Методика поисково-разведочных работ

/

80

ВВЕДЕНИЕ

Питьевые подземные воды являются жизненно важным минеральным ресурсом, обеспечивающим развитие социальной сферы и экономики любого государства, и пользуется все возрастающим спросом. Для водоснабжения городов и населенных пунктов, промышленных комплексов проводятся поисковые и поисково-оценочные работы, разведаны и разведываются месторождения питьевых подземных вод. Значительные ресурсы подземных вод привлекаются в связи с рассредоточенным их использованием, в том числе сельскохозяйственным производством, для которого подземные воды являются также источником водоснабжения.

Недостаток питьевых подземных вод в России, по оценкам В.В. Куренного (2010) отмечается на 80% ее территории. По глобальным оценкам И.С. Зекцера (2007) эта цифра составляет 60% территории земного шара.

К питьевым подземным водам относят воды, которые по своим качественным показателям выделяются среди пресных вод по величине общей минерализации в интервале 0,25 - 0,75 г/дм3 (Куренной, 1965, 2008, 2009; Куренной, Шварцев, 2010). Воды с минерализацией до 0,25 и более 0,75 г/дм3 (до 1,5 г/дм3) целесообразно считать допускаемыми для питьевых целей с соблюдением определенных требований, в том числе к режиму потребления, разрабатываемых для гидрогеологических условий той или иной сложности. С учетом санитарно-гигиенических требований к микрокомпонентной группе показателей их питьевые качества уточняются нормативными документами.

В конце прошлого столетия Министерством природных ресурсов России была осуществлена оценка водообеспеченности населения России ресурсами подземных вод. Впервые были получены данные о ресурсном потенциале хозяйственно-питьевых подземных вод страны, достигающем 870 млн. м3/сут (Боревский, Язвин, 2005). Ресурсы собственно питьевых подземных вод не оценивались. Региональные гидрогеологические исследования, основанные на использовании методов структурно-гидрогеологического анализа, позволяют произвести типизацию условий и вскрыть закономерности формирования и локализации ресурсов питьевых подземных вод, присущие конкретному региону.

Представления об условиях локализации складываются последовательно при изучении закономерностей неоднородности фильтрационных сред. Геологическая неоднородность - ключевая проблема гидрогеодинамики (Шестаков, 2003). Исследование природного явления неоднородности позволяет выделять части водоносных систем, благоприятные для формирования питьевых подземных вод, разрабатывать критерии для построения соответствующих прогнозно-поисковых моделей их формирования.

Одна из важнейших гидрогеологических закономерностей состоит в том, что формирование питьевых подземных вод происходит в зоне свободного водообмена, требует целенаправленного изучения и оценки ее как пространства, находящегося под влиянием дренирования земной коры в границах гидрологического цикла. Водосборы гидрографической сети являются непосредственными гидрогеологическими структурами, реализующими процессы дренирования и единство подземных и поверхностных вод. При этом подземное питание поверхностных водных объектов (водотоков, озер, водохранилищ) выполняет роль регулирующего фактора (Аполлов, 1963), а водосборы располагают всеми атрибутами геологической среды для формирования питьевых подземных вод. Исключение могут составлять некоторые регионы с крайне специфическими гидрогеологическими условиями (криолитозона, регионы приповерхностного распространения эвапоритовых формаций седиментационных бассейнов, аридные и субаридные регионы).

В настоящем проекте рассматриваются типы месторождений подземных вод горно-складчатых областей, содержащие ресурсы воды питьевого качества, подробно анализируются методические приемы ведения поисково-разведочных работ, оценки запасов и расчета водозаборов. На примере одного из месторождений горных областей Башкирского Зауралья представлен весь комплекс мероприятий по детальной разведке подземных вод трещинно-карстового комплекса на перспективном участке; оцениваются эксплуатационные запасы и исследуются источники возможных привлекаемых ресурсов (поверхностных речных вод) с точки зрения влияния на качество извлекаемых подземных вод.

ГЛАВА 1. ТИПИЗАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ГОРНО-СКЛАДЧАТЫХ ОБЛАСТЕЙ

Существует две общепринятых классификации подземных вод по характеру залегания: А.М. Овчинникова (1955) и Е.В. Пиннекера (1979), согласно которым различают три типа вод: верховодка (подвешенные), грунтовые (без напорные) и артезианские (напорные).Кроме того, в напорных водах Е.В. Пиннекер выделяет класс глубинных вод и субмаринной зоны, связанных и не связанных с континентом.

