Оценка естественных ресурсов

Р.С. Штенгелов 

Вспомнить: это - суммарная величина питания горизонта в ненарушенных (точнее - сложившихся к началу эксплуатации) условиях, определяющая расход потока по пласту и расходы разгрузки через все дренирующие границы. Размерность - расход, куб.м/сут.

• Природные формы (механизмы) питания подземных вод: инфильтрация (естественная и техногенная), перетекание, фильтрация из рек ...

• Формы дренирования водоносных горизонтов: родники, рассредоточенная русловая разгрузка в реки (озера, болота, моря...), испарение с поверхности грунтовых вод, транспирация растениями, перетекание.

Естественные ресурсы всегда оцениваются применительно к определенной расчетной площади, являющейся балансово-замкнутым элементом подземного стока, т.е. включающей области питания, стока и разгрузки (водосборный бассейн или система бассейнов).

Методы оценки: а) по РАСХОДУ ПИТАНИЯ, б) по РАСХОДУ ПОТОКА, в) по РАСХОДУ РАЗГРУЗКИ.

a) Оценка ЕР по расходам питания

Оценивается интенсивность (модуль) питания . Это расход питания на единицу площади в плане, т.е. скорость или слой за расчетный промежуток времени. Размерность: для гидрогеодинамических расчетов - м/сут; в балансовых расчетах обычно - мм/год (для удобства сопоставления с другими элементами водного баланса - например, с интенсивностью атмосферных осадков); в ряде случаев удобной является специфическая размерность л/с на кв.км.

При среднем модуле питания  естественные ресурсы, формирующиеся на расчетной площади питания , составляют .

Далее будем говорить об инфильтрации - основном процессе питания для первых от поверхности водоносных горизонтов.

Методы оценки интенсивности инфильтрации

1. Экспериментальные: с помощью специальных полевых приборов - лизиметров (идея и техника измерений кратко рассматривалась в курсе "Гидрогеология"). Для нас важно, что при разведке месторождений они практически неприменимы и используются обычно только на научно-исследовательских балансовых стационарных площадках. Почему?

- непредставительные результаты - практически они характеризуют точку, в то время как площади месторождений составляют десятки и сотни кв.км;

- сложно технически в обслуживании и наблюдении; требуется практически непрерывное присутствие обслуживающего персонала, что нереально в экспедиционных условиях разведки месторождений;

- ненадежно при больших глубинах залегания уровня подземных вод;

- неприменимо в условиях, когда зона аэрации сложена скальными породами (не такая уж редкость).

Рис. 1. К обоснованию методики оценки интенсивности инфильтрации по данным режимных наблюдений на створе скважин в линейном потоке

2. По данным опытно-фильтрационных наблюдений. Существует несколько существенно различных способов использования уровенных режимных наблюдений для оценки питания грунтовых вод.

Используется та же методика Г.Н.Каменского (как для оценки водоотдачи - рис. 1), но для ПЕРИОДА ПИТАНИЯ, т.е. на восходящей фазе режима.

БАЛАНС БЛОКА 2 (рис. 2)

 (накопление в емкости)

 

Очевидно, что при подъеме уровней  в противном случае (спад уровней на фоне питания) ("зависимый спад").

Определение  возможно, если известна водоотдача:

 

Применение этой методики содержит те же потенциальные погрешности, что и для оценки водоотдачи; дополнительная погрешность образуется за счет параметра водоотдачи.

Нередко после подъема фиксируется период стационарного режима уровней, хотя питание продолжается; это свидетельствует о наступившем равновесии расхода притока к блоку и оттока к дрене:

Такая ситуация выгодна, т.к. оценка инфильтрации может быть выполнена без параметра водоотдачи.

• Другой вариант использования данных режимных наблюдений для оценки инфильтрации - по ОДНОЙ СКВАЖИНЕ, располагающейся в водораздельной области питания.

- фактический подъем уровня в скважине за период питания  (рис. 3).

Если в вышерассмотренном конечно-разностном уравнении для линейного потока представить (чисто теоретически), что (т.е. все питание накапливается в расчетном блоке, а не уходит частично к дрене), то подъем уровня составил бы некоторую величину, а график подъема уровня представлял бы собой прямую линию. Оценка величины  в этой гипотетической ситуации не составила бы труда:

 

Однако, фактически происходит отток части поступающего питания к дрене (), поэтому реально  меньше, чем :

,

т.е. для определения  нужно каким-то образом оценить "невидимую" величину .

