ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ОЦЕНКИ ЭЗ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Следует различать две основные формы выполнения работ по оценке ЭЗ.

• Региональная оценка - необходимо подсчитать потенциальный максимум водоотбора для некоторой заданной территории (гидрогеологической структуры, промышленного или административного региона и т.п.). Такие работы выполняются не часто; их заказчиком обычно выступают федеральные или региональные органы генерального планирования развития территорий. При подсчете размещение водозаборов по площади может быть принято в различных вариантах:

• Локальные оценки - в этом случае исходной, заданной величиной является требуемый дебит водозабора (заявленная потребность); в качестве заказчика чаще всего выступает местная, территориальная администрация или конкретная водопотребляющая организация.

Далее подрядчик (гидрогеологическая организация, имеющая лицензию на выполнение соответствующих работ) предпринимает специальный комплекс полевых и камеральных работ <ПОИСКОВО-РАЗВЕДОЧНЫЕ РАБОТЫ> (ПРР) для получения достаточного объема необходимой информации, на основе которой и производится подсчет эксплуатационных запасов. В результате выполнения ПРР исполнитель-гидрогеолог должен определить:

• количество скважин
• точки их расположения
• их конструкцию (положение фильтров, диаметры)
• размер "охранной" зоны

при этом должно быть доказано (с экспертизой и защитой), что:

• именно это количество скважин
• данной конструкции
• расположенных в данном месте
• в течение заданного времени

будет давать требуемую постоянную производительность Q_Э(это и есть ЭЗ), причем

- понижения уровней нигде не превысят критических значений
- вода по показателям качества будет отвечать назначению (хозяйственно-питьевое использование)
- влияние водоотбора на природную среду будет "терпимым" (согласованным с органами надзора).

В ходе ПРР оцениваются также условия строительства и эксплуатации водозабора как инженерного сооружения, решаются вопросы землепользования, проведения оздоровительных мероприятий в зоне санитарной охраны и т.п. Всю эту сложную работу, требующую комплексного участия специалистов самого разнообразного профиля, организует гидрогеолог, поскольку конечная цель исследований, несомненно, гидрогеологическая - оценка эксплуатационных запасов подземных вод.

Основной принцип организации ПРР - СТАДИЙНОСТЬ

Идея стадийной организации работ очевидна - последовательное приближение к "истине". Результаты работ на каждой стадии анализируются и обсуждаются, после чего составляется проект работ на следующую стадию, учитывающий выявленные геолого-гидрогеологические особенности. Названия, количество стадий периодически пересматриваются, но логика постановки исследований, последовательностей целей не меняется.

Важным начальным этапом изучения территорий является РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА их потенциальных эксплуатационных возможностей (т.н. прогнозных ресурсов пресных подземных вод). Эта достаточно трудоемкая и затратная работа чрезвычайно полезна с точки зрения рационального управления использованием подземных вод. Конечно, по логике такой работой должно начинаться освоение перспективного, но малоизученного региона; фактически же такие работы чаще всего проводятся для интенсивно освоенных регионов, уже на фоне активно развитой системы многолетней эксплуатации подземных вод. Целями проведения региональной оценки (переоценки) прогнозных ресурсов являются:

а) выявление региональной неоднородности распределения прогнозных ресурсов подземных вод,
б) для малоизученных регионов - предварительная оценка абсолютных величин прогнозных ресурсов подземных вод, а для освоенных районов с действующими водозаборами - сопоставление потенциальных возможностей с фактическими величинами водоотбора, выявление "дефицитных" и "профицитных" площадей с целью упорядочения и оптимизации существующего и перспективного использования подземных вод.

Одна из последних работ такого назначения - региональная переоценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод центральной части Московского артезианского бассейна по состоянию на 2002 г. Переоценка выполнена, в основном, для каменноугольных водоносных горизонтов на площади около 60 тыс. кв.км; общее количество учтенных эксплуатационных скважин на территории Московской области и города Москвы составило почти 9000.

