Гидрогеологические основы поисков и разведки пресных подземных вод

СОДЕРЖАНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ОСНОВНЫЕ понятия

Гидрогеологические основы поисков и разведки пресных ПОД^ земных вод следует рассматривать как научную базу разведоч­ной гидрогеологии. Она представляет собой совокупность ряда научных и методических положений, основными из которых яв­ляются: а) учение о месторождениях пресных подземных вод; б) классификация промышленных, типов месторождений прес­ных подземных вод. применительно к различным гидрогеологи­ческим условиям страны; в) закономерности распространения на территории СССР промышленных типов месторождений пресных подземных вод. Эти положения по существу предопре­деляют общее направление и методику проведения поисково- разведочных гидрогеологических работ для целей крупного во­доснабжения.

Как и все другие виды полезных ископаемых, пресные под­земные воды в верхней части гидрогеосферы образуют место­рождения, в пределах которых обычно и формируется то или иное количество естественных ресурсов и запасов.

Г..Н. Каменский, рассматривая в работе «Поиски и разведка подземных вод» различные формы нахождения подземных вод в природе и связь этих форм с определенными типами водовме- щающих структур, отмечал, что те места гидрогеологических структур, в пределах которых концентрируются ресурсы под­земных вод, можно было бы назвать водными месторож­дениями. В это понятие Г. Н. Камёнский вкладывал особое содержание, отражающее не только форму залегания водонос­ных пород, но и динамику, и режим вод. Придавая большое зна­чение связи между формой залегания водоносных пород и гео­логическими структурами в целом, он выделил девять типов водовмещающих структур и рассмотрел некоторые примеры, ха­рактеризующие гидрогеологические условия выделенных типов.

Учитывая современный уровень знаний в области региональ­ной гидрогеологии, накопленный опыт разведки и эксплуатации, а также современные запросы практики, вполне правомерно ввести в разведочную гидрогеологию научное понятие место­рождение пресных подземных вод.

Это понятие было предложено автором в 1959 г. В дальней­шем формулировка его совершенствовалась и уточнялась. В ин­струкции- ГКЗ СССР [14] приведена следующая формулировка: «Под месторождением подземных вод подразумевается прост­ранственно ограниченная часть водоносной системы, в пределах которой под влиянием естественных или искусственных факто­ров создаются благоприятные по сравнению с окружающими площадями условия для отбора подземных вод в количестве, достаточном для целевого использования их в народном хо­зяйстве».

Степень сложности гидрогеологических условий различных типов месторождений пресных подземных вод определяется не­сколькими факторами: условиями залегания, распространения и строения водоносных горизонтов, изменчивостью мощности и фильтрационных свойств водовмещающих парод, источниками формирования эксплуатационных запасов и гидрогеохимической обстановкой.

Ту часть месторождения подземных вод, где производится непосредственный их отбор для практического использования, можно назвать эксплуатационным, или водозабор­ным участком. На больших площадях месторождений под­земных вод может быть несколько водозаборных участков. От­сюда следует, что месторождения пресных подземных вод формируются преимущественно в самой верхней части гидрогео­сферы, в зоне активного подземного стока. Именно здесь на глу­бинах в среднем 300-—600 м формируется современная зона распространения основных ресурсов пресных подземных вод, участвующих в общем глобальном процессе влагооборота. На­ряду с этим в практике гидрогеологических работ были выяв­лены месторождения пресных подземных вод на больших глу­бинах (более 800 м), условия формирования которых изучены слабо. Ниже этих глубин, в зоне замедленного подземного стока, в гидрогеосфере формируются подземные воды повышен­ной минерализации.

Подземные воды являются единственным полезным ископа­емым, при эксплуатации которого происходит не только его рас­ходование, но и во многих случаях дополнительное формирова­ние на водозаборном участке, вызванное усилением питания. Не менее важной особенностью пресных подземных вод явля­ется возможность отбирать их непрерывно в течение практи­чески неограниченного времени.

Именно поэтому в понятии месторождения пресных подзем­ных вод учитывается не только объем вод, накапливающихся в продуктивном горизонте (как для других полезных ископае­мых), но и величина возможного их отбора для непрерывной эксплуатации. Величина отбора определяется не только запа­сами подземных вод в пласте, но и величиной питания, филь­трационными свойствами водовмещающих пород и другими факторами.

Месторождения пресных подземных вод, так же как и место­рождения всех других полезных ископаемых, имеют условные границы в плане и разрезе, определенные объемы и естественно- исторические условия формирования запасов.