Таблица 1 - Классификация подземных вод по А.М. Овчинникову (1955) в трещиноватых горных породах и районах молодого вулканизма

Таблица 2 - Классификационная схема подземных вод по характеру залегания (Пиннекер, 1979) в трещиноватых и кавернозных породах и районов современного вулканизма

По геолого-гидрогеологическом условиям, определяющим методику проведения разведочных работ и подсчета эксплуатационных запасов, месторождения подземных вод горно-складчатых областей подразделяются на следующие типы:

месторождения межгорных артезианских бассейнов;

месторождения в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин;

месторождения в ограниченных по площади структурах или массивах трещинных и трешинно-карстовых пород и в зонах тектонических нарушений;

месторождения в надморенных и межморенных водно-ледниковых отложениях;

По степени неоднородности фильтрационных свойств водовмещающих пород водоносные горизонты и комплексы могут быть разделены на условно однородные, неоднородные и весьма неоднородные. Для предварительной характеристики степени неоднородности пласта могут быть использованы данные по отдельным дебитам скважин. В условно однородных пластах максимальные и минимальные дебиты однотипно оборудованных скважин различаются не более чем в 5 раз, в неоднородных - в 5-10 раз и в весьма неоднородных - более чем в 10 раз.

В зависимости от сложности гидрогеологических условий все месторождения подземных вод могут быть подразделены на три обобщенные группы.

Группа I. Месторождения с простыми гидрогеологическими условиями. Подземные воды приурочены к спокойно залегающим коллекторам выдержанной мощности, представленным однородными (пористыми и равномерно трещиноватыми) породами.

Группа II. Месторождения со сложными гидрогеологическими условиями. Подземные воды приурочены к относительно спокойно залегающим коллекторам невыдержанной мощности или неоднородным по фильтрационным свойствам (неравномерно трещиноватым и закарстованным).

Группа III. Месторождения с очень сложными гидрогеологическими условиями. Подземные воды приурочены к весьма неоднородным по фильтрационным свойствам (неравномерно трещиноватым или закарстованным) коллекторам, имеющим локальное распространение, или пластам, невыдержанным по мощности и осложненным тектоническими нарушениями.

Месторождения пресных подземных вод горно - складчатых областей преимущественно относятся к двум последним группам. Ниже приводится характеристика наиболее распространенных типов месторождений.

1.1 Подземные воды межгорных артезианских бассейнов

К данному типу относятся бассейны, связанные с межгорными и внутри горными впадинами горно-складчатых областей. Типичные бассейны межгорного типа характерны главным образом для молодых мезокайнозойских складчатых областей и, как исключение, для складчатых областей палеозойского возраста. Основными особенностями природных условий, геологического строения и истории развития типичных бассейнов межгорного типа, в значительной мере определяющими строение гидрогеологического разреза и условия формирования подземных вод, являются следующие.

1. Наличие межгорной депрессии (тектонической впадины) относительно ограниченных размеров - до сотен, в ряде случаев тысяч квадратных километров равнинный, холмисто-равнинный рельеф поверхности с заметным увеличением отметок и расчлененности рельефа в краевых (предгорных) частях впадины и резко выраженный средне- или высокогорный рельеф в пределах ее складчатого обрамления.

2. Наличие в разрезе бассейна двух структурно-тектонических этажей: чехла, сложенного рыхлыми аллювиально-пролювиальными, озерно-аллювиальными и другими континентальными осадками, мощность которых в центральной части впадины достигает 400-600 м (реже более), и сложно построенного фундамента, представленного кристаллическими породами, интенсивно дислоцированными и литифицированными ('складчатыми') осадочными толщами и др.

3. Формирование осадочного чехла впадины в течение одного цикла осадконакопления в условиях близко расположенных областей сноса обломочного материала с резко расчлененным горным рельефом, что определяет в целом слабую отсортированность обломочного материала и наличие преимущественно крупно- и грубообломочных образований (пески, галечники и др.) в основании разреза осадочного чехла и в краевых частях впадины и преимущественно тонко - дисперсных (глины, суглинки), формирующихся на заключительной стадии цикла осадконакопления (верхняя часть разреза) в центральных районах впадины.