При ЛОКАЛЬНЫХ ОЦЕНКАХ принята такая последовательность стадийного изучения:

ПОИСКИ: чаще всего по фондовым материалам; в случае значительной заявленной потребности в малоизученных районах могут быть предприняты полевые работы регионального характера (напр., среднемасштабная гидрогеологическая съемка).
Цели ПРР на этой стадии:

- обоснование выбора основного водоносного горизонта (т.е. достаточного по своим свойствам для удовлетворения заявленной потребности, по возможности неглубоко залегающего, но при этом защищенного от поверхностных загрязнений),
- обосновать выбор перспективного района, т.е. такой площади в пределах области распространения основного водоносного горизонта, где наиболее вероятно могут быть выявлены месторождения подземных вод, достаточные для удовлетворения заявленной потребности,
- предварительно оконтурить одно из таких месторождений как "первоочередное".

Понятие "месторождение" для пресных подземных вод почти лишено абсолютного смысла, поскольку они распространены практически повсеместно. Оно используется довольно произвольно - главным образом, в учетных целях, для географической привязки участков оценки или эксплуатации подземных вод. Поэтому можно упрощенно определить месторождение подземных вод (далее МПВ) как участок, в пределах которого по совокупности ряда причин предлагается построить (или уже построен) водозабор. Объективности ради надо отметить, что большинство этих причин имеет "гидрогеологический характер": более высокие фильтрационные свойства водовмещающих пород по сравнению с окружающими площадями, оптимальное положение по отношению к гидрогеодинамическим границам, оптимально близкое положение по отношению к водопотребителю, наиболее благоприятные условия для сохранения качества воды при длительной работе водозабора и т.д.

ОЦЕНКА: на этой стадии работ, как правило, предпринимается некоторый комплекс полевых работ, целью которого является получение необходимых параметрических характеристик для ориентировочного (обычно балансового) подсчета - достаточно ли выявленного месторождения для удовлетворения заявленной потребности или следует расширить область поисков для выявления дополнительных участков (или самостоятельных месторождений).

РАЗВЕДКА: основная (по смыслу и по материальным и интеллектуальным затратам) стадия ПРР. В ее рамках реализуется самый широкий комплекс полевых гидрогеологических исследований в сответствии с особенностями гидрогеологического строения разведуемого МПВ. Цели работ на этой стадии:

- уточнение контура месторождения (точнее, площади, в пределах которой действуют, по мнению исполнителя, основные балансообразующие механизмы, обеспечивающие дебит будущего водозабора),
- получение достаточного и достоверного комплекса гидрогеодинамических параметров, обеспечивающего адекватную балансовую, фильтрационную и миграционную схематизацию гидрогеологических условий месторождения,
- обоснование выбора "водозаборного участка" (это локальная площадь "внутри" месторождения, где наиболее выгодно расположить водозахватные устройства),
- детальное изучение площади "водозаборного участка" для обоснования количества, конструкции и схемы размещения водозахватных устройств,
- окончательный подсчет ЭЗ, т.е. выполнение системы расчетов, обосновывающих возможность получения заявленной производительности с помощью предлагаемой схемы и конструкции водозабора (при соблюдении заданных ограничений по режиму эксплуатации).

Далее отчет о ПРР проходит процедуру защиты (с экспертизой на территориальном или федеральном уровне); протокол утверждения подсчета эксплуатационных запасов является основанием для выполнения проектирования водозаборного сооружения, его строительства и передачи в эксплуатацию.
Эксплуатация водозаборного сооружения в течение расчетного срока рассматривается в организационном смысле как очередная стадия разведочных работ - ОСВОЕНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ(эксплуатационная разведка). Методически работы на этой стадии заключаются в осуществлении многолетних наблюдений на специально организованной системе мониторинга действующего МПВ; целью исследований является пересчет ЭЗ (с целью оптимизации или расширения системы водоотбора) на основе опыта эксплуатации водозаборного сооружения.

