Лекция 19 19. 1. Задача и постановка поисково-разведочных работ

Поиски, разведка и оценка запасов подземных вод.

19.1. Задача и постановка поисково-разведочных работ

Подземные воды как источник водоснабжения обладают рядом преимуществ перед поверхностными. Они характеризуются более высоким качеством, лучше защищены от загрязнения, их ресурсы не испытывают сезонных и многолетних колебаний. В связи с этим, оценивая условия формирования и возможности использования подземных вод, выделяют месторождения подземных вод. Это пространственно оконтуренные в пределах водонапорной системы скопления воды определенного состава, в количестве достаточном для их экономически целесообразного извлечения и использования в народном хозяйстве.

Запасы подземных вод, как и запасы твердых полезных ископаемых, в зависимости от степени изученности подразделяются на три категории: А, В и С. К категории А относятся детально разведанные и апробированные запасы, к категории В – менее разведанные и к категории С – запасы, установленные по общим геологическим и гидрогеологическим данным.

В настоящее время большинство исследователей подразделяют запасы подземных вод на естественные и эксплуатационные.

Естественные запасы подземных вод – это объем гравитационной воды, который содержится в водоносных пластах в естественных условиях (в статическом состоянии или в движении). Естественные запасы слагаются из статических, упругих и динамических запасов, т.е.:

Q_ест = Q_ст + Q_упр + Q_дин.

Статические и упругие запасы (по Ф.М. Бочеверу) характеризуют объем гравитационной воды в порах и трещинах водоносных пород в м³.

Упругие запасы – это количество воды, которое может быть извлечено из напорного водоносного пласта без осушения за счет упругих свойств воды и горных пород при понижении уровня.

Под динамическими запасами (или естественными ресурсами) понимают расход подземных вод в м³/сутки, протекающих через водоносный пласт. Динамические запасы в процессе круговорота воды на Земле постоянно возобновляются. В разрезе они соответствуют подземному стоку, который отражает ежегодное питание подземных вод. Роль динамических запасов при решении вопросов водоснабжения значительна.

Динамические запасы могут быть определены по известной формуле Дарси:

Q_дин = К_ф∙h_ср∙В∙J,

где К_Ф – коэффициент фильтрации, м/сутки;

h_ср, В, J – соответственно средняя мощность, ширина и уклон потока подземных вод.

Для вычисления динамических запасов используют также формулу, содержащую модуль подземного стока:

Q_дин = γ∙F_n,

где γ – модуль подземного стока, л/с;

F_n – площадь области питания подземных вод, км².

Под эксплуатационными запасами следует понимать количество подземных вод, которое может быть получено в единицу времени из водоносного горизонта рациональными в технико-экономическом отношении водозаборами без прогрессирующего снижения дебита и динамических уровней и ухудшения качества воды в течение всего расчетного срока водопотребления.

В районах действующих водозаборов уровень подземных вод снижается, образуются депрессионные воронки. В гидрогеологических условиях это может вызвать привлечение в эксплуатируемый водоносный горизонт дополнительных источников питания. В этом случае эксплуатационные запасы по своей величине могут превосходить естественные запасы за счет дополнительных или привлекаемых запасов подземных вод.

В формировании эксплуатационных запасов существенную роль могут играть и искусственные запасы. Они создаются путем инфильтрации воды с поверхности земли при устройстве искусственных сооружений (инфильтрационные бассейны, поглощающие скважины и т.п.).

В целом условия формирования эксплуатационных запасов подземных вод в районах водозаборов выражают следующим балансовым уравнением:

Q_экс = Q_дин + Q_ст /T + Q_упр /T + Q_доп + Q_иск,

где Q_дин, Q_ст и Q_упр – соответственно динамические, статические и упругие запасы подземных вод,

Q_доп – дополнительные или привлекаемые запасы в процессе эксплуатации,

Q_иск – искусственные запасы,

Т – расчетный срок водопотребления.

Поиски и разведка месторождений пресных, термальных, минеральных подземных вод являются одной из основных практических задач.

Под поисками и разведкой понимается комплекс работ, направленный на выявление месторождений подземных вод, определения их эксплуатационных запасов и получения данных, необходимых для проектирования и строительства водозаборных сооружений. Поиски и разведка проводятся в определенной последовательности для постепенного наращивания знаний о месторождении.

В настоящее время выделяются поиски, предварительная разведка, детальная разведка и эксплуатационная разведка.

На стадии поисков основная задача – выделение водоносных горизонтов и участков, перспективных для разведки, и прогнозная оценка извлекаемых запасов в пределах выделенных участков.

Предварительная разведка – изучение основных особенностей геолого-гидродинамических условий месторождения, оценка основных источников формирования запасов подземных вод, предварительное определение извлекаемых запасов.

В результате проведения комплекса буровых работ, опытно-фильтрационных, геофизических и др. видов работ должны быть получены данные, позволяющие:

1. Охарактеризовать и предварительно количественно оценить источники формирования запасов подземных вод;

2. Определить расчетные параметры водоносных горизонтов, качество;

3. Предварительно оценить гидрогеологические и технико-экономические условия эксплуатации водоносных горизонтов;

4. Разработать принципиальную схему водозабора.

Детальная разведка производится на месторождении с положительными результатами предварительной разведки. Цель детальной разведки – обоснование проекта строительства и эксплуатации водозаборного сооружения с доведением изученности месторождения до степени, позволяющей провести оценку извлекаемых запасов применительно к выбранной схеме водозаборного сооружения. Запасы утверждаются в ТКЗ или ГКЗ.

