Методика поисков и разведки подземных вод для водоснабжения в различных гидрогеологических условиях

В зависимости от природных гидрогеологических условий и типа подзем­ных вод изменяется и методика их поисков и разведки.

Подземные воды артезианских бассейнов характеризуются следующими особенностями:

- площадь их распространения обычно очень велика;

- в гидрогеологическом отношении они представляют собой сложную сис­тему поэтажно расположенных водоносных горизонтов, часто взаимосвязан­ных между собой, что обуславливает возможность перетекания воды и зат­рудняет их изучение;

- большая глубина залегания водоносных горизонтов требует применения глубокого бурения и специальной технологии работ;

- значительная мощность водоносных горизонтов;

- вертикальная гидрохимическая зональность, требующая проводить работы для выяснения границ вод с различной минерализацией;

- формирование крупных эксплуатационных запасов, позволяющих эксплу­атировать водозаборы с большими расходами;

- накопление помимо статических запасов известного объема упругих запасов;

- эксплуатация вод происходит при неустановившемся режиме, при котором напорный уровень воды в скважине будет выше кровли водоносного пласта (дебит ее будет формироваться за счет сработки динамических и упругих запасов). При снижении уровня воды ниже кровли скважина будет работать в условиях напорно-безнапорного потока и начнется сработка статических запасов с осушением пласта. При этом образуются депресси­онные воронки глубиной в несколько десятков метров и диаметром, измеря­емым десятками километров;

- водоносные горизонты достаточно надежно защищены от поверхностного загрязнения и содержат бактериально чистые воды;

- режим подземных вод слабо реагирует на изменение метеорологичес­ких и гидрологических факторов.

Учитывая вышеприведенную характеристику, следует ориентировать соот­ветствующим образом и гидрогеологические исследования артезианских бассейнов, а именно:

- гидрогеологическую съемку здесь проводить нецелесообразно, так как водоносные горизонты выходов на поверхность не имеют;

- основное внимание обращается на изучение действующих водозаборов;

- при хорошей изученности артезианского бассейна поисково-оценочный этап может быть опущен. Рекомендуется сразу бурение раз­ведочно-эксплуатационных скважин. Расстояние между скважинами принима­ется от 100 – 200 м до 500 м, редко – больше;

- количество разведочно-эксплуатационных скважин принимается таким, чтобы они в результате разведочных работ дали около 50 % требуемых экс­плуатационных запасов по категории В;

- из всех скважин производятся опытные откачки на одно максимально возможное понижение с дебитом, близким к эксплуатационному.

Подземные воды конусов выноса, как и строение самих конусов выноса имеют свои особенности, а именно:

- отложения конусов выноса сложены рыхлыми обломочными породами не­однородного мехсостава как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях;

- для всех конусов выноса характерна горизонтальная зональность. Вы­деляются: зона глубокого залегания, зона выклинивания, область вторичного погружения;

- наличие в конусах выноса мощной толщи песчано-галечников с высоки­ми коллекторскими свойствами создает как бы подземное водохрани­лище с большими емкостными запасами подземных вод;

- питание подземных вод происходит за счет интенсивного поглощения поверхностного стока (до 50 – 60 % от общей величины питания), за счет инфильтрации оросительных вод (15 – 25 %), инфильтрации атмос­ферных осадков (9 %) и подземного стока со стороны горного массива (8 – 14 %);

- качество подземных вод также подвержено горизонтальной зональности с увеличением минерализации от вершины к периферии.

Учитывая указанные особенности подземных вод конусов выноса, гидро­геологические работы должны иметь определенную направленность.

На поисково-оценочном этапе производится сбор всего фактического материала и делается его анализ. При слабой изученности проводится гидрогеологи­ческая съемка 1:25 000 – 1:100 000 масштаба, сопровождающаяся геофизичес­кими исследованиями. По осевой части конуса выноса от гор к равнине закладывается поперечник из 3 – 4 -х скважин глубиной 100 – 200 м, из которых производятся пробные зональные откачки. Ведутся наблюдения за режимом подземных вод и проводятся балансово-гидрометрические исследования.

Затем перпендикулярно ранее заложенному профилю скважин разбуривается поперечник из 3 – 4-х скважин с расстояниями между ними от 500 до 2000 м. Из всех скважин производятся пробные, а из наиболее во­дообильных – и опытные откачки, продолжаются режимные и балансово-гидро­метрические исследования для определения величины питания. Тщательно ведутся замеры расходов поверхностных водотоков в верхнем и нижнем те­чении, а также изучается родниковый сток в зоне выклинивания.

По материалам, полученным в результате поисково-оценочных работ, определяются естественные ресурсы подземных вод путем составления балансовых уравнений.