Крайняя периферийная область бассейна, приуроченная к относительно приподнятым участкам предгорной равнины, рассматривается как область питания или формирования потока подземных вод. Благоприятные в целом условия питания определяются здесь преобладанием в разрезе крупно- и грубообломочных высоко проницаемых (до 50-100 м/сут и более) отложений и относительно глубоким (до 50-80 м и более) залеганием уровня грунтовых вод. В этих условиях, как правило, основным источником питания грунтовых вод является поглощение поверхностных вод из временных и постоянных водотоков, поступающих из соседней горно-складчатой области, которые в связи с особенностями рельефа и строением гидрогеологического разреза являются 'подвешенными' по отношению к уровню грунтовых вод.

Во второй области поток грунтовых вод, поступающий из периферийной зоны, 'расчленяется' слабопроницаемыми слоями на систему невыдержанных водоносных слоев, содержащих напорные подземные воды типа межпластовых. Характер гидравлической связи водоносных слоев между собой и с грунтовыми водами бассейна в зависимости от строения гидрогеологического разреза может существенно изменяться на коротких расстояниях. Разгрузка осуществляется через русловые отложения и в виде открытых выходов (родников).

Для третьей зоны бассейна в общем случае характерно распространение в верхней части гидрогеологического разреза относительно выдержанных и значительных по мощности (до 50-60 м и более) слабопроницаемых отложений (глины, суглинки). Наличие слабопроницаемых пластов затрудняет (в сравнении со второй зоной) условия взаимодействия грунтовых и напорных межпластовых вод нижней части разреза бассейна, в связи с чем, третья зона бассейна может рассматриваться как зона слабого взаимодействия грунтовых и напорных подземных вод, или как зона транзита ('транзитного' стока напорных подземных вод).

Четвертая зона в гидродинамической структуре бассейна является региональной областью разгрузки подземных вод, формирование которой определяется наличием крупной (наиболее глубоко врезанной) речной долины, озерной котловины, бессточных солончаковых понижений с интенсивным испарением грунтовых вод и др. В некоторых случаях разгрузка подземных вод осуществляется также подземным стоком в соседний (гипсометрический ниже расположенный) межгорный бассейн или смежный структурно-гидрогеологический район другого типа.

Формирование минерализации и химического состава подземных вод межгорных артезианских бассейнов определяется главным образом их гидродинамическими особенностями (близкое расположение областей питания и разгрузки подземных вод, значительные скорости фильтрации, отсутствие участков с резко затрудненным водообменом) и практическим отсутствием в аллювиально-пролювиальных и других континентальных отложениях относительно легкорастворимых соединений. В связи с этим в разрезе бассейна на всю мощность рыхлых отложений распространены обычно маломинерализованные (менее 1,0 г/л, в области питания чаще до 0,2-0,3 г/л) подземные воды гидрокарбонатного кальциевого (кальциево-натриевого) состава.

В аридных условиях в центральной части межгорных бассейнов, на участках с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод характерной является их разгрузка путем испарения. Показателем такой разгрузки нередко является наличие соляных озер, солончаков, солончаковых понижений и др. В пределах таких участков распространены, как правило, солоноватые и соленые (иногда до 30-50 г/л и более) грунтовые воды хлоридного состава.

В краевых предгорных зонах, преимущественно в верхней части разреза, они нередко характеризуются широким распространением рыхлых аллювиально-пролювиальных отложений или интенсивно закарстованных карбонатных пород. Это определяет высокую проницаемость разреза, благоприятные условия питания подземных вод (приток из складчатых областей, поглощение поверхностного стока и др.), формирование мощной (1000-1500 м и более) зоны пресных подземных вод и т.д.

Минерализация глубоких подземных вод (2-3 км и более) может изменяться от 10-20 г/л в разрезах, сложенных континентальными или прибрежно-морскими терригенными породами, до 270-300 г/л и более при наличии галогенных толщ. При этом в зависимости от внутреннего структурного плана бассейна, мощности и строения разреза гидродинамические условия, типы гидрогеохимической зональности (прямая, инверсионная), характер изменения минерализации и состава подземных вод с глубиной, геотермические градиенты и другие характеристики могут достаточно резко изменяться даже в пределах различных структурных зон и участков одного бассейна.

1.2 Трещинные воды гидрогеологических массивов

Трещинные подземные воды являются основным типом свободных (гравитационных) вод в изверженных, метаморфических, сильно литифицированных осадочных и вулканогенных породах, фильтрационные и емкостные свойства которых определяются развитием трещиноватости (трещин) различных генетических типов.

