Классификация пресных подземных вод

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Завершающим этапом разведочных гидрогеологических работ является подсчет эксплуатационных запасов подземных вод. В связи с этим важным научно-методическим положением по­
исков и разведки подземных вод является понятие о количест­венных категориях подземных вод и их классификация.

Классификация количественных категорий пресных подзем­ных вод тесным образом связана со следующими основными понятиями: а) объем гравитационной воды, который накапли­вается в толще пород водоносного горизонта; б) ежегодное пи­тание за счет естественных источников (инфильтрации атмо­сферных осадков, поверхностных вод и конденсационной влаги); в) отбор подземных вод из продуктивного водоносного гори­зонта техническими средствами для практического использова­ния; г) восполнение подземных вод за счет искусственного ис­точника питания с помощью специальных инженерных соору­жений.

Таким образом, в классификационной схеме должно быть отражено то главное, что принципиально отличает пресные под­земные воды от всех других твердых и жидких полезных иско­паемых, а именно: подвижность подземных вод в недрах Земли и их постоянная возобновляемость, в том числе при эксплуата­ции. Именно поэтому в классификации должны учитываться такие 'Важнейшие факторы, как объем, расход, питание и отбор подземных вод.

В свое время рядом ученых нашей страны было разрабо­тано несколько предложений по классификации количественных категорий подземных вод применительно к требованиям теории и практики.

В 1931 г. П. И. Бутовым была предложена одна из первых классификаций, в которой автор выделил четыре количествен­ных категории запасов пресных подземных вод: 1) общие — формирующиеся на всей площади водоносного горизонта; 2) от­носительные — то количество подземных вод, которое можно извлечь из пласта водозаборами; 3) пассивные — формирую­щиеся в течение века в водоносном горизонте; 4) активные — ежегодно возобновляемые под влиянием естественных источни­ков питания.

В 1933 г. Ф. П. Саваренский впервые предложил ввести на­учное понятие естественные ресурсы подземных вод. Он отмечал, что «емкость водоносного горизонта и запасы под­земных вод в нем могут быть невелики, но производительность данного горизонта может быть значительной, если он обеспечен в своем питании. И наоборот, бассейн подземных вод может об­ладать значительными размерами, но ежегодный приход воды на баланс этого бассейна может оказаться небольшим <...>. Поэтому правильнее говорить не о «запасах» подземных вод, а о «ресурсах» подземных вод, понимая под этим термином обеспечение в одном балансе данного района поступления вод». Естественные запасы, по Ф. П. Саваренскому,— это то количество подземных вод, которое находится в. данном бас­сейне или водоносном пласте и зависит не от поступления и рас­хода воды, а от емкости этого пласта или бассейна.

Таким образом, с физической точки зрения, Ф. П. Саварен- ский внес четкое и принципиальное различие в понятия «за­пасы» и «ресурсы подземных вод», которые прежде всего отли­чаются размерностью этих величин: запасы выражаются объе­мом подземных вод, а ресурсы — расходом. Принципиальное различие между этими понятиями заключается еще и в коли­чественном их изменении при эксплуатации подземных вод. Естественные запасы подземных вод при отборе их всегда уменьшаются. В безнапорных условиях на водозаборном участ­ке всегда происходит понижение уровня воды и, следовательно, уменьшение емкости водоносного горизонта; в напорных усло­виях происходят понижение пьезометрического уровня и, как следствие этого,- потери упругой емкости пласта в результате снятия пластового давления. При эксплуатации подземных вод в ряде случаев, как справедливо указывает Н. Н. Биндеман, происходит улучшение их питания. Именно такие гидрогеоло­гические условия могут наблюдаться, например, при эксплуата­ции грунтовах вод в речных долинах, происходит улучшение условий питания водоносного горизонта вследствие инфильтра­ции грунтовых вод в речных долинах, происходит улучшение первая классификация эксплуатационных запасов подземных вод и введено в практику утверждение в ГКЗ СССР разведан­ных запасов пресных подземных вод. В связи с этим в Инструк­ции по применению классификации эксплуатационных запасов подземных вод и месторождениям пресных подземных вод, ут­вержденной ГКЗ СССР, было введено новое научное понятие — эксплуатационные запасы пресных подземных вод. В новой, действующей в настоящее время классификации, приводится следующая формулировка этого понятия: «Под эксплуатационными запасами понимается количе­ство подземных вод, которое может быть получено на место­рождении с помощью рациональных в технико-экономическом отношении водозаборных сооружений при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требова­ниям в течение расчетного срока водопотребления».

