источников формирования запасов их величина в рассматриваемых условиях определяется разными факторами и с различной степенью достоверности.

3.4 Расчетные схемы водозаборов подземных вод

При схематизации водоносных пластов для расчетных целей необходимо учитывать расположение водозаборных сооружений относительно границ водоносных пластов, поскольку этим будет определяться степень влияния последних. С этой точки зрения можно представить себе такие случаи:

а) водозаборные сооружения настолько удалены от границ, что их влиянием можно вовсе пренебречь;

б) водозаборные сооружения находятся вблизи одной какой-либо границы пласта, другие же границы находятся на весьма значительном расстоянии и могут не учитываться;

в) водозаборные сооружения ввиду небольших размеров пласта находятся в зоне влияния его границ с нескольких сторон.

Исходя из этого представляется возможным выделить следующие типовые расчетные схемы:

1. Пласт весьма больших размеров («неограниченный пласт»). На границах пласта в процессе эксплуатации водозаборного сооружения сохраняется постоянный напор или постоянный расход q = const или Н = const.

2. Пласт, ограниченный одним прямолинейным контуром («полуограниченный пласт»):

а) на контуре пласта задан постоянный напор H=const;

б) на контуре пласта задан постоянный удельный расход Q = const или в частном случае непроницаемого контура Q = 0.

3. Пласт, ограниченный двумя прямолинейными контурами, пересекающимися под прямым углом («пласт-квадрант»);

а) на обоих контурах задан напор Н = const;

б) на обоих контурах задан расход Q = const или в частном случае непроницаемых контуров Q = 0;

в) на одном контуре задан напор Н = const, а на, другом расход Q = const или Q = 0.

4. Пласт, ограниченный двумя прямолинейными параллельными контурами («пласт-полоса»):

а) на обоих контурах Н = const;

б) на обоих контурах Q = const или Q = 0;

в) на одном контуре Н = const, а на другом Q = const или Q = 0.

5. Пласт, ограниченный сложным по очертаниям контуром, который в схеме можно привести к круговому (такое приведение осуществляется по равенству площадей):

а) на контуре напор является постоянным Н = const;

б) со стороны контура поступает постоянный расход или в частном случае расход равен нулю (Q = const или Q = 0).

В качестве начальных условий во всех указанных случаях обычно принимается то или иное распределение напора подземных вод в естественных условиях (до начала эксплуатации водозаборных сооружений). В отдельных случаях условия на границах могут быть выражены как функции времени.

При оценке эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения - Qэ - следует исходить из следующих условий:

1. К концу расчетного периода эксплуатации подземных вод tэ понижение динамических уровней в скважинах sЭ зависит от Q, tэ а также от числа скважин п и расстояний между ними l. Это условие в общем виде можно записать как

(3.1)

2. Число скважин и межскважинные расстояния зависят от площади рассматриваемого района, пласта или его части F. В общем виде это условие имеет вид

(3.2)

В случае размещения скважин по квадратной сетке условие имеет вид

(3.3)

В случае расположения скважин прямолинейными рядами

(3.4)

где р1 - число рядов скважин;

L0 - расстояние между рядами; p2 - число скважин в ряду; l-расстояние между скважинами.

При сложных геологических условиях (неоднородных водоносных породах) схема размещения скважин часто оказывается тоже очень сложной, и пользуются соответствующими графическими схемами.

В качестве самого распространенного примера месторождений подземных вод горно-складчатых областей рассмотрим расчеты водозаборов в условиях однородного пласта, ограниченного одним прямолинейным контуром. Рассмотрим действие скважин в пластах, ограниченных прямолинейным контуром с постоянным напором или непроницаемым контуром. Наиболее распространены водозаборы в долинах рек, конусах выноса предгорных шлейфов и другие.

При действии скважин в полуограниченном пласте по истечении более или менее длительного времени внешний контур может оказывать заметное влияние на понижение уровня в скважинах, что необходимо учитывать при расчетах.

Одиночная скважина

В основу вывода расчетных формул в данном случае положено уравнение источника с постоянной интенсивностью, являющегося моделью скважины с постоянным расходом. Используя это уравнение по методу «зеркальных отображений» источников можно получить решение для пласта, ограниченного одним прямолинейным контуром.