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах характеризуются своеобразными особенностями распределения, движения и накопления. Исследователи сталкиваются с определенными затруднениями при установлении путей движения таких вод, выделении водоносных зон и определении их мощности, оценке глубины распространения зон интенсивной трещиноватости, выборе показателей для гидрогеологических расчетов. Это связано с тем, что элементарными коллекторами (ячейками), в которых движется вода, здесь являются различные по размерам пустоты (трещины, каверны, жилы) разного генезиса к характера, формирующие неравномерно проницаемую среду.

Трещинные воды широко развиты в пределах гидрогеологических массивов и в меньшей степени в бортовых частях бассейнов пластовых вод. Они могут быть безнапорными и напорными.

Горизонты безнапорных трещинных вод (водоносные зоны трещиноватости) обычно связаны с верхней частью разреза гидрогеологических массивов, находящейся в сфере активного воздействия экзогенных процессов, где формируются подземные потоки, направленные от водоразделов к подошве склонов. Проницаемость водовмещающих пород интенсивно меняется по всей площади распространения горизонтов, поэтому в непосредственной близости могут быть встречены весьма водообильные и практически непроницаемые зоны. Мощность водоносных зон обычно сопоставима с мощностью открытой трещиноватости и изменяется от 30 до 200 м.

Дебит источников, выводящих трещинные воды на поверхность, составляет сотые или десятые доли литра в секунду. Производительность скважин также невелика: удельный дебит характеризуется теми же значениями, что и дебит источников. Обычно водообильность кристаллических пород не зависит от их минералогического состава и структурных особенностей. Пределы значений дебита скважин в разных породах весьма близки, а их изменение определяется различной выветрелостью и трещиноватостью пород.

Трещинные воды гидрогеологических массивов питаются в основном за счет атмосферных осадков, вод поверхностных водотоков и водоемов. В фундаменте бортовых частей бассейнов пластовых вод они могут пополняться за счет перетока из водоносных горизонтов перекрывающих осадочных пород. Обычно трещинные воды безнапорные, а их движение подчиняется линейному закону фильтрации Дарси. Разгрузка из горизонтов трещинных вод осуществляется в речную и балочно-овражную сеть (рис. 1) либо в бортовые части впадин.

Рис. 1 - Схема залегания трещинных вод в гидрогеологическом массиве: 1 - рыхлые аллювиальные отложения; 2 - интрузивные породы; 3 - эффузивные породы; 4 - разрывное нарушение в зоне тектонического контакта; 5 - уровень трещинных вод; 6 - нижняя граница водоносных кристаллических пород; 7 - источник трещинных вод

В ряде случаев трещинные, воды могут иметь напорный характер. Появление напора обязано одной из следующих причин:

1) наличию непроницаемой либо слабопроницаемой покрышки в виде коры выветривания (в этом случае вся водоносная зона трещиноватости, кроме области питания, вмещает напорные воды);

2) неравномерному затуханию различных систем трещин с глубиной (тогда в верхней части трещиноватой толщи воды безнапорные, а в нижней приобретают гидростатический напор, хотя видимые водоупоры в разрезе пород отсутствуют).

Кристаллические породы гидрогеологических массивов обычно слабо взаимодействуют с фильтрующейся через них водой, имеющей низкую температуру. В связи с этим трещинные воды в подавляющем большинстве случаев - пресные.

Жильно-трещинные и жильные воды. Особо важную категорию подземных вод в трещиноватых породах, как гидрогеологических массивов, так и бассейнов пластового типа составляют жильные и жильно-трещинные воды, связанные с зонами тектонических нарушений и разломов. Наиболее широко тектонические разрывы распространены в горно-складчатых областях, реже на древних кристаллических щитах и обнаженном фундаменте платформ. Имея тектоническую и гравитационную природу, такие разрывы представлены открытыми либо заполненными рыхлым и обломочным материалом каналами (жилами), сопровождающимися мощными зонами дробления, брекчирования пород с интенсивной оперяющей трещиноватостью. Жильный характер водовмещающего коллектора предопределяет специфику питания, движения и разгрузки подземных вод. В связи с этим зоны разломов образуют особый тип гидрогеологических резервуаров.