В самом понятии месторождения пресных подземных вод есть некоторая условность. Например, в практике разведки под­земных вод на площади крупных артезианских бассейнов или речных долинах не так просто обосновать четкое выделение гра­ниц месторождений. В связи с этим в работе [11] совершенно справедливо подчеркивается, что в этих условиях при оценке эксплуатационных запасов подземных вод возникает необходи­мость учитывать возможное взаимодействие отдельных место­рождений между собой в процессе их эксплуатации.

Вместе с этим в природных условиях встречаются такие объ­екты, границы которых могут быть выделены довольно четко. Это относится, например^, к ограниченным водоносным* структу­рам, на площади которых водопроводимость пород продуктив­ного горизонта значительно может превышать водопроводимость вмещающих пород. Очевидно, в таких гидрогеологических ус­ловиях вполне допустимо проведение границ месторождения пресных подземных вод по геологическим границам водовме- щающей структуры.

Такой же подход к выделению границ месторождения под­земных вод применим и к узким речным долинам, где по бор­там долины часто распространены породы с более низкими фильтрационными показателями по сравнению с .водовмещаю- щими породами продуктивного горизонта — песчано-галечнико- выми аллювиальными образованиями.

Следует отметить, что этот раздел гидрогеологических основ поисков-и разведки подземных вод в настоящее время еще не­достаточно разработан. В этом направлении поиски более чет­кого определения научного понятия месторождения пресных подземных вод, в том числе основы выделения границ место­рождения, целесообразно продолжать.

Выше подчеркивалось, что практика на данном этапе разви­тия народного хозяйства постоянно требует разрешения проблем водоснабжения крупных объектов. В связи с этим для выбора научно-обоснованного направления поисково-разведочных ра­бот для таких целей целесообразно выделить из всех разновид­ностей месторождений пресных подземных вод те типы место­рождений, которые имеют большое практическое значение, т. е. месторождения промышленного типа.

Месторождения пресных подземных вод промышленного типа — это такие гидрогеологические объекты, которые на практике являются основными поставщи­ками значительных эксплуатационных запасов при решении проблем централизованного водоснабжения крупных городов,

промышленных центров, горнорудных предприятий, а также проблем орошения крупных массивов земель. Нижний предел эксплуатационных запасов подземных вод "для месторождений промышленного типа можно условно принять примерно до 5—8 тыс.м³/сут. Месторождения с эксплуатационными возмож­ностями ниже указанного предела могут быть отнесены к мел­ким объектам, ресурсы которых могут быть использованы глав­ным образом для децентрализованного водоснабжения мелких населенных пунктов.

К непромышленным типай месторождений подземных вод можно отнести, например, месторождения, распространенные на площади бассейнов трещинно-грунтовых вод зоны выветри­вания интрузивных, эффузивных, метаморфических и других некарстующихся пород. Исследования показывают, что на пло­щади таких бассейнов, где породы обычно обладают низкими фильтрационными показателями, отсутствуют благоприятные геолого-структурные условия для формирования крупных есте­ственных ресурсов и запасов подземных вод. Открытая трещи- новатость в них очень быстро затухает с глубиной. Следова­тельно, в данном случае нет оснований ориентировать разведку подобных месторождений на решение проблемы централизован­ного водоснабжения крупных объектов.

Это обстоятельство необходимо учитывать при постановке поисково-разведочных гидрогеологических работ. Игнорирование правильной оценки природных условий формирования место­рождений может привести к непроизводительным затратам на разведку месторождений подземных вод непромышленного ти­па. На площади распространения большой группы некарстую­щихся пород месторождения промышленного типа могут форми­роваться только в пределах крупных тектонических нарушений, имеющих сравнительно мощные, зоны дробления и брекчиро- вания.

Такие месторождения можно назвать месторождениями трещинно-жильного типа —это линейные потоки подземных вод, локализующиеся непосредственно в зонах дробления тектони­ческих нарушений (см. гл. 6).

Методика поисков, разведки и оценки эксплуатационных за­пасов на месторождениях пресных подземных вод непромыш­ленного типа сравнительно проста и достаточно подробно осве--- щена в ряде монографий и учебников. При наличии общих гидрогеологических данных по тому или иному району, где мо­гут быть распространены мелкие месторождения, сущность их разведки состоит в бурении одной или двух разведочных сква­жин для непосредственного вскрытия водоносного горизонта. Затем на скважинах, как правило, проводятся опытно-фильтра­ционные работы, главным образом для установления характера зависимости между дебитом выработки и понижением в ней динамического уровня Q = f (S), а также из скважины произво­дятся обычно не менее чем при двух понижениях уровня.

По характеру зависимости, установленной опытным путем, простыми аналитическими расчетами или графически (путем экстраполяции графика Q = f(S) можно определить максималь­но возможный дебит разведочной скважины. Если этот дебит удовлетворяет заявленную потребность в воде небольшого хозяйственного объекта, то, по существу, задачу по разведке источника водоснабжения можно считать решенной положи­тельно.