Разведочные работы ведутся применительно к предполагаемой схеме размещения водозабора. Водозабор желательно располагать несколь­ко выше зоны выклинивания. Обычно закладываемые разведочно-эксплуата­ционные скважины должны дать около 50 % требуемого количества воды по категории В. Во всех скважинах проводятся геофизические исследования для изучения фильтрационных свойств по глубине и делаются опытные от­качки продолжительностью несколько суток с максимальным понижением. Для точного определения параметров пласта организуются 2 – 3 опытных куста. Уточнение эксплуатационных запасов производится путем расчета производительности водозабора гидродинамическим методом и сравнения с эксплуатационными запасами, подсчитанными балансовым методом.

Подземные воды зон тектонических нарушений характеризуются следующи­ми особенностями, которые необходимо учитывать при гидрогеологических исследованиях:

- залегают они в форме линейно-вытянутых относительно узких потоков, приуроченных к горным породам зон дробления, брекчирования, тектони­ческим нарушениям. В связи с этим распространение подземных вод носит локальный характер;

- наибольшей водообильностью отличаются карбонатные, часто закарсто­ванные породы, менее водообильны интрузивные породы, песчаники и сов­сем слабо обводнены сланцы, эффузивы, роговики;

- породы обладают фильтрационной анизотропией (неоднородностью) в различных направлениях;

- глубина распространения трещинных вод довольно велика (до сотен метров);

- воды преимущественно грунтовые, реже слабонапорные;

- область питания располагается вдоль зоны тектонических нарушений, непосредственно на вмещающих горных породах;

- основным источником питания являются атмосферные осадки, фильтра­ционные потоки из рек, боковой приток из относительно малопроницаемых пород, залегающих по бортам тектонических зон;

- естественные запасы тектонических зон обычно очень невелики. На месторождении формируются чаще всего естественные ресурсы.

В соответствии с данной характеристикой соответствующим образом ве­дутся и гидрогеологические исследования.

Поисково-оценочные работы должны выявить перспективность месторождения для дальнейших исследований. Для этого проводится довольно большой объем работ, заключающийся в сборе и анализе имеющихся материалов, проведении съемки 1:50 000 масштаба, геоботанических наблюде- ний, геофизических ра­бот (электропрофилирования и ВЭЗов), бурении картировочных скважин (продольный створ с несколькими поперечниками вкрест простирания тек­тонической зоны при расстоянии между скважинами от 0,5 до 2,0 км), пробных откачек из всех скважин продолжительностью 1 – 2 суток, гидро­метрических работ, режимных наблюдений за подземными водами. По результатам этих исследований производится окончательный выбор наиболее перспективного участка, намечается схема водозабора. Бурятся разведочные скважины по более сгущенной сетке 500 – 800 м. Глубина их от 50 до 80 м, реже 100 – 120 м. Опытные откачки ведутся как из одиночных, так и из куста скважин для изучения фильтрационных свойств пород в различных направлениях. Для изучения изменения фильтрационных свойств в разрезе производят зональные откачки. Для получения кривых дебита с последующей экстраполяцией гидравлическим методом откачки проводят на 2 – 3 понижения.

Разведка сопровождается бурением разведочно-эксплуатацион­ных скважин и из них проводят по необходимости опытно-эксплуатационные кустовые и групповые откачки продолжительностью от 1,5 до 4,5 месяцев. Устанавливается степень взаимодействия скважин. Суммарный дебит всех одновременно работающих скважин должен составлять не менее 50 – 70 %, а иногда в сложных случаях 90 – 100 % потребного эксплуатационного расхода. Расчет эксплуатационных запасов ведется гидравлическими и балансовыми методами. Для балансовых методов используются данные о поступлении во­ды в пласт, т.е. определяется восполнение запасов.

Подземные воды речных долин являются одним из важнейших источников водоснабжения, поэтому на возможность их использования в первую оче­редь необходимо обратить особое внимание.

Для водоносных горизонтов, приуроченных к речным долинам, характерны следующие особенности:

- водовмещающими породами являются рыхлообломочные отложения с высо­кими коллекторскими свойствами;

- большая длина области распространения водоносного горизонта по сравнению с шириной;

- наличие подруслового потока;

- наличие у водоносного горизонта свободной поверхности, реже возмо­жен местный небольшой напор;

- небольшая глубина залегания подземных вод;

- изменчивость мощности аллювиального потока от нескольких десятков до сотен метров;

- режим грунтовых вод связан с режимом реки;

- питание происходит за счет фильтрации речных вод, скрытого дрени­рования вод коренных пород и инфильтрации атмосферных осадков.

Исходя из приведенной характеристики, гидрогеологические исследова­ния грунтовых вод речных долин носят следующий характер.

