Оценка естественных ресурсов и естественных запасов

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ОЦЕНКА ЕСТЕСТВЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

В настоящее время в гидрогеологии разработано несколько методов оценки естественных ресурсов подземных вод, которые успешно используются как при их определении в региональном масштабе (для всей площади распространения водоносных горизонтов), так и при разведке отдельных водозаборных участков. Региональная оценка естественных ресурсов подземных" вод обычно производится для значительных территорий с целью получения, средней или суммарной характеристики общих ресурсов. Результаты региональных исследований применяют для составления схем комплексного использования водных ресурсов крупных территорий, оценки роли подземного стока в общем водном балансе, перспективного планирования их использования, а также региональной оценки различных геологогеохими ческих процессов. В связи с этим методы региональной оценки естественных ресурсов в настоящей работе не рассматриваются.

Методика региональной оценки естественных ресурсов достаточно подробно изложена в работах Б. И. Куделина, И. С. Зек цера, В. А. Всеволожского, И. Ф. Фиделли и др.

В табл. 15 в качестве общего обзора приведены основные методы оценки естественных ресурсов подземных вод, заимствованные из работы [11].

Определение естественных ресурсов и естественных запасов подземных вод на площади некоторых месторождений (где отсутствуют условия привлечения ресурсов подземных вод за счет инфильтрации поверхностных вод) чаще всего производится с целью оценки степени обеспеченности собственно эксплуатационного отбора подземных вод на проектируемом водозаборном участке. В этом случае суммарное значение естественных ресурсов и запасов можно рассматривать как нижний предел эксплуатационных запасов разведочного участка.

Приведем краткое описание некоторых наиболее распространенных в практике поисковоразведочных гидрогеологических работ методов оценки естественных ресурсов подземных вод.

Расчет расхода потока в его поперечном сечении можно произвести по уравнению Дарси:

Q_p=_Mid_Mi_ _{7> (14Л)}

где кх и k₂ — коэффициенты фильтрации водоносного горизонта в его поперечных сечениях выше и ниже по потоку, расположенных перпендикулярно к направлению движения потока; F\ и F₂— соответствующие площади поперечных сечений потока; 1 — среднее значение напорного градиента между сечениями.

В практике разведочных работ чаще всего производится оценка расхода потока по одному, наиболее характерному, разведанному поперечнику; значение уклона потока при этом определяется по карте гидроизогипс.

При разведке месторождений грунтовых вод аллювиальных отложений широких речных долин, когда разбурен специальный поперечный профиль потока, целесообразно для повышения достоверности оценки расхода потока учитывать неоднородность фильтрационных свойств водовмещающих пород и различные значения уклона потока. С этой целью по данным буровых, геофизических и опытнофильтрационных работ целесообразно вначале составить фильтрационный профиль речной долины, на котором следует выделить отдельные фильтрационные блоки с различными значениями коэффициента фильтрации водоносных пород (рис. 41). При таком приеме, как видно из схемы,

естественный расход потока будет складываться из расходов потока по отдельным фильтрационным блокам:

QecT = k_xF_xl х + k₂F₂, (14.2)

где k\, k₂, ...,k_n — коэффициенты фильтрации соответствующих фильтрационных блоков; F_x, F₂, ..., F_n — соответствующие им значения площади поперечного сечения; /_ьh,...,I_n— уклоны фильтрационного потока по блокам.

Значения уклона фильтрационного потока при этом необходимо принимать по гидроизогипсе,_ расположенной выше по потоку от разведанного поперечника между гидроизогипсами. На рис. 42 в качестве примера представлен поперечный фильтрационный профиль широкой долины р. Ангрен.

Как видно из приведенного описания, для оценки естественных ресурсов подземных вод по расходу фильтрационного потока, на разведочном участке необходимо провести бурение гидрогеологических скважин, а также опытнофильтрационные исследования для определения фильтрационных свойств водовмещающих пород.

Основным недостатком гидродинамического метода оценки естественных ресурсов является невозможность определения многолетней изменчивости параметров подземного стока и расчетов среднемноголетних его значений. Многолетнюю изменчивость ресурсов можно приближенно оценить по данным режимных наблюдений.

1 — коренные породы; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — скважины; 4 — границы блоков. F — площадь фильтрационного блока 'в квадратных методах. ? —среднее значение коэффициента фильтрации по блоку

Метод оценки естественных ресурсов подземных вод по величине их ежегодного питания за счет инфильтрации атмосферных осадков для месторождений трещиннокарстовых вод замкнутых бассейнов (ограниченных по площади структур) был разработан С. К. Калугиным, для условий аридного климата. Особенности гидрогеологических условий аридной зоны состоят в том, что питание подземных вод происходит главным образом в период весеннего снеготаяния. Сущность метода состоит в экспериментальном определении элементов баланса влаги на опытном участке. С этой целью на площади разведываемого месторождения необходимо выбрать опорный микробассейн (стоковая площадка) для стационарных наблюдений. В пределах опытного бассейна в предвесенний период с частотой 1— 2 раза проводится снегомерная съемка для определения запасов влаги в снеге. Количество влаги в снежном покрове затем суммируется с атмосферными осадками, выпавшими в период снеготаяния на площади опытного микробассейна. Это суммарное количество влаги С. К. Калугин назвал «эффективными осадками». В этом случае инфильтрационное питание трещинно карстовых вод можно определить по следующему уравнению баланса влаги в замкнутом бассейне:

<2ннф = *_Эф—(у_в + г_в), (14.3)

где х_Эф — эффективные атмосферные осадки; у_в — весенний поверхностный сток; г_в — испарение в течение периода весеннего стока.