Жильно-трещинные и жильные воды чаще всего формируют линейно-вытянутые и относительно неширокие потоки. Преимущественно это напорные (восходящие) воды, движущиеся с больших глубин и обладающие значительными ресурсами. Сохраняя гидростатическую природу напора, жильно-трещинные воды во многих случаях имеют турбулентный характер движения и в очагах разгрузки выводятся на поверхность групповыми источниками с огромным дебитом (до нескольких м3/с), либо переливаются в перекрывающие рыхлые отложения.

Трещинные грунтовые воды содержатся в верхней наиболее трещиноватой зоне изверженных (интрузивных и эффузивных) пород. В горно-складчатых областях трещинные воды встречаются в пределах распространения интрузивных массивов и покровах эффузивных пород.

Распределение трещин в породах в одних случаях бывает без видимой закономерности, а в других отмечается их ориентированность в тех или иных направлениях. В верхней зоне трещиноватых пород трещины обычно связаны между собой, и трещинные воды, как правило, образуют здесь единую гидравлическую систему.

По характеру залегания подземные воды трещинных коллекторов и трещинно-жильных зон разломов подразделяются на безнапорные и напорные (артезианские). По структурной приуроченности они классифицируются по типам коллекторов: гидрогеологическим массивам, зонам глубинных разломов или иных тектонических сопрягающих элементов, вулканическим покровам и потокам, а также фундаменту артезианских бассейнов и склонов.

Формирование химического состава грунтовых вод зоны экзогенной трещиноватости определяется двумя основными факторами: 1) короткими (местными) путями фильтрации и в целом высокими скоростями движения грунтовых вод; 2) отсутствием, как правило, в верхней зоне массивов скальных пород легкорастворимых минеральных соединений. В этих условиях формируются преимущественно ультрапресные и маломинерализованные (до 150-200 мг/л, реже более) фунтовые воды гидрокарбонатного кальциевого (кальциево-магниевого, реже кальциево-натриевого) состава. Воды сульфатного и хлоридного состава с минерализацией до 2,0-3,0 г/л и более могут формироваться в зоне экзогенной трещиноватости гипс-ангидритовых и интенсивно загипсованных пород. В отдельных случаях в зоне экзогенной трещиноватости (Южный Урал, Аравийская пустыня и др.) возможно формирование CI-Na, S 0 4 , CI-Са, Na подземных вод с минерализацией до 10-30 г/л и более. Наличие этих вод может быть связано с процессом континентального засоления при разгрузке грунтовых вод испарением, с участками восходящей разгрузки более глубоких трещинных вод и др. При распространении в верхней части разреза засоленных отложений (соленосный флиш Карпатской складчатой области) непосредственно в верхней зоне возможно формирование хлоридных вод с минерализацией до 50-70 г/л и более. При наличии полиметаллического оруденения трещинные воды верхней зоны могут содержать Fe, Mn, Zn, Pb в концентрациях до 10 мг/л и более.

1.3 Подземные воды трещинно - карстовых коллекторов

Карстовыми, или трещинно-карстовыми, называются свободные (гравитационные) подземные воды, связанные с горными породами, скважность которых наряду с трещиноватостью (реже пористостью) определяется наличием карстовых пустот, образующихся в результате растворения минерального скелета горной породы подземными водами.

Форма и размеры подземных карстовых пустот могут быть различными: от мелких пустот (каверн) диаметром 2-3 мм и расширенных участков трещин до пещер и крупных подземных гротов. Практически во всех случаях процесс подземного карстообразования развивается унаследовано, усиливая (усугубляя) уже имеющуюся трещинную или поровую скважность минерального скелета породы.

В связи с этим процессы карстообразования (подземные формы карста) наиболее интенсивно протекают на участках, характеризующихся относительно более высокими значениями скоростей и расходов подземных потоков, и, как правило, достаточно резко затухают с увеличением глубины залегания.

Условия залегания трещинно-карстовых вод определяются характером закарстованности массива и режимом уровней грунтовых вод.

Питание трещинно-карстовых вод осуществляется за счет инфильтрации (инфлюации) атмосферных осадков и за счет поглощения поверхностных вод. Формирование и распределение величин атмосферного питания грунтовых трещинно-карстовых вод, в еще большей степени, чем грунтовых вод зоны экзогенной трещиноватости определяются типом строения верхней части гидрогеологического разреза.