Тогда

Рис. 3. Теоретический и фактический подъем уровня за период питания

 Есть разные предложения по оценке величины.

1-й СПОСОБ. Предполагается, что:

перед подъемом уровня существовал квазилинейный независимый спад уровня, отвечающий некоторой интенсивности оттока к дрене;

темп этого спада (т.е. интенсивность оттока) сохраняется и в период подъема уровней за счет питания.  

При таких допущениях величина  может быть вычислена по линейной экстраполяции темпа спада на период питания (рис. 4).

Явное достоинство: простота исполнения.

Явный недостаток: фактически интенсивность оттока при подъеме уровня возрастает, так как увеличивается разность уровней между участком расположения скважины и дреной. Недоучет этого обстоятельства приводит к занижению поправки  и, следовательно, величины .

Рис. 4. Расчет поправки на отток линейной экстраполяцией темпа спада, предшествовавшего периоду питания

 2-й СПОСОБ. Учет возрастания интенсивности оттока к дрене может быть выполнен на основе вышерассмотренной модели Майе-Буссинеска.

- Простейший (в расчетном смысле) прием заключается в следующем: для расчетного периода  вычисляется среднее значение напора , после чего поправка  рассчитывается как величина истощения за время  при данном значении начального напора (рис. 2.8):

 

Значение коэффициента истощения  определяется как угловой коэффициент графика  для участка независимого спада, ближайшего к расчетному периоду питания.

- Для детализации этого приема (с соответственным уточнением результата оценки) промежуток времени  разбивается на несколько шагов . Для каждого из них определяется свое значение  и, как в предыдущем случае, вычисляются частные величины, после чего они суммируются:

Рис. 5. Расчет поправки на отток по кривой истощенияпри среднем значении напора в период питания

 По опыту применения, различия в оценке инфильтрации по экстраполяции темпа меженного спада и по кривой истощения могут быть вполне значимыми (25-50% и более).

Этот метод оценки инфильтрации (с разными способами расчета ) широко используется в практике разведочных работ, так как прост в организации и исполнении:

одна скважина с произвольным расположением (но все же в водораздельной области питания),

не требуется нивелировка скважины,

не требуется оценка фильтрационных свойств; из параметров участвует только водоотдача  (но со всеми проблемами достоверности ее оценки).

В известном студентам-гидрогеологам МГУ и МГРУ программном пакете VBRegim существуют модули оценки инфильтрации по данным режимных наблюдений всеми рассмотренными методами.

Еще один возможный вариант оценки расхода питания горизонта: если оно происходит за счет ПЕРЕТЕКАНИЯ из смежного в разрезе горизонта (с напором) на определенной площади  с модулем перетекания . Общий расход питания в этом случае. При этом, скорее всего, придется разделить область перетекания на частные зоны с осредненными показателями  и затем суммировать частные расходы перетекания.

б) Оценка ЕР по расходу потока

Смысл такой оценки: аналитический расчет расхода потока через поперечное сечение горизонта. Важно понимать, что:

такой расчет характеризует только область, лежащую выше расчетного сечения;

при этом в величину оцениваемых естественных ресурсов не войдет расход разгрузки выше по потоку.  

Расчет производится по карте гидроизогипс, построенной по данным измерения уровней в скважинах, в местах выхода родников, по отметкам уреза воды в дренирующих горизонт водотоках и водоемах (рис. 6). Эти замеры должны быть по возможности единовременными.

Рис. 6. Аналитический расчет расхода потока

 Если для выделенной расчетной ленты тока можно допустить относительное постоянство значений коэффициента фильтрации K и глубин потока h, то расход через сечение В равен:

.

Однако, обычно расчетное сечение достаточно большое (км, десятки км) и вполне вероятна "поперечная" неоднородность расчетных величин; тогда полную ленту тока разбивают на n лент шириной , для которых расчетные показатели можно считать относительно постоянными. Рассчитываются частные расходы , которые затем суммируются.

Понятно, что точность таких расчетов очень зависит от качества и количества фактического материала, в первую очередь - по фильтрационным свойствам оцениваемого водоносного горизонта.