В связи с тем, что уравнение (14.3) не учитывает возможные потери влаги на насыщение пород зоны аэрации, результаты расчета инфильтрационного питания подземных вод являются несколько завышенными. Поэтому целесообразно этот метод применять для условий при относительно неглубоком залегании уровня подземных вод (5—20 м).

Для поисковой стадии работ величину ежегодного питания подземных вод за счет инфильтрации предвесенних атмосферных осадков приближенно можно определить по формуле (для месторождений с безнапорным уровнем):

(14.4)

где Mi — количество осадков в зимневесенний период; F — пло щадь'распространения водоносного горизонта; 7 = 365 сут; а — коэффициент инфильтрации атмосферных осадков, определенный по аналогии с изученным районом.

Гидродинамический метод для общей оценки питания подземных вод по данным режимных наблюдений может быть применен при разведке месторождений подземных вод. Его сущность состоит в определении параметров

питания подземных вод по данным стационарных наблюдений за режимом уровня подземных вод в скважинах опытного участка с использованием уравнений неустановившейся фильтрации грунтовых вод по методу конечных разностей, предложенному Г. Н. Каменским. В реальных условиях поисковоразведочных гидрогеологических работ этот метод применяется редко.

Из балансовогидрометрических м ,е т о д о в в практике разведочных работ широко применяется метод оценки естественных ресурсов подземных вод по суммарной величине родникового стока. На некоторых месторождениях подземных вод очень четко фиксируется на поверхности зона естественной разгрузки в виде крупных родников (например, на месторождениях конусов выноса, трещиннокарстовых вод и др.). При таких природных условиях оценку естественных ресурсов подземных вод можно выполнить по величине суммарного дебита родников в зоне их разгрузки, хотя последний не всегда отражает реальное их значение, особенно в аридных зонах, где испарение влаги на участках выхода родников достигает больших объемов. С этой целью в зоне естественной разгрузки подземных вод должны быть организованы стационарные наблюдения за режимом дебита родников.

Согласно требованиям Инструкции ГКЗ СССР [15], результаты режимных наблюдений за дебитом родников могут быть непосредственно использованы для оценки собственно эксплуатационных запасов подземных вод. Минимальный среднесуточный , дебит родников 95%ной обеспеченности, установленный режимными наблюдениями, может быть отнесен к категории эксплуатационных запасов А, если наблюдения проводились более трех лет, и к категории В, если изучение режима родников проводилось не менее года, при условии, если эксплуатация намечена путем прямого каптирования родников.

Гидрометрический метод оценки естественных ресурсов подземных вод разведочного участка основан на определении разности расхода реки в двух гидрометрических створах. При этих замерах один наблюдательный створ должен быть расположен выше по потоку реки от разведочного участка, а второй — ниже. Зафиксированное при этом изменение расхода поверхностных вод между потоками может быть равно значению подземного стока из дренируемого продуктивного горизонта. При стационарном изучении режима подземного стока в реки для оценки естественных ресурсов целесообразно использовать среднегодовые его значения. Рассматриваемый метод определения расхода подземного стока, хотя и является простым, однако для успешного его использования наблюдательные гидрометрические створы должны быть размещены таким образом, чтобы разность замеренных в них расходов потока превышала суммарную величину погрешностей измерения.

Большое значение для решения практических задач имеют

гидрологические методы оценки естественных ресурсов подземных вод. Из группы этих методов наиболее широко распространен метод расчленения гидрографа реки для гидравлически связанных с рекой горизонтов, который применяется главным образом для оценки естественных ресурсов подземных вод в региональном плане. Оценка естественных ресурсов подземных вод по этому методу выполняется на основе обработки имеющихся материалов (иногда дополнительных полевых материалов) по гидрогеологии и гидрологии.

Сущность этого метода заключается в построении гидрографа внутригодового речного стока и выделении на графике подземной составляющей, которая характеризует величину естественных ресурсов подземных вод. В зависимости от условий дренирования речной долины тех или иных распространенных в районе водоносных горизонтов и степени гидравлической связи подземных и поверхностных вод, подземная составляющая речного стока может характеризовать естественные ресурсы как грунтовых, так и напорных вод зоны дренирования речной сетью.

ПрН оценке естественных ресурсов подземных вод в региональном плане обычно рассчитывается модуль подземного стока — расход подземного потока с единицы площади распространения водоносного горизонта. Среднегодовой модуль подземного стока М_п можно оценить по следующей зависимости:

М = ^W00Q" , (14.5)

FT ^v

где Q_a — годовой подземный сток, определенный по гидрографу, F— площадь воДоносных горизонтов, распространенных в пределах изучаемого бассейна; Т — время в годовом исчислении.

Если построить для района исследований карту подземного стока (выраженного в миллиметрах слоя воды), то для любой площади водосборного бассейна (например, для площади детальных поисковых работ) естественные ресурсы подземных вод могут быть определены по следующей зависимости:

Qep = 2,74ftF, (14.6)

где Qep — естественные ресурсы подземных вод; h — слой подземного стока; F'—оцениваемая площадь, в пределах которой формируются естественные ресурсы подземных вод.

Если карта подземного стока представлена в изолиниях модуля подземного стока, то естественные ресурсы подземных ВОД могут быть определены, исходя из следующей зависимости:

Qecx = 86,4M_nF, (14.7)

где F — площадь водосбора подземных вод.

Оценка естественных ресурсов подземных вод по методу расчленения гидрографа рек достаточно подробно изложена в работах Б. И. Куделина, И. С. Зекцера, В. А. Всеволожского, И. Ф. Фиделли и др.