Наиболее благоприятные условия формирования быстрого (инфлюационного) питания характерны для участков открытого поверхностного распространения интенсивно закарстованных пород. В пределах таких участков большая часть (до 60-70% и более) атмосферных осадков, за вычетом испарения, расходуются на формирование инфильтрационного питания трещинно-карстовых вод (силурийское плато, Крымская яйла и др.). Практически столь же благоприятны условия питания на участках, где закарстованные породы перекрыты только песчаными, песчано-гравийными и другими высокопроницаемыми отложениями. Наименее благоприятные условия и низкие значения инфильтрационного питания характерны для участков, где закарстованные породы перекрыты значительными по мощности слабопроницаемыми отложениями.

Движение грунтовых трещинно-карстовых вод в общем случае направлено от центральной части массива (междуречья) к дренирующим понижениям. Однако структура потоков трещинно-карстовых вод может быть весьма сложной в связи с наличием зон локальной интенсивной закарстованности, блоков или участков слабо закарстованных пород, характером распределения карстовых зон в разрезе и т.д.

Разгрузка трещинно-карстовых вод осуществляется в виде многочисленных родников, в том числе субаквальных, а также рассредоточение через аллювиальные, аллювиально-озерные и другие рыхлые отложения. Именно для участков разгрузки трещинно-карстовых вод характерны крупные одиночные или групповые выходы, дебиты которых могут достигать десятков кубометров в секунду.

Несмотря на наличие многочисленных, в ряде случаев достаточно крупных источников, родниковая разгрузка составляет обычно только часть (менее 50%) суммарного расхода, так как основная часть разгрузки трещинно-карстовых вод часто происходит ниже уреза дрен.

Химический состав и минерализация грунтовых и неглубоко залегающих напорных трещинно-карстовых вод практически всегда определяются составом карстуюшихся горных пород. Карбонатные горные породы до глубин 150-200 м, в отдельных случаях до 500-800 м, в интенсивно расчлененных горных районах до 1000-1500 м (Зайцев, 1986) содержат гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды с минерализацией менее 1,0 г/л. В глубоких частях разреза (1500-2000 м и более) в связи с наличием (сохранением) легкорастворимых хлоридных соединений, седиментогенных поровых растворов и рядом других причин, карстующиеся горные породы обычно содержат высокоминерализованные подземные воды и рассолы (до 100-300 г/л и более) хлоридного натриевого, натриево-кальциевого состава, часто с повышенными содержаниями I, Вг, В, H2S, СО2, Не, Rn, и др.

Гидродинамический режим трещинно-карстовых вод в зависимости от характера закарстованности массива, условий залегания подземных вод, физико-географических условий и других факторов может быть различным. В центральных относительно повышенных участках массива при залегании непосредственно с поверхности сильно закарстованных пород и наличии зон локального поглощения поверхностных вод и других участков интенсивного питания, амплитуды колебания уровня грунтовых вод могут достигать 15-20 м, в отдельных случаях 50-60 м и более. В связи с высокой проницаемостью среды быстрые подъемы уровня в периоды интенсивного питания после его прекращения сменяются столь же резкими спадами уровня. На относительно пониженных равнинных участках территории при значительной мощности перекрывающих рыхлых отложений колебания уровня грунтовых трещинно-карстовых вод в связи с регулирующей емкостью рыхлых отложений могут быть относительно небольшими (до 1-3 м реже более). Естественно, что в зависимости от местных условий (характер закарстованности, интенсивность питания, приток со стороны и др.) промежуточных случаев режима уровней карстовых вод может быть достаточно много.

Изменения химического состава, минерализации и температуры трещинно-карстовых вод в целом связаны с режимом уровней и дебитов источников. Наиболее заметные изменения характерны для участков локального интенсивного питания карстовых вод и определяются температурой инфильтрующихся вод, наличием и составом загрязнения поверхности земли, температурой и химическим составом речных вод при их интенсивном поглощении и др. В глубоких частях массива (зона постоянного насыщения) и тем более в пластовых условиях при глубинах залегания до 250-300 м и более для трещинно - карстовых вод обычно не характерны заметные изменения температуры, минерализации и химического состава.

1.4 Глубинные воды

В существующих классификациях все подземные воды, кроме безнапорных, принято называть артезианскими, подразделяя их далее но зонам с различной интенсивностью водообмена. Логичней к артезианским относить воды, находящиеся лишь под гидростатическим напором, так как существуют подземные воды и с совершенно иными источниками напора и питания. Достоверно установленное ныне широкое распространение таких вод оправдывает их выделение в самостоятельную категорию под названием «глубинных вод».

