Бурение скважин | Технология | Цены | Фото и видео | Техническая литература

Техногенные изменения свойств геологической среды под влиянием эксплуатации подземных вод

Техническая литература

Станок для бурения БУР-50:

Техногенные изменения свойств геологической среды под влиянием эксплуатации подземных вод

ВЛИЯНИЕ (ОТБОРА ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ИЗМЕНЕНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Современный этап эксплуатации подземных вод в нашей стране характеризуется двумя отличительными признаками: а) интенсификацией отбора подземных вод из недр Земли для целей централизованного водоснабжения и орошения крупных массивов; б) концентрацией водоотбора системами, крупных водозаборных сооружений, сосредоточенных на сравнительно небольших площадях.
Интенсивная эксплуатация подземных вод системой сосредоточенных крупных водозаборов всегда формирует в той или иной степени целый комплекс техногенных процессов, влияние которых и приводит к значительному изменению гидрогеологических и инженерно-геологических условий в сфере влияния водозаборного сооружения.

Под техногенными процессами следует понимать тесно связанные между собой гидрогеологические, инженерно- геологические, геокриологические, биогидрогеохимические процессы, формирующиеся под влиянием инженерной деятельности человека и влияющие на свойства основных компонентов геологической среды (горные породы, подземные воды, газы, микроорганизмы) и нередко на окружающую среду в целом. По академику Е. В. Ферсману, совокупность проявления техногенных процессов приводит к формированию в верхней части земной коры различного профиля техногенеза.

Из многочисленных техногенных процессов, формирующихся на водозаборном участке, относительно изученными являются процессы, характеризующие нарушение режима взаимосвязи подземных и поверхностных вод, развитие на водозаборном участке депрессионной воронки, механизм снижения пластового давления продуктивного напорного горизонта, процессы вторичной консолидации осушенных рыхлых пород и др. Для прогнозной оценки этих техногенных процесов в настоящее время разработаны приближенные гидродинамические методы: а) аналитических расчетов; б) методы моделирования процессов на современных АВМ и ЭЦВМ. Механизм формирования таких техногенных процессов, как суффозионно-карстовые, фильтра- ционно-суффозионные, процессы окисления, биогеохимические процессы и др., изучен очень слабо, методика прогнозной оценки их в настоящее время не разработана, что несомненно, затрудняет прогнозирование этих процессов и своевременное принятие мер защиты от негативного их воздействия на окружающую среду. В этом направлении требуется проведение специальных научно-методических исследований.

При разведке подземных вод очень важно заблаговременно прогнозировать масштабы возможного негативного влияния техногенных процессов, на изменение основных компонентов окружающей среды. В этом отношении целесообразно все известные крупные водозаборные сооружения подразделить на три основные группы: 1) расположенные в долинах рек или вблизи водоемов (озер или водохранилищ), дебит которых формируется преимущественно за счет привлекаемых ресурсов (береговая инфильтрация поверхностных вод); 2) на площади бассейнов безнапорных трещинно-карстовых вод карбонатных пород; 3) на площади изолированных от поверхности артезианских горизонтов, где дебит водозаборов формируется преимущественно за счет отбора упругих запасов напорных вод. Как показывает опыт, при эксплуатации первой группы водозаборных сооружений обычно наблюдаются незначительные изменения окружающей среды. На участках инфильтрационных водозаборов, как правило, очень быстро устанавливается стационарный режим фильтрационного потока; размеры воронки депрессии (сферы влияния) составляют единицы или первые десятки квадратных километров. В таких гидрогеологических условиях техногенные процессы наиболее существенное влияние могут оказать на изменение свойств собственно геологической среды: кольматация и заиление русловых отложений реки, ухудшение ландшафтных условий, изъятие части поверхностного стока и др. В случае загрязнения поверхностных вод устойчивыми химическими компонентами может ухудшиться качество подземных вод на водозаборном участке.

Вместе с тем .в долинах рек, не имеющих постоянно действующих поверхностных водотоков, когда отсутствует питание подземных вод, депрессионная воронка при эксплуатации групповых водозаборов может развиваться на больших площадях (несколько десятков квадратных километров). В таких условиях отмечается существенное влияние процессов дренирования на режим почвенной влаги, в том числе в прилегающих лесных массивах, что отражается на ландшафтных условиях в целом.

При эксплуатации водозаборных сооружений второй группы весьма интенсивно развиваются суффозионно-карстовые процессы — образование на поверхности воронки обрушения и, как следствие, деформация поверхностных сооружений и подземных коммуникаций.