Для этого необходимо в месте расположения скважины поместить линейный источник с интенсивностью Q и вне рассматриваемого пласта, на том же расстоянии от прямолинейного контура X поместить другой воображаемый линейный источник той же интенсивности Q.

Воображаемый источник является «зеркальным отображением» реального источника. При этом в случае постоянного напора на контуре пласта интенсивность воображаемого источника должна быть отрицательной (Q<0); через воображаемый источник как бы производится нагнетание воды в пласт, что обеспечивает постоянство напора на контуре и увеличивает фильтрацию воды к реальной скважине со стороны контура.

При наличии непроницаемого контура интенсивность воображаемого источника должна быть положительной (Q>0); предполагается, что в этом случае из воображаемого источника производится откачка воды и тем самым погашается фильтрация воды к реальной скважине со стороны контура.

Складывая напорные функции двух скважин - источников (действительной и воображаемой), находим выражение для гидравлического сопротивления R:

(3.5)

Знак «-» соответствует контуру с постоянным напором, а знак « + » непроницаемому контуру.

В формулах расстояние от точки, в которой определяется понижение уровня, до реальной скважины, расстояние от той же точки до воображаемой скважины, а - координата точки расположения скважины (начало координат принято в точке 0 на контуре).

При близком расположении водозаборов от реки время, формула определения понижения уровня непосредственно в скважине радиусом r=r0 приобретает широко известный вид



(3.6)

Для пласта, ограниченного непроницаемым контуром, при r2/4at <0,1 гидравлическое сопротивление выражается следующим jбразом:

(3.7)

При r=r0, т. е. при определении понижения в скважине,

(3.8)

Взаимодействующие скважины

При откачке воды из группы, состоящей из п любым образом расположенных скважин с постоянными дебитами в полуограниченном пласте, величина R определится из зависимости, получаемой на основе уравнения (3.5) по методу наложения течений (рис. 4).



Рис. 4 - Группа скважин, любым образом расположенных в полуограниченном пласте

При <0,1 ( - расстояние до максимально удаленной реальной скважины), будем иметь:

(3.9)

Знак «-» в формулах принимается для контура с постоянным напором и знак « + » для непроницаемого контура.

При длительной эксплуатации скважин, когда <0,1 (piмакс - расстояние до наиболее удаленной воображаемой скважины), получаем:

для пласта, ограниченного контуром с постоянным напором.

(3.10)

а для пласта, ограниченного непроницаемым контуром,

(3.11)

(3.12-3.13)

При одинаковых дебитах скважин

(3.14-3.15)

Здесь rs - расстояние от точки, в которой определяется понижение уровня, до реальной скважины, имеющей номер s. При определении понижения непосредственно в этой скважине за rs принимается ее радиус (rs=r0). В данном случае величина rs представляет собой «расчетный радиус водозабора», равный радиусу некоторого «большого колодца», имеющего тот же дебит, что и группа скважин, и то же понижение уровня, что расчетная скважина, a ps -удвоенное расстояние того же большого колодца от контура пласта.

При рассмотрении закономерно располагающихся групп скважин в полуограниченном пласте представляет интерес сопоставление двух основных схем:

а) параллельного расположения (по отношению к контуру);

б) поперечного.

Если пласт ограничен контуром питания, то в этом случае, так же как и при установившемся движении, наиболее равномерная сработка запасов подземных вод (с минимальной разницей понижений в центральной и крайней скважинах группы) достигается в схеме параллельного расположения. При этом чем ближе скважины находятся к контуру питания, тем в меньшей мере сказывается взаимное влияние их друг на друга. При наличии же непроницаемого контура более предпочтительной с этой точки зрения является схема поперечного расположения: влияние взаимодействия сказывается здесь в меньшей мере, чем в случае расположения скважин параллельно непроницаемому контуру.

Другим распространенным примером служит площадная система скважин, проектируемых на большом удалении от гидродинамических границ, или условиях «неограниченного» пласта. Для приближенного расчета площадных систем используют идею "большого колодца", под которым понимается одна-единственная скважина с большим радиусом  , эквивалентная всей системе, т.е. имеющая тот же суммарный дебит и дающая те же понижения в области влияния.

Система состоит из скважин с разными дебитами и разным временем ввода в действие для каждой скважины (рис. 5).