Универсальные критерии, особенно качественные, для распознавания глубинных вод пока дать нельзя: необходимо учитывать всю совокупность их характерных признаков. Глубинные воды - понятие не генетическое. Основой для диагностики этих вод служит главным образом избыточное пластовое давление, значительно превышающее величину гидростатического напора, что объясняется процессами уплотнения осадков (элизионное питание), геотектоническими напряжениями, подтоком флюидов из мантии (эндогенное питание) и рядом других причин.

Различия в геологическом строении районов распространения и факторов напорности глубинных вод обусловливают их деление на воды:

1) бассейнов пластовых вод;

2) кристаллического фундамента, в том числе древних щитов;

3) различного рода разломов глубокого заложения в тектонически активных областях.

В первом случае, а отчасти и во втором, преобладают пассивные причины (гравитация, пластичность пород, присутствие углеводородов и т. д.), в третьем - колоссальные эндогенные силы. Соответственно, на противоположных полюсах будут находиться воды с элизионным и эндогенным питанием.

Наиболее типичные случаи распространения и проявления глубинных вод характерны для бассейнов пластовых вод. Глубинными являются, например, основная масса вод гидрогеодинамической зоны весьма затрудненного водообмена, воды нефтяных и газовых залежей.

Для скважин, вскрывающих глубинные воды, характерен пульсирующий режим излива. Дебит их обычно быстро, реже постепенно, уменьшается вследствие релаксации факторов пластового давления. Такой режим излива присущ рассолам упомянутых (Балыхтинской и Омолойской) скважин Сибирской платформы. Типичен он и для рассолов юрской галито-ангидритовой толщи в Средней Азии, после вскрытия которых на глубинах 2-3 км происходило фонтанирование с дебитом до 1000-8500 м3/сут (Соколовский, Седлецкий, 1970). Общим для глубинных рассолопроявлений является быстрое сокращение дебита и ограниченность периода самоизлива (от 3,5 месяца до нескольких суток). Глубина встречаемости рассматриваемых вод может изменяться весьма существенно.

Рис. 2 - Гидрогеодинамические аномалии в песчано-глинистых палеоген-меловых отложениях Восточно-Предкавказского артезианского бассейна по данным И.Г. Киссина (1967). Стрелками у знаков скважин показаны пьезометрические уровни вод (цифры у стрелок - величина напора, абс. отм.)

Высоконапорные глубинные воды в недрах кристаллического фундамента платформ и древних щитов установлены при сверхглубоком бурении. Они вскрыты Миннибаевской скв. 20000 на Татарском своде в гранито-гнейсах на глубине 4,7-5,1 км (более чем на 3 км ниже подошвы осадочного чехла) и представлены хлоридными кальциевыми рассолами с минерализацией 333 г/л (Муслимов и др., 1977).

Весьма своеобразны глубинные воды различных разломов глубокого заложения, рифтовых зон, областей современного вулканизма и вообще территорий с активным проявлением эндогенной энергии. Это обычно гидротермы (рис. 3). Высокую температуру в данных условиях могут иметь и воды зоны интенсивного водообмена, но глубинные выделяются по качественным показателям и гидрогеодинамическому режиму.

В формировании ресурсов глубинных вод участвуют воды различного происхождения. В соответствии с особенностями палеогидрогеологического развития различных регионов могут преобладать воды той или иной генетической категории, но чаще всего они являются полигенетическим образованием. Занимая самые нижние горизонты, глубинные воды, в соответствии с нормальной гидрогеохимической зональностью, обычно минерализованные, а состав их чаще всего хлоридный. Более того, они могут быть предельно насыщенными (минерализация свыше 500 г/л), как, например, межсолевые рассолы Ангаро-Ленского бассейна. Очень часто глубинные воды содержат в повышенных количествах ряд макро- и микрокомпонентов (редкие щелочи, бром, фтор, стронций, кальций, тяжелые металлы, кремнезем).

Время существования в замкнутых системах аномально высоких давлений глубинных вод относительно невелико. Наблюдаемые ныне и наиболее изученные аномалии в бассейнах пластовых вод появились, вероятно, недавно - не позднее неоген-четвертичного времени. Их выравнивание происходит, по расчетам В. Ф. Липецкого (1981), за несколько миллионов лет, а по данным других исследователей, они нивелируются за сотни и даже десятки тысяч лет. Благоприятные условия для возникновения и наиболее продолжительного сохранения аномалий существуют в относительно молодых бассейнах пластовых вод. Напротив, с увеличением возраста и степени литификации осадков возможности для этого уменьшаются. Однако под действием неотектонических подвижек они могут возникать периодически в том или ином месте геологического пространства. По существу, глубинные воды испытывают воздействие повышенных напряжений в целом беспрерывно.