Наиболее интенсивного изменения окружающей среды можно ожидать при эксплуатации водозаборных сооружений третьей группы. В период сработки упругих запасов четко выражается, тенденция постоянного снижения пьезометрических уровней напорных вод; при этом депрессионная воронка нередко достигает по площади нескольких сот квадратных-километров, оказывая существенное влияние на формирование таких техногенных процессов, как депрессионное уплотнение песчано-глинистых пород, перекрывающих продуктивные водоносные горизонты напорных вод, процессов взаимодействия между водоносными горизонтами и др. Однако в условиях, когда проявляются процессы взаимодействия между водоносными горизонтами (процессы перетекания со стороны вышележащих водоносных горизонтов и поверхностных вод), на водозаборных сооружениях, расположенных на площади артезианских бассейнов, значительно снижается общая степень воздействия эксплуатации подземных вод на окружающую среду (стабилизируется площадь депрессионной воронки, снижается дренирующее влияние водозабора на окружающую среду, на участке формируется стационарный режим фильтрационного потока).

Рассмотрим весьма кратко механизм некоторых техногенных процессов и их влияние на изменение основных компонентов окружающей среды. 1. Изменение режима взаимосвязи подземных и поверхностных вод. Наиболее часто оно проявляется на действующих водозаборных сооружениях инфильтрационного типа, на долю которых в нашей стране приходится примерно до 62 % всего отбора подземных вод.

В ненарушенных условиях речные долины играют роль естественных дрен, а водоносные аллювиальные образования — регулировочных емкостей. Эксплуатация инфильтрационных водозаборов всегда приводит к нарушению естественного режима взаимосвязи подземных и поверхностных вод, при этом наибольшее влияние водоотбор может оказать на режим речного стока. Это влияние неоднозначно. Оценка влияния отбора подземных вод на изменение расхода поверхностного водотока является весьма важной задачей при определении общих водных ресурсов той или иной территории и составлении водохозяйственных балансов. Сокращение речного стока и его изменение во времени определяются многими факторами. В паводковый период отбор подземных вод вообще может не сказаться на режиме поверхностного стока. Таким образом, при эксплуатации инфильтрационных водозаборов должна решаться задача о рациональном комплексном использовании подземных и поверіхностньїх вод. В некоторых случаях поверхностные воды могут иметь техногенное загрязнение. Тогда может возникнуть задача по прогнозной оценке возможного загрязнения подземных вод на водозаборном участке.

Все особенности изменения поверхностного стока при эксплуатации инфильтрационных водозаборов необходимо учитывать при разведке и оценке эксплуатационных запасов подземных вод. В настоящее время разработаны аналитические решения, позволяющие прогнозировать изменение режима поверхностного стока при эксплуатации подземных вод в речных долинах, находящихся в достаточно простых гидрогеологических условиях (см. гл. 22); в сложных гидрогеологических условиях для этих целей следует применять хорошо разработанные методы математического моделирования.

2. Влияние отбора подземных вод на ландшафтные условия не всегда является однозначным. В одних случаях отбор подземных вод способствует осушению прилегающих переувлажненных земель (заболоченных территорий), предотвращает процессы вторичного засоления почв при орошении земель, в других— интенсивная эксплуатация подземных вод может вызвать негативные последствия в окружающей среде. Снижение уровня подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта, связанное с отбором подземных вод, может привести к иссушен нию почвенного покрова, а следовательно, к угнетению или даже к гибели растительности, переосушению прилегающих сельскохозяйственных угодий, обмелению озер, мелких рек и т. д. Все это может коренным образом повлиять на изменение ландшафтных условий территорий. В связи с этим в подобных случаях возникает необходимость учета экологических последствий отбора подземных вод из недр Земли и разработки комплекса защитных мероприятий по компенсации негативных последствий. В настоящее время научные основы и методы прогнозной оценки влияния интенсивного отбора подземных вод на окружающую среду только начинают разрабатываться. Эта проблема является комплексной: в ее решении должны принимать участие специалисты в области гидрогеологии, инженерной геологии, биологии, географии, почвоведения, ирригации и других наук, изучающих условия природопользования. В целом проблема влияния отбора подземных вод на ландшафтные условия требует проведения фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований.