Эксплуатационные запасы подземных вод на водозаборном участке могут формироваться за счет самых различных источ­ников— естественных запасов и ресурсов, привлекаемых запа­сов и искусственных ресурсов. Именно поэтому в процессе раз­ведки очень важно определить и оценить на каждом месторож­дении источники формирования эксплуатационных запасов под­земных вод.

Из этого понятия также следует, что эксплуатационные за­пасы пресных подземных вод оцениваются не вообще, а только применительно к участку каптажного сооружения, при этом схема водозабора доЛжна быть оправдана в технико-экономи­ческом отношении в зависимости от конкретных гидрогеологи­ческих условий.

В интересах теории и практики возникла необходимость вы­делить в классификационных схемах такие категории, как при­влекаемые ресурсы, искусственные запасы и ис­кусственные ресурсы, а также упругие запасы.

В табл. 3 представлена в обобщенном виде классификация количественных категорий пресных подземных вод. В ней от­ражены условия формирования различных видов запасов и ре­сурсов пресных подземных вод в природных и техногенных условиях. Как видно из схемы, в условиях ненарушенного зале­гания по генетическим признакам выделяются естественные запасы.

Под естественными ресурсами понимается величина питания водоносного горизонта в ненарушенных эксплуатацией нодземных вод гидрогеологических условиях. Естественные ре­сурсы складываются из всех приходных элементов баланса во­доносного горизонта: инфильтрации атмосферных осадков, при­влечения вод поверхностных водотоков и водоемов, перетекания из смежных водоносных горизонтов, притока подземных вод по водоносному горизонту из смежных геологических структур и др. Естественные ресурсы могут быть оценены и по сумме всех расходных элементов баланса водоносного горизонта: испаре­ния, родникового стока, подземного стока в реки, оттока под­земных вод по водоносному горизонту за пределы месторожде­ния и др.

Величина естественных ресурсов может изменяться по сезо­нам года и в течение нескольких лет в зависимости от интен­сивности питания водоносного горизонта. Средняя многолетняя величина питания подземных вод за вычетом испарений равна величине подземного стока. Именно поэтому при региональ­ных оценках естественные ресурсы подземных вод часто выра­жаются среднегодовыми или минимальными значениями модуля подземного стока.

В нарушенных эксплуатацией подземных вод гидрогеологи­ческих условиях, как отмечалось выше, питание водоносного горизонта может возрастать в результате улучшения условий инфильтрации атмосферных осадков, уменьшения испарения с поверхности грунтовых вод и транспирации и т. д.

Под естественными запасами понимается объем гравитационной воды, заполняющей поры, трещины и карсто­вые пустоты в водовмещающих породах. В напорном водонос­ном горизонте выделяются упругие естественные за­пасы — объем воды, высвобождающейся при вскрытии водо­носного пласта без его осушения и снижения в нем' пластового давления (при откачке или самоизливе скважин) в результате объемного расширения воды и уменьшения порового простран­ства самого пласта.

Естественные ресурсы подземных вод являются важнейшим источником формирования эксплуатационных запасов на конк­ретных водозаборных участках, поэтому данные о таких ресур­сах, полученные при разведке месторождений подземных вод, часто являются основным показателем эксплуатационной воз­можности того или иного объекта.

На многих месторождениях естественные запасы и ресурсы подземных вод являются основными источниками формирова­ния эксплуатационных запасов и поэтому играют существенную роль в оценке общей производительности водозаборного соору­жения.

Если на водозаборном участке отсутствуют другие источ­ники формирования подземных вод, то эксплуатационные за­пасы Q₃₃можно определить по формуле:

<2эз = Qep« Ч—^аи

где Qep — естественные ресурсы подземных вод; Уез — естест­венные запасы подземных вод; Т — время эксплуатации; аищ — коэффициенты извлечения ресурсов и запасов подземных вод.