Рис. 5 - Схема площадного водозабора

Определим по принципу сложения решений понижение уровня в некоторой точке  в момент t, полагая, что расчетное время достаточно для наступления квазистационарного режима в точке :



(введем долевые коэффициенты дебита )

. (3.16)

Учитывая, что , а две подчеркнутые группировки однородных членов можно свернуть по свойствам логарифма:

, (3.17)

, (3.18)

получим окончательное выражение в виде:

. (3.19)

Видно, что полученное выражение для по форме аналогично действию одной скважины, находящейся на расчетном расстоянии от точки и действующей с суммарным дебитом в течение расчетного времени . Такая скважина и называется "большим колодцем". В частном случае равнодебитных скважин (  ) долевые коэффициенты также равны между собой

;



Очевидно, что при такой методике расчета физическое положение "большого колодца" в принципе безразлично; важно только, что он находится на расчетном расстоянии . Можно использовать и другую методику, не требующую специального вычисления  : предварительно рассчитывается положение центра (оси) "большого колодца" как центра тяжести системы скважин по их расходам, от которого и измеряется расчетное расстояние до точки (рис.6).

Координаты центра "большого колодца" в произвольной системе декартовых координат {X,Y} вычисляются с учетом координат и долевых коэффициентов дебита каждой скважины:

. (3.20)

По численным оценкам, погрешность расчетов понижений не превышает 3-5% для точек, удаленных от площадки системы скважин на расстояние, превышающее ее наибольший размер.

Другая полезная практическая задача: оценка возможного суммарного притока к системе скважин. Для этого рассчитывается радиус "большого колодца"  , т.е. точка  перемещается на стенку "большого колодца". При этом одна из скважин принимается за опорную и от нее рассчитываются расстояния до всех остальных; после этого оценивается

Рис. 6 - Определение координат центра "большого колодца"

Теперь можно рассчитать потенциальный суммарный дебит системы как дебит "большого колодца" с радиусом по любой формуле, отвечающей расчетной схеме - Тейса.

(3.21)

Конечно, такая оценка будет приближенной, так как приходится принимать некоторое единое для системы значение .



ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАЗВЕДКИ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ГОРНОМ РАЙОНЕ БАШКИРИИ

Пресными питьевыми водами Республика Башкортостан обеспечена недостаточно, и они распределены по территории крайне неравномерно: модули подземного стока колеблются от 5-10 (Уфимское плато) до 1,5 (Белебеевская возвышенность) - 0,3 л/с·км2 (Зауралье) и почти полного отсутствия (значительная часть Уршак-Бельского междуречья и др.).

Первая региональная оценка эксплуатационных ресурсов пресных подземных вод на территории Башкортостана проведена А.И. Епифановым и Е.А. Епифановой в 1962-63 гг. Водоносные горизонты и комплексы были сгруппированы в 12 гидрогеологических районов по литологическому признаку и водопроводимости пород. Общая сумма эксплуатационных ресурсов пресных вод на расчетной площади 138,0 тыс. км2 составила 9,65 млн. м3/сут при средних эксплуатационных модулях подземного стока от 0,12-0,25 л/с·км2 для зоны выветривания вулканогенных и метаморфических пород палеозоя и докембрия; до 1,5 л/с·км2 - карбонатных пород нижней перми; 1,7-1,9 л/с·км2 - аллювиальных четвертичных отложений. Средний модуль для территории Республики Башкортостан составляет 0,81 л/с·км2.

На основании материалов Государственного учета вод новые данные по эксплуатационным запасам определены как 18,9 млн. м3/сут (М.С. Верзаков, В.Ф. Ткачев, 1983 г.).

4.1 Геолого-структурные условия

Условия формирования подземных вод определяются геолого-тектоническими особенностями и историей развития геологических структур Урала и сопредельных регионов. В пределах рассматриваемой территории с запада на восток выделяются следующие структуры первого порядка: юго-восточный склон Восточно-Европейской (Русской) платформы, Предуральский прогиб, Западно-Уральская зона складчатости, Центрально-Уральское поднятие и Магнитогорский мегасинклинорий (рис.7).

Юго-восточный склон Русской платформы занимает юго-восточную часть Волго-Уральской антеклизы. Восточная граница его трассируется вдоль субмеридиональной полосы нижнепермских рифовых массивов, развитых по западному борту Предуральского прогиба.