На поисково-оценочном этапе работ проводится гидрогеологическая съемка 1:25 000 – 1:50 000 масштабов. Она захватывает не только участок долины, но и ко­ренные берега. Съемка сопровождается бурением скважин, размещаемым по поперечникам, отстоящим друг от друга на расстоянии 3 – 4-х км. Скважины опробуются пробными откачками продолжительностью не более 3-х смен. Геофизические работы проводятся при мощном аллювии и глубоком залега­нии палеозойского фундамента. Тщательно собираются гидрологические сведения о реке, как об основном источнике питания. В ходе этого этапа выявляется наиболее перспективный участок, дальнейшие работы на котором заключаются в бурении разведочных скважин по поперечникам, отстоящим друг от друга на 0,5 – 1,0 км. Расстояние между скважинами на поперечни­ках 300 – 500 м. Глубина скважин определяется мощностью аллювия, но ред­ко более 100 м. Скважины опробуются опытными откачками на максимально возможное понижение продолжительностью 5 – 8 суток. Продолжаются гидро­геологические и режимные наблюдения, проводятся опытные работы по оценке взаимосвязи подземных и поверхностных вод.

В зависимости от степени гидравлической связи вод реки с грунтовыми водами различают два типа долин:

- с активной формой взаимодействия между речными и подземными водами;

- с затрудненной формой взаимодействия, вызванной заилен­ностью русла.

В долинах первого типа рекомендуется устраивать инфильтрационные во­дозаборы в виде линейного расположенного вдоль реки ряда взаимодейс­твующих скважин. Они будут питаться в основном инфильтрационными реч­ными водами, естественные ресурсы и запасы будут играть второстепенную роль и могут не определяться.

В долинах второго типа рекомендуется устраивать поперечные водозабо­ры для лучшего перехвата подруслового потока. При этом в основном бу­дут использоваться естественные ресурсы и незначительно срабатываться естественные запасы. Создание искусственных запасов возможно осущест­вить с помощью водопоглощающих скважин, пробуренных в русле.

При разведке разведочно-эксплуатационные скважины заклады­ваются в виде поперечного или продольного ряда на расстоянии 200 – 300 м друг от друга и не менее 75 – 100 м от берега во избежание заиления водоносного горизонта за счет засасывания гли­нистых частиц с водой из реки в аллювиальные отложения. Все скважины опробуются опытными одиночными откачками, а из 2 – 3 скважин делаются кустовые откачки.

Технико-экономические расчеты при гидрогеологических исследованиях должны выполняться для решения следующих вопросов:

- обоснования наиболее рационального комплекса гидрогеологических исследований;

- определения экономической эффективности гидрогеологических иссле­дований;

- рассмотрения альтернативных вариантов водообеспечения, отличающихся по источникам водоснабжения, схеме размещения и количеству скважин, месту положения водозабора и т.п.;

- выбора рационального варианта эксплуатации месторождения.

Определение экономической эффективности гидрогеологических исследований должно производиться на всех этапах и служить решению поставлен­ных задач при минимальных затратах труда, времени и средств.

Одним из показателей экономической эффективности исследований при разведке подземных вод является себестоимость разведки единицы эксплу­атационных запасов, определяемая как отношение общих затрат на развед­ку к количеству утвержденных эксплуатационных запасов.

Технико-экономическая оценка альтернативных вариантов организации водоснабжения заключается в определении их технико-экономических пока­зателей, которые могут быть абсолютными и относительными (со­поставительными).

Абсолютные показатели применяются, когда необходимо обосновать целе­сообразность осуществления мероприятия по водоснабжению (обоснование целесообразности промышленного освоения месторождения подземных вод, при определении показателей окончательного варианта системы водоснаб­жения и т.п.).

Относительные или сопоставительные показатели необходимы при сравне­нии нескольких вариантов проектируемого мероприятия и выбора наиболее эффективного.

Существует несколько способов и методов оценки сопоставительных по­казателей (сравнение вариантов):

- по коэффициенту экономической эффективности;

- по сроку окупаемости;

- по приведенным затратам.

Все эти методы рассматриваются подробно в специальной литературе.

При проведении гидрогеологических исследований, в частности, для ор­ганизации водоснабжения как на стадии проектирования, так и при осуществлении всего комплекса мероп­риятий по поисково-разведочным работам исполнителями работ допускаются следующие ошибки:

- нарушение стадийности работ;

- отсутствие творческого подхода и целенаправленности в проведении исследований;

- плохое использование опыта действующих водозаборов;

- отсутствие экономического обоснования для выбора различных источ­ников водоснабжения и схем водозабора;

- завышение объема буровых работ;

- необоснованное переуглубление всех разведочных скважин;

- плохое изучение поверхностных вод, могущих служить источниками восполнения;

- малые понижения при откачках;

- слабое и несвоевременное изучение качества подземных вод;

- недостаточное изучение граничных условий месторождения;

- часто не учитывается восполнение запасов;

- слабо изучается режим подземных вод;

- слабо изучаются источники питания.

В условиях интенсивного развития народного хозяйства и потреблении при этом огромного количества воды вопрос о рациональном использова­нии водных ресурсов, охране их от истощения и загрязнения стоит очень остро и существует целый ряд разносторонних мероприятий, од­нако наиболее важными из них являются:

- гидрогеологическое обоснование зон санитарной охраны водозаборов;

- искусственное пополнение запасов подземных вод.