Понятие эксплуатационные запасы является опре- - деляющим звеном в построении общей схемы классификации количественных категорий подземных вод.

В соответствии с классификацией, утвержденной ГКЗ СССР в 1983 г., эксплуатационные запасы подземных вод по степени изученности подразделяются на две группы: а) разведанные (категории А, В, Q) и предварительно оцененные (категория С₂; б) прогнозные ресурсы — подземных вод по степени обосно­ванности относятся к категории Р. Условия отнесения разведан­ных запасов подземных вод к той или иной категории достовер­ности рассмотрены в главе 15.

На площади некоторых месторождений эксплуатационные запасы могут формироваться за счет так называемых при­влекаемых ресурсов подземных вод, т. е. того коли­чества подземных вод, которое формируется в продуктивном горизонте на площади водозаборного участка не 'в естествен­ных условиях, а непосредственно в процессе эксплуатации во­дозаборного сооружения.

Естественные запасы подземных вод могут быть извлечены из недр только при осушении продуктивного горизонта, а упру­гие запасы — при снижении пластового давления (пьезометри­ческого уровня) в напорном водоносном горизонте.

Естественные ресурсы подземных вод, характеризующие все приходные или расходные статьи баланса водоносного гори­зонта, извлекаются из недр одновременно с естественными за­пасами. Привлекаемые ресурсы формируются в продуктивном горизонте только при эксплуатации водозаборного соору­жения.

' Рассматривая научные основы классификации количествен­ных категорий пресных подземных вод И. Н. Биндеман и Л. С. Язвин (1970 г.) справедливо подчеркивают огромное вли­яние окружающей среды на формирование эксплуатационных запасов подземных вод на водозаборных участках. Это влияние очень быстро проявляется на границах продуктивного водонос­ного горизонта непосредственно в процессе эксплуатации. Именно характер граничных условий фильтрационного потока в плане и разрезе определяет степень возобновляемости и усло­вия привлечения дополнительных ресурсов подземных вод, кроме того, от граничных условий зависит изменение во времени ве­личины запасов. В связи с этим в процессе разведки подземных вод большое значение имеют изучение и качественная оценка граничных условий продуктивного водоносного горизонта.

Как видно из приведенной схемы (см. табл. 3), в условиях искусственного восполнения подземных вод целесообразно вы­делить два основных понятия — искусственные запасы и искусственные ресурсы.

Искусственные з а п а с ы — это объем гравитационных подземных вод, накапливающихся в горных породах под влия­нием техногенных процессов (инженерной деятельности чело­века). Часто такие запасы подземных вод в недрах Земли соз­даются методом магазинирования поверхностных вод.

Искусственные ресурсы следует рассматривать как результат деятельности процессов искусственного, дополнитель­ного питания подземных вод, например на действующем водо­заборном сооружении. Искусственные ресурсы, как и естествен­ные, имеют размерность расхода в единицу времени. Практика показывает, что искусственные запасы и ресурсы подземных вод могут формироваться методом трансформации поверхност­ных вод с помощью специально создаваемых инженерных со­оружений. Искусственные запасы и ресурсы могут также фор­мироваться в природных емкостях вследствие неизбежных ин- фильтрационных потерь поверхностных вод из обводнительных или транспортных каналов, на площади водохранилищ и дру­гих сооружений.

Эксплуатационные запасы подземных "вод на водозаборных участках связаны со всеми рассмотренными выше количествен­ными категориями следующим общим балансовым уравнением:

<2эз = (Qep) а + + (Qnp) Р + Pi + AQ_np,

где Qnp — искусственные ресурсы; У_из — искусственные запасы; р и pi — коэффициенты извлечения ресурсов и запасов подзем­ных вод.

Приведенное выше уравнение^— по существу характеризует общую балансовую структуру эксплуатационных запасов под­земных вод, т. е. все возможные источники формирования де­бита каптажного сооружения.

При изучении гидрогеологических условий того или иного месторождения использование общего балансового уравнения позволяет четко охарактеризовать основные источники форми­рования эксплуатационных запасов подземных вод и таким образом определить основное направление проведения разве­дочных гидрогеологических работ. Это очень важное положение подробно рассмотрено в главах 7, 8, 9.