Рис. 7 - Схема тектонического районирования республики Башкортостан (по А,П, Рождественскому, Абдрахманов и др., 2002): I-III - восточная окраина Русской платформы: I - крупные поднятия, своды (I1-ЮжноBТатарский, I2 - Башкирский); II - краевые зоны, склоны сводов (II1 - Южно-Татарского, II2 - Башкирского); III - погруженные зоны, впадины (III1 - Верхнекамская, III2 - Бирская, III3 - Благовещенская, III4 - Юго-восточный склон платформы). IV-Предуральский краевой прогиб (IV1 - внешняя зона, IV2 - внутренняя зона): ЮА - Юрюзано-Айская депрессия, Б - Бельская депрессия. V-X - складчатая область Южного Урала: V - Башкирское поднятие (V1 - внешняя зона складчатости, V2 - Алатауский антиклинорий, V3 - Инзерский синклинорий, V4 - Ямантауский антиклинорий

Предуральский прогиб состоит из двух впадин, разделенных Каратауским структурным комплексом, северной - Юрюзано-Сылвинской

и южной - Бельской. За восточную границу его обычно принимаются выходы на поверхность подошвы нижнепермских осадков. Геологический разрез позднего протерозоя и палеозоя (включая средний карбон) аналогичен платформенному. Более молодые верхнекаменно-угольные и нижнепермские отложения представлены депрессионной, молассовой, рифовой и лагунной фациями. Это карбонатные, терригенные породы и соли.

Восточным обрамлением Предуральского краевого прогиба служит Западно-Уральская зона складчатости, вытянутая в субмеридиональном направлении в виде неширокой (15-25 км) полосы.

Литологический состав отложений палеозоя западного склона Урала непостоянен в различных его частях. В пределах Уфимского амфитеатра, обрамляющего Юрюзано-Сылвинскую впадину с востока, широко развиты терригенные толщи среднего карбона. Южнее, в Лемезинско-Бельском междуречье, распространены преимущественно карбонатные породы каменноугольного и девонского возраста, а на крайнем юге региона, в бассейнах Ика и Сакмары - глинистые терригенные осадки.

Центрально-Уральское поднятие является наиболее крупной геологической структурой герцинского Южного Урала, сформировавшейся в условиях миогеосинклинали. В составе его обособляются структуры второго порядка: Башкирский антиклинорий, Зилаирский синклинорий и Уралтауский антиклинорий. В пределах их распространены не содержащие магматических пород сильно литифицированные, метаморфизованные толщи верхнего протерозоя и палеозоя.

Магнитогорский мегасинклинорий - восточный склон Южного Урала - является южной частью общеуральской отрицательной структуры - Тагило-Магнитогорского прогиба. Мегасинклинорий расположен к востоку от Центрально-Уральской миогеосинклинальной зоны и является главной составной частью его эвгеосинклинальной зоны. Выполнен вулканогенными, вулканогенно-осадочными и осадочными породами палеозоя (силура, девона и карбона).

Эвгеосинклинальный разрез палеозоя сложен разнообразными изверженными породами (граниты, андезиты, порфириты, базальты, перидотиты и др.), туфами, туфобрекчиями, туфопесчаниками, сланцами, известняками, терригенным флишем (аргиллиты, алевролиты, песчаники, конгломераты).

Горная территория Башкортостана - новейший Южно-Уральский ороген - по характеру рельефа и новейшей структуры разделяется на два крупных меридионально вытянутых района - северный и южный. Граница между ними проходит примерно по широтному течению р. Белой.

Больший по площади северный район имеет низко- и среднегорный рельеф, представленный меридиональными и субмеридиональными хребтами и разделяющими их межгорными понижениями. К этому району приурочены участки рельефа с высотами, превышающими 1100-1200 м и достигающими 1500-1600 м (максимальные на горных массивах Ямантау - 1640 м, и Иремель - 1554 м) в районе Башкирского поднятия на западном склоне Южного Урала. Особенностью новейшей структуры северного района является ее сводовоблоковый характер. Он выявляется по закономерной связи изменений амплитуд новейших поднятий и абсолютных высот вершинной поверхности рельефа в широтном пересечении от периферии к центру горного сооружения, приходящегося на район Башкирского поднятия. Из этого же района происходит общее снижение вершинной поверхности в северном и южном направлениях, более постепенное, чем в широтном. Амплитуды новейших поднятий в северном районе достигают 900-1000 м.

