19 Методы оценки эксплуатационных запасов подземных вод

Эксплуатационные запасы подземных вод оценивают путем получения доказательств возможности эксплуатации подземных вод водозабором с заданным дебитом в течение определенного срока или неограниченно долгое время. В конечном итоге оценка запасов сводится к расчету конечных величин понижения уровня воды в скважинах водозабора в основном при заданном дебите скважин.

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод осуществляется методами гидродинамическим, гидравлическим, балансовым, методом математического моделирования и методом гидрогеологических аналогий.

Гидродинамический метод. Оценка запасов этим методом заключается в расчетах по формулам, полученным из уравнений математической физики и теоретической гидродинамики. И уравнения, и полученные из них формулы являются достаточно строгими с физической и математической точек зрения. Расчеты производят применительно к той или иной расчетной схеме, соответствующей конкретным гидрогеологическим условиям с учетом начальных и граничных условий потока и гидрогеологических параметров водоносного пласта в пределах рассматриваемой области фильтрации.

Гидродинамический метод целесообразно применять для оценки запасов месторождений 1-й и 2-й групп сложности. Для месторождений с очень сложными гидрогеологическими условиями следует пользоваться другими методами. Во многих случаях гидродинамический метод не требует дополнительных расчетов при оценке степени обеспеченности разведанных запасов.

Расчет эксплуатационных запасов подземных вод выполняют следующим образом.

1 Учитывая заявленную потребность в воде и расчетный дебит каждой скважины, определяют общее количество скважин в проектируемом водозаборе.

2 Затем выбирают наиболее рациональную схему расположения скважин, исходя из гидрогеологических условий участка водозабора.

3 Применительно к выбранной схеме расположения скважин и обоснованной расчетной схеме выбирают расчетную формулу, по которой определяют расчетное понижение уровня подземных вод S_рас. Оно не должно превышать допустимую величину понижения S_доп. Если условие S_pac < S_доп. выполняется, то эксплуатационные запасы для данного участка могут считаться обеспеченными, При невыполнении этого условия следует уменьшить суммарный водоотбор или выбрать другую схему расположения скважин.

Допустимое понижение S_доп. устанавливают в каждом конкретном случае в зависимости от сложности гидрогеологических условий, технико-экономических факторов и технических требований эксплуатации. Для безнапорных водоносных горизонтов эта величина обычно принимается равной 50—70% их мощности. Допустимое понижение в напорных водоносных пластах равно величине напора над кровлей пласта плюс 50—70% их мощности (если предусматривается в процессе эксплуатации частичное осушение пласта).

Высокую точность формул динамики подземных вод нельзя отождествлять с реальной точностью расчетов эксплуатационных запасов подземных вод. Наиболее важный этап оценки эксплуатационных запасов подземных вод — схематизация природных условий, которая является решающим фактором при применении тех или иных типовых решений.

Для полной достоверности прогнозов следует гидродинамический метод использовать в совокупности с методом математического моделирования, особенно для сложных гидрогеологических условий.

Гидравлический метод. Этот метод оценки запасов базируется на использовании опытных данных с их последующей экстраполяцией. Расчетный дебит водозабора или предполагаемое понижение уровня в скважинах водозабора оценивают по эмпирическим данным, полученным при проведении опытно-фильтрационных работ или эксплуатации водозабора. Метод применяется при решении следующих задач:

^__ выяснение зависимости понижения уровня воды в скважине от дебита;

^__ определение срезок уровня при расчетах взаимодействующих скважин;

^__ прогноз роста депрессионной воронки при эксплуатации группового водозабора.

Достоинством гидравлического метода является комплексный учет гидрогеологических факторов, обусловливающих работу скважин (сопротивление в прискважинной зоне, нарушения линейного закона фильтрации, литологическая неоднородность пласта, наличие различных границ пласта и др.). Поэтому этот метод целесообразно использовать на месторождениях со сложными и очень сложными гидрогеологическими условиями (карстовые воды, трещинные воды и др.), где трудно использовать другие методы, а также в районах действующих водозаборов.