Надо понимать, что изложенная логическая схема стадийной организации ПРР (примерно так она закреплена и в действующих инструктивных документах) является в определенной мере идеальной и в полном виде выполняется редко. Для большинства регионов отсутствуют пригодные к практическому использованию данные региональных оценок; огромное количество действующих водозаборов работают "на неутвержденных запасах", т.е. не имеют должного гидрогеодинамического и гидрогеохимического обоснования. Следует также иметь в виду, что по мере появления новых данных (в первую очередь - параметрических) на любой стадии работ гидрогеолог постоянно должен выполнять комплекс доступных расчетов, позволяющих корректировать содержание и направленность текущих исследований.

Вернемся теперь к общей постановке задачи оценки эксплуатационных запасов подземных вод. По определению, к эксплуатационным запасам может быть отнесено только то количество воды, при отборе которого выполняется ряд исходных условий (ограничений). Эти условия таковы:

- водозаборное сооружение должно быть рациональным в геологическом и технико-экономическом отношении;
- понижение уровней подземных вод в водозаборных скважинах не должно превышать допустимой величины;
- водозабор должен рассчитываться на определенный срок непрерывной работы;
- качество воды (с учетом возможной водоподготовки) в течение всего срока работы водозабора должно отвечать нормативам для хозяйственно-питьевого водоснабжения;
- экологические последствия водоотбора должны быть минимальными (точнее, допустимыми, приемлемыми).

Рассмотрим подробнее смысл и содержание этих условий.

Из курса "Инженерные сооружения" студентам уже известны основные типы водозаборов подземных вод и их принципиальное устройство. В нашем курсе всегда будем предполагать, что водозабор устроен из вертикальных скважин с насосным водоподъемом (эта система технологически наиболее разработана и широко применяется во всем мире). Необходимыми элементами схемы такого водозабора (рис.1.1) являются: а) собственно водозаборные скважины (станции I подъема), б) сборный водовод в пределах водозаборного участка, в) сооружения водоподготовки и регулирования подачи воды, г) магистральный водовод к объекту водоснабжения (со станциями II подъема для поддержания энергии потока).

Рис.1.1

РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВОДОЗАБОР предполагает минимум затрат:

- Капитальные затраты (стоимость строительства сооружения) - в основном, определяются длиной магистрального водовода (от водозабора до объекта водоснабжения); в меньшей степени - количеством скважин, их глубиной и конструкцией.
- Эксплуатационные затраты (стоимость эксплуатации) включают:

1) энергозатраты на I подъем, поэтому важно количество скважин и глубина динамического (пониженного) уровня;
2) затраты на водоподготовку, зависящие от суммарного дебита и необходимых технологий водоподготовки;
3) энергозатраты на перегон воды по магистральному водоводу - зависят от длины водовода, рельефа по его трассе и суммарного дебита.

Исходя из этих соображений, рациональный водозабор должен быть расположен как можно ближе к водопотребителю и содержать минимальное количество эксплуатационных скважин.
Минимизация количества скважин достигается за счет максимальной нагрузки на каждую из них. От чего зависит возможный дебит скважин? Например, при квазистационарном режиме в неограниченном изолированном пласте

т.е. максимальный дебит достигается при расположении скважины в области с наиболее высокой проводимостью пласта и, напротив, с низкими величинами уровне(пьезо)проводности (т.е. при высокой водоотдаче). Определенное значение имеет и радиус фильтра скважины - как технический, так и расчетный, учитывающий различия проницаемости пород в пласте и в прифильтровой зоне.Поэтому в практике строительства водозаборных скважин применяют различные методы увеличения проницаемости прифильтровой зоны - простреливание, торпедирование, гидроразрыв, соляно-кислотная обработка и т.п., чтобы увеличить расчетный радиус .
Однако, реально возможный дебит скважин имеет некоторые ограничения - во-первых, по техническим характеристикам типового насосного оборудования; во-вторых, для определенных типов водовмещающих пород нежелательно создание высоких скоростей в прифильтровой зоне водозаборных скважин. Но наиболее существенным является ограничение величины возможного понижения уровня в водозаборных скважинах.