Южный район представляет собой крупное блоковое поднятие, монолитность которого подчеркивается выдержанным плоскогорным характером его современного рельефа. Это - Южно-Уральское плоскогорье (рис. 7). Максимальные высоты местности редко достигают 650-700 м в северо-восточной части плоскогорья, отсюда они снижаются в южном и юго-западном направлениях. Амплитуда новейших поднятий плоскогорья не превышает 500 м.

4.2 Основные водоносные комплексы

В соответствии с принципами структурно-гидрогеологического районирования на территории Башкортостана выделяются (Попов, 1985) Волго-Уральский сложный артезианский бассейн (АБ), относящийся к системе бассейнов Восточно-Европейской артезианской области (АО), и Уральская гидрогеологическая складчатая область (ГСО).

Волго-Уральский артезианский бассейн геотектонически отвечает одноименной антеклизе, Предуральскому прогибу и западному склону Урала. Гидрогеологические условия Уральской гидрогеологической складчатой области определяются условиями формирования подземной гидросферы в бассейне трещинно-жильных вод (Буданов, 1964; Гидрогеология …, 1972). Бассейн трещинно-жильных вод складчатого Урала в геоструктурном отношении охватывает Центрально-Уральское поднятие и Магнитогорский прогиб ( рис. 8).

Водоносность сильно дислоцированных метаморфических и осадочно-вулканогенных пород протерозоя и палеозоя с жесткими связями обусловлена их трещиноватостью, которая обычно не подчиняется возрастным границам, часто их пересекает. По отношению к названным коллекторам трещинного типа используется термин водоносная (обводненная) зона, и в зависимости от генезиса трещин выделяют регионально-трещинные воды зоны выветривания и локально-трещинные воды зон тектонических нарушений (разломов).



Рис. 8 - Схема гидрогеологического районирования Республики Башкортостан (по В.Г. Попову (Абдрахманов и др., 2002): 1 - граница между Волго-Уральским артезианским бассейном и Уральской гидрогеоло-гической складчатой областью; 2 - границы между гидрогеологическими структурами второго и третьего порядка: I - Волго-Камский АБ, II - Предуральский АБ: II1 - Юрюзано-Сылвинский АБ, II2 - Бельский АБ, III - Западно-Уральский ААБ, IV - Уральская гидрогеологическая складчатая область: IV1 - бассейн трещинно-жильных вод Центрально-Уральского поднятия, IV2 - то же, Магнитогорского мегасинклинория; 3- границы между тектоническими структурами Волго-Камского АБ: I1-Пермско-Башкирский свод, I2 -Татарский свод, I3 - юго-восточный склон Русской плиты, I4 - Бирская и Верхне-Камская впадины; 4 - линия гидрогеохимического разреза

Обводненность карбонатных пород, кроме трещиноватости, связана и с их закарстованностью. Динамика вод определяется рельефом местности, а также сложной гидравлически связанной между собой системой трещин. Разгрузка подземных вод происходит в речную сеть. Мощность зоны региональной трещиноватости колеблется от 100 до 250 м, иногда до 500 м. Подземные воды региональной трещиноватости безнапорные, а локальной трещиноватости - слабонапорные.

Сложные гидрогеологические условия региона обусловлены разнообразием вещественного состава магматических, метаморфических и осадочных пород, различной степенью их тектонической дислоцированности и трещиноватости, своеобразием условий питания, движения и разгрузки подземных вод.

Концентрация подземного стока происходит в межхребтовых понижениях, зонах тектонических нарушений, контактов, жил и даек, обладающих повышенной трещиноватостью и водообильностью. Дебиты естественных источников здесь достигают 3-5 л/с и более, а удельные дебиты неглубоких скважин (до 50-80 м) - 1-2 л/с. С глубиной удельные дебиты скважин уменьшаются. Ниже зоны региональной трещиноватости локально-трещинные воды могут быть вскрыты только в зонах тектонического дробления и рассланцевания пород.