К недостаткам метода следует отнести невозможность определить обеспеченность восполнения эксплуатационных запасов подземных вод, поскольку опытные зависимости не включают элементов баланса потока подземных вод. Поэтому гидравлический метод обычно используется совместно с гидродинамическим пли балансовым.

Балансовый метод. Водный баланс какого-либо района — это количественное соотношение элементов. Для определения баланса грунтовых вод необходимо количественное иное определение приходных и расходных его элементов в пределах какого-то района. Границами района могут быть реки, каналы (боковые), верхней границей является поверхность земли, а нижней — кровля подстилающего водоупорного слоя.

Приходные и расходные элементы баланса:

приходные элементы:

1. питание за счет атмосферных осадкой А₀

2. питание грунтовых вод за счет фильтрации воды из каналов, рек, Ф;

3. питание за счет оросительных вод, О;

4. приток подземных: вод с соседнего участка П₁;

5. питание грунтовых вод путем перетекания вод нижележащих горизонтов, М;

6. питание за счет конденсации паров воды К;

расходными элементами баланса грунтовых вод могут быть:

1. испарение с поверхности грунтовых и капиллярных вод И;

2. транспирация воды растительностью Т;

3. отток воды в дренирующие сооружения (реки, дрены, скважины) Д;

4. отток подземных вод за пределы участка П₂;

5. перетекание грунтовых вод в нижележащие водоносные горизонты Г

Разница в приходных и расходных элементах вызывает изменение уровня грунтовых вод.

в, определяющее питание и расходование подземных вод за определенный отрезок времени.

Уравнение водного баланса в общем виде за время t имеет вид:

, где

F— площадь балансового участка, м²; — среднее изменение уровня грунтовых вод на балансовом участке за время t, м; — средняя величина водоотдачи или недостатка насыщения горных пород в зоне колебания уровня грунтовых вод.

Оценка запасов подземных вод балансовым методом позволяет определить водный баланс участка или месторождения и установить обеспеченность восполнения эксплуатационных запасов. Метод следует использовать на месторождениях, приуроченных к ограниченным по площади структурам с. большой водопроводимостью водовмещающих пород, а также при региональной оценке ресурсов подземных вод. Балансовым методом оцениваются эксплуатационные запасы подземных вод, когда их использование предусматривается посредством каптирования родников. Балансовым методом можно установить отдельные источники накопления эксплуатационных запасов и оценить их обеспеченность. Поэтому использование балансового метода совместно с другими (гидродинамическим или гидравлическим) в большинстве случаев является весьма целесообразным.

Метод математического моделирования. Этот метод используют для оценки эксплуатационных запасов в очень сложных гидрогеологических условиях, которые не укладываются в типовые расчетные схемы. Моделирование с помощью современной компьютерной техники нужно считать одним из важнейших научных методов познания сложных гидрогеологических условий.

При поисках и разведке подземных вод моделирование используется в двух основных направлениях: 1) оценка эксплуатационных запасов подземных вод; 2) обоснование рациональных способов разведки месторождений или поисково-разведочное моделирование. К вопросам второго направления, которые разрешаются с помощью математического моделирования, относятся; уточнение гидрогеологической обстановки месторождения, определение расчетных гидрогеологических параметров и др.

Использование метода математического моделирования совместно с другими, описанными выше, позволяет давать надежную и достоверную оценку эксплуатационных запасов подземных вод.

Метод гидрогеологических аналогий. Сущность этого метода включается в использовании данных режима эксплуатации существующего водозабора для оценки запасов на разведочном участке, который имеет аналогичные гидрогеологические условия участком существующего водозабора. Метод оценки запасов является приближенным, но когда хотят ускорить темпы разведки месторождений, особенно со сложными гидрогеологическими условиями, то им пользуются. При этом соблюдаются следующие условия: залегание и литологический состав рассматриваемых водоносных горизонтов, граничные условия, в плане и разрезе, площадь участков, условия и источники питания подземных вод, состав пород в кровле и подошве водоносного пласта и др.