Эксплуатационная разведка проводится в процессе строительства и эксплуатации водозабора с целью выяснения соответствия режима эксплуатации прогнозным расчетам, переоценки запасов по данным эксплуатации.

19.2. Основные вопросы методики оценки эксплуатационных запасовподземных вод

Водозабором называют сооружение, с помощью которого производится забор подземных вод для водоснабжения. Исходя из глубины залегания пласта, его мощности, выбирают буровые скважины или шахтные колодцы.

Водозаборы, состоящие из колодца, называют одиночными, а из нескольких – групповыми.

Водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт на полную его мощность, являются совершенными, на не полную – несовершенными.

Водозабор из скважины осуществляется при откачке. Откачка воды из скважины обычно производится с помощью погружных насосов (рис. 22), а также эрлифтов (рис. 23).

Если уровень подземных вод в скважине достигает 7 м, насосы устанавливают на устье скважины, а при глубине залегания уровня воды более 7 м используют глубинные насосы. Вид насоса выбирают в зависимости от проектного дебита скважины, глубины залегания динамического уровня воды, диаметра скважины (эксплуатационной), чистоты воды, длительности откачки, наличия электроэнергии и других факторов. При залегании динамического уровня до 7 м используют центробежные насосы типа «С», «К» и «ЭСН». Их производительность составляет от 1 до 400 м³/ч. При откачках более глубоко залегающих водоносных горизонтов применяются эрлифты и центробежные погружные насосы ЭЦВ. Их производительность составляет от 5 до 300 м³/ч при высоте напора от 20 до 300 м (применимы для скважин диаметром от 114 до 407 мм).

Для прокачек скважины чаще всего используется эрлифт, сжатый воздух для которого вырабатывают компрессоры КС, ДК и др. Производительность эрлифтов – от 50 до 150 м³/ч, высота напора до 100 м, они используются в скважинах различных диаметров при незначительной глубине. Различают эрлифты с центральным и параллельным расположением труб (рис. 23). При высоте подъема воды от динамического уровня до 20 м глубина погружения сместится в воду, и должна быть в 2-2.5 раза больше высоты подъема; при высоте подъема воды более 20 м – в 1.5-1.7 раза больше. Водоприемная часть скважины закрепляется фильтром различных типов и конструкций. Фильтры устанавливаются в рыхлых и неустойчивых породах. Тип конструкции фильтра, размеры его проходных отверстий принимаются в зависимости от крупности частиц водоносной породы.

В зависимости от мощности и характера водоносной толщи фильтром перекрывают водоносный пласт полностью или частично. Размер фильтра определяется конечным диаметром скважины. Конструктивно он представляет трубу, на поверхности которой делаются отверстия круглого или прямоугольного сечения (рис. 24). Размер круглых отверстий от 1 до 2 см при расстоянии между ними 1-4 см. Прямоугольные отверстия выполняются размером 0.8-1.5 см по ширине и 2.2-4 см по длине. Количество отверстий на 1 м трубы составляет 500-800 шт. в зависимости от ее диаметра. Площадь отверстий на фильтре допускается до 20-22 % (скважность фильтра). Доводить скважность на фильтре свыше 25 % на дырчатом и 30-40 % на щелевидном не рекомендуется во избежание ослабления его прочности. Для того чтобы в скважину не попадал шлак, дырчатую трубу покрывают фильтровой сеткой, которая накладывается не прямо на трубу, а на проволоку диаметром 1-2 мм. Проволока припаивается к трубе по длине, образуя проволочный каркас. Размер сетки подбирается с таким расчетом, чтобы через нее просеивался грунт водоносного горизонта в сухом состоянии до 40% по объему. При таком выносе породы водоносного горизонта вокруг фильтра образуется хорошо фильтрующийся грунт, который не будет создавать больших сопротивлений при движении воды к скважине. В ряде случаев каркасная труба обсыпается гравием.

Понятие о депрессионной воронке и радиусе влияния.

При откачке воды из скважины вследствие трения воды о частицы происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется депрессионная воронка, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается депрессионными кривыми, крутизна которых возрастает по мере приближения к оси скважины (рис. 25).

Установление границ депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны.

Радиус депрессионной воронки называют радиусом влияния (R). В практических расчетах для определения радиуса влияния используют приближенные формулы. Наиболее достоверно радиус влияния определяется в процессе опытных откачек воды.

Приведенный радиус влияния (R_пр) вычисляют по формуле:

,

где t – время работы водозабора,

α – коэффициент пьезопроводности в напорных или уровнепроводности в безнапорных водоносных пластах, м²/сут.;

(α – коэффициент пьезопроводности – К_ф/n_акт (ß_в + ß_n), где n – активная пористость, ß_в и ß_n – упругие свойства воды и пород);

α_у – коэффициент уровнепроводности – α_у = К_ф ∙ h_ср/µ, отношение водопроводимости безнапорного пласта к гравитационной водоотдаче пород).

19.3. Приток воды к водозаборным скважинам

Движение воды к скважинам в период откачки происходит в форме радиального потока. Объем воды, добываемой из скважины в единицу времени, называется дебитом (производительностью), выражается в л/сек или м³/час, м³/сутки.

Расчетный дебит скважины определяется по формулам в зависимости от типа водоносного пласта (напорный или безнапорный), условий совершенства скважины (совершенные или несовершенные) и взаимодействия скважин.

Контрольные вопросы:

1. В чем преимущество источников подземного водоснабжения перед поверхностными?

2. Почему нужно соблюдать стадийность в исследовании подземных источников водоснабжения?

3. В чем принципиальная разница между откачкой и прокачкой воды из скважины?