в) Оценка ЕР по расходу разгрузки

Эта группа методов применяется обычно для районов с родниковым и русловым типами дренирования потока, т.е. когда можно инструментально измерить расходы разгрузки. Не поддаются этому методу случаи, когда разгрузка происходит путем испарения (как физического, так и растительностью); когда разгрузка осуществляется в бессточные (или со скрытым стоком) водоемы - озера, болота, моря.

1. Измерение СУММАРНОГО ДЕБИТА РОДНИКОВ - идея очевидна; однако результат характеризует только родниковую составляющую разгрузки и может быть сильно занижен - всего 10-30% (остальное уходит на сток в реки, эвапотранспирацию и другие формы разгрузки).

Для применения этого метода родники должны быть каптированы и оборудованы водосливными рамками, временными лотками (земляные, деревянные, металлические) для надежного измерения дебита в разные сезоны года.

2. Оценка по МЕЖЕННОМУ СТОКУ РЕК - этот метод эффективен для условий, когда преобладает русловое дренирование подземных вод и речной сток в периоды межени (особенно глубокой, основной) формируется исключительно за счет подземного питания.

2а. С использованием замыкающего створа речного бассейна площадью F (рис. 7). Естественные ресурсы для этой площади равны измеренному меженному расходу реки Р, а средний модуль подземного стока с этой площади (с определенным приближением его можно рассматривать как модуль питания): .

2б. С использованием частных водосборов (рис. 8). Естественные ресурсы для площадей частных водосборов равны разности меженных расходов реки, а частные модули подземного стока:

Рис. 7. Метод замыкающего створа	Рис. 8. Метод частных водосборов

 При использовании этих методов есть свои проблемы:

- конечно же, не учитывается разгрузка через испарительные механизмы,

- если река дренирует несколько горизонтов, то как выделить долю каждого? (считают, что это можно сделать пропорционально проводимостям дренируемых горизонтов),

- нередко большой проблемой является точность гидрометрических оценок расходов водотоков - особенно при использовании метода частных водосборов, когда изменение расхода водотока между соседними створами должно заведомо и значительно превышать возможную погрешность гидрометрии,

- наконец, априорно принимается, что площади поверхностных и подземных водосборов совпадают, что не факт, особенно в областях развития трещинно-карстовых вод.

3. Оценка с помощью расчленения ГИДРОГРАФА РЕЧНОГО СТОКА (идея достаточно подробно рассматривалась в курсе "Геогидрология").

Гидрограф (гидрограмма) - хронологический график расхода реки в конкретном створе. Выделяя на нем (тем или иным способом) подземную составляющую  в общей величине речного стока, можно для каждого наблюденного года оценить среднегодовой расход подземного стока с вышележащей водосборной площади и соответственно рассчитать осредненный по времени и площади модуль подземного стока по принципу замыкающего створа:.

Таким образом, существует ряд методически разнообразных приемов оценки естественных ресурсов. Однако, при разведке месторождений подземных вод неизбежно возникают вопросы: для какой водосборной площади оценивать величину ЕР и какая их часть может быть включена в балансовую структуру будущего водозабора ? 

Самый сложный вопрос - как оценить область потенциальной инверсии естественной разгрузки при работе водозабора? Ведь только эту часть ЕР от их общей величины можно принимать как будущую составляющую ЭЗ ! Если поток в области депрессии от водозабора является транзитным, т.е. не разгружается в зоне месторождения, то в балансовом уравнении не будет члена  - следовательно, воронка будет непрерывно углубляться и расширяться, срабатывая запасы пласта  и не обращая внимания на то, что эта вода куда-то двигается. Так будет до тех пор, пока воронка не дойдет до границ дренирования или ... не начнется перепонижение уровней в водозаборе, что потребует уменьшения его производительности вплоть до полного прекращения водоотбора.

Итак, для реального учета возможного количества ЕР при использовании балансового метода оценки эксплуатационных запасов необходимо принять (на основе гидрогеодинамических соображений) какой-то реальный размер ожидаемой депрессионной воронки и уже только для этой площади оценить, какие очаги разгрузки потока в нее попадают.

Оценка привлекаемых ресурсов

Вспомнить - могут существовать только при работе водозабора.