4.3 Распространение пресных подземных вод

Территория орографически охватывает всю область горного Урала и Зауралья. Разнообразие литологического состава и геоморфологической ситуации определяют различную глубину залегания и распространения подземных вод, широкий диапазон водопроводимости и степени водообильности отложений. Мощность зоны активной трещиноватости терригенных, карбонатных, метаморфических, вулканогенноBосадочных, интрузивных пород обычно составляет 40-60 м; в крепких разностях пород (кремнистые сланцы, яшмы, кварцевые песчаники) может достигать 100-150 м; в карстующихся породах и зонах региональной трещиноватости - до 200 м и более. Глубина залегания подземных вод на высоких водоразделах, вдоль

крутых склонов 40-50 м, на выположенных водоразделах и пологих склонах от 10 до 30 м. В днищах долин, в межхребтовых и межгорных понижениях при отсутствии делювиальных суглинистых отложений и коры выветривания уровни подземных вод встречаются на глубинах от 1 до 10 м. Воды безнапорные, в случае наличия перекрывающего слоя-уровни на глубине до 20-30 м и воды приобретают напор.

Аллювиальный четвертичный водоносный горизонт (aQ) развит в долинах рек Белой, Урала, Сакмары и их притоков (Бол. и Мал. Кизила, Таналыка и др.). Мощность гравийно-песчаной фракции от единиц до 5-8 м (в карстовых углублениях до 20-30 м). Дебиты скважин (разведочных и эксплуатационных) обычно от 0,2 до 2-3 л/с, но могут достигать 7-12,5 л/с (р. Белая, Урал). Водопроводимость отложений по разведочным участкам и водозаборам от 18 до 360 м2/сут, средние значения 100-150 м2/сут. Воды аллювия для централизованного водоснабжения используются мало (водозаборы в г. Белорецке и с. Акъяр, производительностью до 5,0 и 1,4 тыс. м3/сут соответственно).

Нижне-среднекаменноугольный водоносный терригенно-карбонатный комплекс (уртазымская-кизильская свиты) занимает узкие полосы в основном вдоль хребтовых и межгрядовых понижений или вдоль долин рек, выходя на выположенные водораздельные пространства Кизило-Уртазымской равнины. В долинах рек при благоприятных условиях перехвата речного стока водопроводимость трещинно-карстовых пород от 90 до 4200 м2/сут, средние расчетные величины водопроводимости на Учалинском и Миндякском месторождениях составляют от 360 м2/сут (Уразовский участок) до 1880 м2/сут (участок «Шагарка»), а в долине р. Бол. Кизил на Абдряшевском участке - 4000 м2/сут, на Уральском МПВ - 1750 м2/сут. Дебиты скважин от 1 до 25 л/с, на Кургашском водозаборе до 67 л/с, на Абдряшевском участке до 60 л/с. На выположенных склонах и в терригенной пачке водопроводимость от 13 до 130 м2/сут при дебитах скважин 0,4 до 4,2 л/с. При небольшой площади распространения (около 1320 км2) комплекс имеет важное значение для водоснабжения0количество утвержденных запасов по нему 97,0 тыс. м3/сут для водоснабжения городов Учалы и Магнитогорска. Используется для водоснабжения сельских пунктов: Янгельский, Красная Башкирия, Комсомольское и другие с водоотбором до 420-480 м3/сут.

Среднедевонско-нижнекаменноугольная (D2+C1) и среднедевонско-силурийская (S+D2) водоносные зоны занимают основную часть Ирен-дыкской группы бассейнов (ранее Восточно-Уральской) и простираются

полосой шириной 15-45 км с севера на юг. При всем разнообразии литологического состава вулканогенно-осадочных пород и степени трещиноватости усредненные гидрогеологические параметры, дебиты скважин, производительность сельских водозаборов идентичны. Зоны экзогенной (выветривания) трещиноватости достаточно изучены при обследовании водозаборов (Чалов, Верзаков, 2003 г). Дебиты достаточно многочисленных родников преимущественно от 0,01 до 2,5 л/с, при рассредоточенных выходах из трещиноватых пород - от 3-7 до 12-20 л/с. Удельные дебиты скважин варьируют от сотых долей до 0,5 л/с, иногда до 2-5 л/с. Дебиты скважин от 0,1-0,2 до 2-3,5, реже до 7-19 л/с (Учалинское, Баймакское МПВ). Средние значения водопроводимости, принятые к оценке ресурсов и запасов на основании анализа материалов, составляли от 16 до 30 м2/сут, на участках разведки - от 50-70 до 130-140 м2/сут (Шартымское, Учалинское, Баймакское МПВ). Подземные воды широко используются для водоснабжения с водоотбором от 50 до 3000 м3/сут.