Такие комплексные исследования, по-видимому, целесообразно организовать в первую очередь на представительных крупных водозаборах.
3. Вторичная консолидация осушенных рыхлых пород и де- прессионное уплотнение пород надпродуктивной толщи, возникающие при длительной эксплуатации подземных вод, могут быть объединены в одну группу. Длительные и мощные откачки подземных вод приводят к снятию «взвешивающего» гидростатического давления воды, а следовательно, приводят к увеличе- нию сил тяжести и возрастанию эффективной нагрузки слоев, что вызывает вторичное их уплотнение и, как следствие, деформацию поверхности, поверхностных сооружений и подземных коммуникаций. Наибольшие оседания поверхности, как показали исследования, отмечаются на водозаборных участках со значительными снижениями уровня подземных вод. Подобные примеры хорошо известны из опыта эксплуатации подземных вод в Японии, США, Нидерландах, Италии, Великобритании, Венесуэле, Мексике и других странах [26]. Наиболее интенсивно вторичная консолидация отмечается в глинистых, суглинистых, сапропелевых, гидрофильных и песчаных отложениях. В зависимости от интенсивности водоотбора и гидрогеологического строения, скорости проседания земной поверхности, как показывает опыт зарубежных стран, достигают до 10—30 см в год, а в отдельных случаях 50—75 см в год. В некоторых районах суммарное проседание земной поверхности за несколько лет составило от 3 до 9 м (города Токио, Осака, Ниагата, Мехико, Хьюстон, Лонг-Бич, Аризона и др.). Подобные катастрофические просадки приводят к образованию на поверхности глубоких трещин, разрывам фундаментов зданий и подземных коммуникаций, затоплению и подтоплению городских территорий, примыкающих к морям, водоемам и речным долинам. Просадки в горных породах, нередко достигающие 22_% от общего объема откачанной воды, являются чаще всего (особенно на первых этапах развития техногенного процесса) следствием лишь упругих деформаций. А поэтому после прекращения водоотбора и. восстановления уровней подземных вод проседание не только приостанавливается, но и в некоторых случаях отмечается обратный процесс — подъем земной поверхности. Негативные последствия, вызванные просадками поверхности, могут быть сокращены путем изменения режима водоотбора (сокращение и перераспределение водоотбора, искусственное восполнение запасов подземных вод, нагнетание сжатого воздуха в водоносные горизонты для поддержания пластового давления и др.).

Процесс просадок земной поверхности, несмотря на его сложность и многофакторность, поддается прогнозированию. Эти прогнозы, 'вытекающие из теории консолидации пород, основаны на численном решении дифференциальных уравнений плановой нестационарной фильтрации и уравнений деформации глинистых грунтов. Подобные расчеты хотя и являются приближенными, однако вполне отвечают запросам практики. Они позволяют в каждом конкретном случае оценивать влияние водоотбора на возможное оседание поверхности, а также составить прогнозные карты развития просадок земной поверхности на водозаборных участках. Для приближенных расчетов возможного оседания поверхности в процессе осушения рыхлых пород можно воспользоваться следующим уравнением:
5=_Д7»ДА_Л1в + _АА\ (18Л)
Е У \ 2 )
где 5 — величина оседания (уплотнения) пород; Дуп — увеличение веса зерен грунта вследствие осушения; Ah— осушенная часть водоносного горизонта; Еу — коэффициент уплотнения осушенных пород; /ін — остаточная неосушенная часть водоносного горизонта.
Увеличение веса зерен осушенных пород можно определить по формуле:
Ауга = (1— п) ув,
где п — объем осушенных пород; ув — плотность воды. Значения приведены в табл. 20.

Таблица 20. Значения коэффициентов уплотнения для различных пород

Породы	Коэффициент уплотнения для пород, МПа
Породы	разрыхленных	средней плотности	плотных
Песок
разнозернистый	10—30	30—50	50—80
тонкозернистый	8—12 -	12—20	20—30
Гравий с песком	30—80	80—100	100—200
Глины мягкие	2—5	5-8	120—200
Грубозернистый ил	5—8	10—15	20—40