Это увеличение естественного питания ("сверхъестественные" ресурсы) в связи с интенсификацией "старых" процессов и возникновением "новых". При балансовой оценке должны быть "вычислены" такие возможности; далее можно оценить лишь их предельную возможную интенсивность, исходя из природы процессов, обеспечивающих привлекаемые ресурсы.

Наиболее ясный пример: формирование привлекаемых ресурсов за счет вызванного притока из реки (после полной инверсии естественной русловой разгрузки). К балансовой оценке возможной величины привлекаемых ресурсов в этом случае особенно щепетильно следует относиться в бассейнах малых рек, расход которых сопоставим с будущим водоотбором подземных вод.

Рассмотрим два варианта.

1. Река является транзитной для месторождения, т.е. депрессионная воронка не охватывает полностью верхнюю по течению часть речного бассейна (рис. 9, 1). Как оценить потенциально возможную величину привлечения речного стока? Вроде бы, по "входящему" расходу реки на верхней границе ожидаемой области депрессии ? Нет, нужно понимать, что полный перехват стока реки в зоне месторождения не всегда допустим; как правило, с органами бассейнового надзора должна быть согласована величина остаточного "санитарного" расхода  (минимально необходимого для поддержания ландшафтных и других функций реки). Соответственно балансовая оценка привлекаемых ресурсов .

2. Река является "истинно малой", т.е. депрессия от водозабора полностью накрывает ее водосборную площадь выше по течению (рис. 9, 2). По-видимому, в такой ситуации правильнее считать, что балансовые возможности привлечения отсутствуют (), так как после вполне возможной полной инверсии разгрузки подземных вод расход реки в пределах зоны месторождения будет равен нулю. Надо только понимать, что такую модель можно использовать лишь для балансовых расчетов, так как при реальном водоотборе инверсия разгрузки на флангах имеет частичный характер и, следовательно, сохранившаяся часть речного стока может все же формировать приток из реки на ближайшем к водозабору участке.

Рис. 9.

Как уже подчеркивалось, при балансовой оценке система водоотбора (т.е. местоположение, схема и конструкция водозаборного сооружения) не рассматривается. Однако, при оценке эксплуатационных запасов под реальную заявленную потребность ее нужно определять (обосновывать, рассчитывать) обязательно.

Поэтому реальные подсчеты ЭЗ выполняются с помощью одного из двух основных методов: ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО или ГИДРАВЛИЧЕСКОГО (каждый из них имеет модификации).

В гидрогеодинамическом смысле задача подсчета заключается в том, чтобы рассчитать понижение уровней в водозаборной скважине (или в системе скважин) и сравнить его с допустимой величиной. Идеология подсчета базируется на основном физическом принципе взаимосвязи между величиной работы, выполняемой в среде с определенным сопротивлением, и необходимыми для этого затратами энергии. Применительно к большинству потоков подземных вод этот принцип воплощается в линейном законе фильтрации (законе Дарси):

.

Поскольку речь идет о скважинах (большинство водозаборов), то в качестве  выступает величина , т.е. такое изменение (понижение) естественных напоров, которое необходимо для создания градиента в субрадиальном потоке для транспортировки расхода  к водозабору.

- это символ обобщенного фильтрационного сопротивления области формирования дебита водозабора; его величина определяется, главным образом, гидрогеодинамическими параметрами водовмещающей толщи, граничными условиями потока в области депрессии и устройством водозабора.

Итак, задача подсчета ЭЗ имеет такой принципиальный вид:

S	=	Qзаявл		Ф		Sдоп

 Очевидно, что оптимально, если = min.

Это для "локальных" подсчетов на конкретных месторождениях при заданной заявленной потребности. Как будет выглядеть постановка задачи региональной оценки, когда нужно определить возможный максимум водоотбора для некоторой площади?

.

Здесь предмет расчета - задаваемая величина, и, по-прежнему, предметом разведки (изучения территории) является.

Таким образом, в любой постановке основная забота гидрогеолога и поэтому цель проведения поисково-разведочных работ - выявление, изучение и количественная оценка всех тех факторов, которые определяют величину . Существует два принципиально разных подхода к этой проблеме и соответственно два основных метода оценки ЭЗ: гидродинамический и гидравлический. Более распространенным и рекомендуемым в качестве основного является гидродинамический метод; применение гидравлического обычно имеет вынужденный характер и требует специального обоснования.