ДОПУСТИМОЕ ПОНИЖЕНИЕ УРОВНЯ В ВОДОЗАБОРЕ .Ограничение величины понижения уровня в водозаборных скважинах преследует две цели:

- Во-первых, при эксплуатации грунтовых водоносных горизонтов происходит уменьшение их мощности и, следовательно, уменьшение проводимости горизонта. Чтобы не допустить прогрессирующего, "обвального" перепонижения уровней, рекомендуется сохранять в зоне водозаборной скважины не менее 30-50% начальной проводимости.
- Во-вторых, в водозаборной скважине всегда должен оставаться столб воды, достаточный для размещения насоса и отстойника обычно 3-10 м).

Для безнапорных горизонтов принимают расчетную величину допустимого понижения порядка = (0.5 ÷ 0.7) , где - начальная, ненарушенная мощность потока в зоне эксплуатационных скважин (рис.1.2, а). Однако, такой подход допустим только для однородных по вертикали горизонтов, когда кумулята проводимости имеет вид прямой линии (рис.1.2, б). Более вероятно, что водоносные пласты имеют неоднородное (и достаточно контрастное) строение по вертикали - слоистость в рыхлых четвертичных отложениях, карстовые коллекторы и др. В таких случаях величина допустимого понижения должна обосновываться путем расходометрических испытаний - из условия, чтобы остаточная проводимость пласта в зоне скважины составляла не менее (0.3 ÷ 0.5) (рис.1.3 а,б).

Рис. 1.2. Допустимое понижение уровня (a) и форма кумуляты проводимости (б) в однородном по вертикали безнапорном пласте

Рис. 1.3. Допустимое понижение уровня (a) и форма кумуляты проводимости (б) в неоднородном по вертикали безнапорном пласте

Рис. 1.4. Допустимое понижение уровня для межпластовых водоносных горизонтов

Для напорных горизонтов гарантированной является величина допустимого понижения до кровли пласта (не вызывающая изменения проводимости эксплуатируемого пласта); если же эта величина недостаточна, то допускается переход к безнапорному режиму с использованием еще (0.5 ÷ 0.7) (рис. 1.4).

РАСЧЕТНЫЙ СРОК ЭКСПЛУАТАЦИИ - это время, в течение которого водозабор должен работать непрерывно с дебитом . Обычно (если не оговорено иное) используют так называемый амортизационный срок (27.4 года, что соответствует "круглой" расчетной величине 10 000 суток). Однако, могут быть заданы и особые варианты: временные водозаборы (например, строительные - 3÷5 лет), периодические водозаборы (оросительные - 3÷ 4 месяца в году; пиковые с внутригодовой, внутринедельной и даже внутрисуточной периодичностью).
Если при разведке доказана возможность стационарного режима фильтрации при эксплуатации, то такой водозабор может работать неограниченно долго.

СОХРАНЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫв пределах действующих нормативов в течение всего расчетного срока - вполне понятное требование, не требующее комментариев. Его содержание будем рассматривать подробнее позже.

Наконец, особенно в последние годы, пристальное внимание уделяется ограничениям по ВОЗДЕЙСТВИЮ ВОДООТБОРА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ. Формы и масштабы этого воздействия различны в разных условиях; назовем, например:

- нарушения геомеханического характера (просадка земной поверхности, возникновение суффозии, активизация карста),
- нарушение влажностного режима приповерхностных слоев земной коры (иссушение сельхозземель, развитие ветровой эрозии, "пыльные бури"),
- нарушение общего водного баланса территорий, особенно в районах массированного водоотбора (уменьшение водности рек, осушение озер, болот),
- сопутствующие изменения ландшафтов (растительные и животные сообщества),
- переформирование криогенной обстановки в районах развития многолетней мерзлоты
- и т.п.

Таким образом, собственно гидрогеологическое содержание проблемы оценки ЭЗ подземных вод может быть сведено к необходимости количественного обеспечения трех прогнозных положений:

1) обоснование связи между дебитом водозабора и понижениями уровней в нем;
2) обоснование тенденции изменения показателей качества извлекаемой воды за расчетный срок;
3) обоснование возможных изменений условий взаимосвязи эксплуатируемого водоносного горизонта со смежными элементами окружающей среды.