4. Суффозионно-карстовые техногенные процессы довольно часто проявляются при длительной эксплуатации трещинно-кар- стовых вод в древних карстовых полостях карбонатных пород.
Эти процессы проявляются на площади распространения скрытых древних карстовых полостей (не обнажающиеся на поверхности), заполненных слабо водопроницаемыми рыхлыми образованиями. В условиях нарушенного гидрогеологического режима, на участке водозаборного сооружения фильтрационный поток имеет повышенные градиенты. В результате этого интенсивно проявляется эрозионно-суффозионная деятельность трещинно-карстовых вод: происходит разрушение и вынос из древних карстовых полостей мелкозернистого материала. Эрозионная деятельность достигает поверхности, поэтому образуются четко выраженные в рельефе воронки обрушения, с которыми нередко связана деформация прилегающих поверхностных сооружений и подземных коммуникаций. Все это может привести к серьезным авариям и перебоям в работе водозабора. Наблюдениями было установлено, что эти процессы на водозаборных участках развиваются очень медленно (отмечены случаи их проявления через 10—15 лет после начала эксплуатации).
Несмотря на простоту механизма суффозионно-карстовых техногенных процессов, методика их прогнозной оценки в настоящее время не разработана. В связи с этим целесообразно: а) в период разведки месторождений трещинно-карстовых вод проводить специальные геофизические работы и бурение поисковых скважин с целью обнаружения скрытых карстовых полостей, в которых потенциально могут развиваться суффози- онно-карстовые процессы; б) провести обобщение и анализ гидрогеологических материалов по опыту эксплуатации близко расположенных к разведочному участку месторождений трещинно-карстовых вод; в) разработать методику прогнозной оценки процесса и мероприятия по предотвращению негативного влияния суффозионно-карстовых процессов на окружающую среду. Как видно из изложенного выше, на современном этапе постановки поисково-разведочных гидрогеологических работ принципиально новым положением является то, что разведку месторождений подземных вод и оценку их запасов следует рассматривать не как обычную инженерно-техническую задачу, а как комплексную проблему, содержание которой определяется также требованиями рационального их использования и охраны геологической и окружающей среды в целом. - Отсюда и возникают требования к содержанию работ в указанном направлении как на стадии разведки месторождений подземных вод, так и на стадии их эксплуатации. Прежде всего необходимо, чтобы исследования эти носили комплексный характер: гидрогеологические исследования "должны проводиться одновременно (и в рациональном сочетании) с инженерно-геологическими исследованиями по единой программе.

Могут быть рекомендованы следующие основные виды работ.
1. Изучение в стадию разведки результатов опыта эксплуатации и техногенных процессов на действующих в аналогичных гидрогеологических условиях'водозаборных сооружениях. Анализ собранных гидрогеологических и инженерно-геологических материалов по действующим водозаборам может дозволить провести сравнительную оценку условий будущей эксплуатации разведываемого месторождения методом аналогии и наметить исследования с целью сбора дополнительной информации для прогнозной оценки возможного развития техногенных процессов и степени их негативного влияния на изменение окружающей среды. 2. На основании имеющихся данных разведки и проектной производительности водозабора выполнить на изучаемом объекте ориентировочные аналитические расчеты, определяющие возможное развитие по площади районной депрессионной воронки и проанализировать по этой площади геолого-гидрогеологические условия возможного развития тех или иных техногенных процессов. Для месторождений с весьма сложными гидрогеологическими условиями тзкие задачи целесообразно решать методом предварительного математического моделирования на АВМ и ЭЦВМ.
В сложных условиях на некоторых объектах может возникнуть необходимость проведения дополнительного рекогносцировочного обследования площади предполагаемого развития депрессионной воронки.
3. Изучение инженерно-геологических условий на участке водозаборного сооружения, предусмотренное требованиями Инструкции ГКЗ СССР [14], целесообразно проводить с учетом прогнозной оценки возможного их изменения под негативным влиянием техногенных процессов.
4. Для прогнозной оценки техногенных процессов, возникающих непосредственно в инженерных сооружениях (в фильтрах буровых скважин, инфильтрационных бассейнах и др.), целесообразно провести на месторождении -опытные технологические испытания (а для сложных условий физическое моделирование) их конструкций с тем, чтобы по результатам таких исследований разработать соответствующие рекомендации.
5. Организовать на крупных объектах разведки одновременно с созданием опорной гидрогеологической сети для изучения режима подземных вод опорную инженерно-геологическую сеть (система геодезических реперов) с целью стационарного инструментального наблюдения за изменением инженерно-геологических условий на площади водозаборного участка и предупреждения возможного негативного воздействия техногенных процессов. ' 6. На стадии эксплуатационной разведки месторождений подземных вод целесообразно продолжить на действующих водозаборных сооружениях стационарные изучения режима техногенных процессов (в общем комплексе режимных гидрогеологических и инженерно-геологических наблюдений) с целью принятия оперативных мер по предотвращению их негативного воздействия на геологическую среду.