Учитывая, что приемы разведки месторождений подземных вод непромышленного типа просты и достаточно хорошо изве­стны, методика их изучения в настоящем учебном пособии не рассматривается.

Значительно сложнее обстоит дело с методикой разведки и оценки эксплуатационных запасов крупных месторождений под­земных вбд промышленного типа, которые используются для централизованного водоснабжения. Объясняется это необходи­мостью: а) отбора из продуктивного горизонта значительных объемов пресных подземных вод крупными водозаборными сооружениями, состоящими, как правило, из целой системы бу­ровых скважин; б) учета взаимодействия между буровыми сква­жинами внутри системы крупного водозаборного сооружения, а также между крупными водозаборными сооружениями, рас­положенными на площади месторождения; в) прогнозной оценки влияния интенсивного отбора подземных вод из недр земли на состояние геологической и окружающей среды в целом.

Из этого перечня задач можно сделать вывод, что методика разведки и оценки эксплуатационных запасов пресных подзем­ных вод на месторождениях промышленного типа является весьма сложной и принципиально отличается от изучения мел­ких объектов; этим проблемам и посвящено настоящее учебное пособие.

Введение в разведочную гидрогеологию понятий месторождение пресных вод, и тем более месторожде­ние промышленного типа имеет таким образом боль­шое научно-методическое и практическое значение. Эти понятия объединяют комплекс гидрогеологических признаков, а также условия формирования и масштабы использования пресных под­земных вод при решении проблем централизованного водоснабжения крупных объектов.

В разрезе месторождения пресных подземных вод могут за­легать несколько водоносных горизонтов, а нередко и водо­носный комплекс. Однако в числе распространенных на место­рождении водоносных горизонтов могут быть такие, в пределах которых по комплексу признаков формируются основные есте­ственные ресурсы и запасы месторождения, а также складываются условия, благоприятные для их отбора. К таким призна­кам можно отнести: а) мощность водоносного горизонта и литологический состав водовмещающих пород; б) высокие фильтрационные показатели водоносных пород и их относи­тельно слабую изменчивость в плане и разрезе; в) постоянно действующие источники питания, а также гидравлическую связь водоносных горизонтов с поверхностными водами и т. д.

Водоносные горизонты, которые по ряду гидрогеологических признаков могут быть основными поставщиками эксплуатацион­ных запасов пресных подземных вод на данном объекте при разрешении конкретных проблем централизованного водоснаб­жения, можно назвать продуктивными.

Выбор под разведку продуктивного водоносного горизонта на месторождении может производиться по результатам анализа материалов ранее проведенных исследований, по опуту экс­плуатации действующих водозаборных сооружений или по ре­зультатам поисковых работ.

К факторам, определяющим закономерности формирования промышленного типа месторождений подземных вод, можно от­нести геолого-структурные, гидрогеологические, геоморфологи­ческие, климатические, гидрологические И технические.

Геолого-структурные факторы являются основ­ными, определяющими условия образования и залегания водо- вмещающих структур, литологический состав водосодержащих и разделяющих горных пород, закономерности формирования фильтрационных и емкостных свойств пород и их пространствен­ную изменчивость, условия взаимосвязи подземных вод различ­ных горизонтов и т. д.

Гидрогеологические факторы обусловливают гидродинамический режим и структуру фильтрационного потока подземных вод, режим отбора (безнапорный, упруговодонапор- ный), условия питания, естественной разгрузки, формирования химического состава, а также влияние отбора подземных вод на состояние окружающей среды и др.

Геоморфологические факторы определяют для некоторых типов месторождений условия формирования про­дуктивного водоносного горизонта в плане и разрезе, а также фильтрационных свойств водовмещающих и разделяющих слоев (например, водоносных песчано-галечниковьхх толщ в речных долинах и конусах выноса).

Гидрологические факторы наиболее существенно определяют условия питания подземных вод в результате ин­фильтрации поверхностных вод, взаимосвязь поверхностных и подземных вод, а также возможность привлечения поверхност­ных вод на водозаборном участке.

Климатические факторы определяют естественные условия питания подземных вод за счет инфильтрации атмо­сферных осадков, естественной разгрузки подземных вод путем испарения, транспирации растительности и т. д.

Технические факторы определяют возможность при- . менения рациональной в технико-экономическом отношении си­стемы эксплуатации пресных подземных вод; учитывающей глу­бину отбора подземных вод, оптимальный дебит эксплуатацион­
ных скважин, конструктивные особенности каптажного соору­жения и др.

Таким образом, формирование промышленных типов место­рождений пресных подземных вод является многофакторным процессом, что и учитывается при их классификации.