Рис. 3 - Схема возможного формирования глубинных вод при участии магматических газово-жидких растворов [Уайт, 1965]. 1 - жидкая, 2 - газовая фаза; 3 - направление движения флюидов (в конвекции участвуют и метеогенные воды)

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПОИСКОВО-РАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ

месторождение водозабор артезианский бассейн

Гидрогеологические работы по поискам и разведке месторождений подземных вод рассматривают как сложный научно-технический процесс, позволяющий с помощью методических и технических приемов выявить месторождения, изучить условия формирования подземных вод, оценить их эксплуатационные запасы и обосновать промышленное освоение.

Поиски и разведка охватывают два тесно связанных между собой понятия: а) методику поисков и разведки месторождений; б) методику проведения основных видов гидрогеологических работ.

Первое понятие включает такие важные методические приемы, как обоснование стадийности в изучении объекта, выбор под разведку продуктивного водоносного горизонта, обоснование глубины разведки месторождения, выбор способов расположения в плане поисковых и разведочных скважин, расстояний между разведочными поперечниками и между скважинами в каждом разведочном поперечнике, системы и технологии бурения гидрогеологических скважин, рациональной схемы водозаборного сооружения для данных конкретных условий и т. д.

Методика проведения основных видов гидрогеологических работ включает методику проведения съемочных работ и опытно-фильтрационных работ, стационарных наблюдений за режимом подземных и поверхностных вод, геофизических исследований, балансово-гидрологических работ, санитарно-гигиениче-, ских исследований и т. д. В теории и практике изучения различных типов месторождений подземных вод действуют общие принципы поисков и разведки, суть которых представлена ниже.

2.1 Основы методики поисков

Общие поиски. Поисковые работы могут проводиться для оценки:

1) общих перспектив и эксплуатационной возможности отдельных регионов, когда отсутствуют данные по конкретным водопотребите-лям; 2) общей эксплуатационной возможности региона в целом в условиях конкретного водопотребителя проектируемых или действующих объектов. На основании выполненных работ подстадии общих поисков должны быть: а) представлены характеристики общих гидрогеологических условий района и общих условий формирования естественных и эксплуатационных запасов подземных вод; б) выделены перспективные площади и продуктивные водоносные горизонты; в) дана в предварительном виде количественная оценка прогнозных эксплуатационных запасов; г) обоснована постановка дальнейших исследований.

На стадии общих поисков должны быть собраны и систематизированы материалы предыдущих исследований по региону, характеризующие геологическое строение, гидрогеологические условия, режим поверхностного стока, прогнозная оценка запасов региона.

Литологический критерий имеет существенное значение для оценки возможности обнаружения на площади исследований месторождений трещинно-карстовых вод в карбонатных породах, поэтому распространение на площади поисковых работ карбонатных пород, которые могут быть отмечены на геологической карте, является надежным критерием, позволяющим предположить наличие месторождений трещинно-карстовых вод.

Нередко на площади развития карбонатных пород могут формироваться аналоги «слепых рудных тел» - трещинно-карстовые воды, не имеющие естественных выходов на поверхность в виде родников. В таких условиях подземные воды имеют скрытый подземный сток в сторону погружения водовмещающих карбонатных пород, поэтому при гидрогеологической оценке площади распространения карбонатных пород не всегда следует ориентироваться только на поисковый гидрогеологический признак -выход родников.

Для выявления на площади поисково-съемочных работ закрытых артезианских бассейнов горно-складчатого типа большое значение имеют геолого-структурный и стратиграфический поисковые критерии. Геолого-структурный критерий определяет условия образования складчатых форм, благоприятных для формирования в пластах-коллекторах водоносных горизонтов.

К таким благоприятным складчатым формам следует отнести синклинальные складки и моноклинальные структуры, в разрезе которых принимают участие рыхло-обломочные или карбонатные породы с высокими коллекторскими свойствами.

В ходе поисково-съемочных исследований большое значение приобретает стратиграфический поисковый критерий. В процессе гидрогеологических работ была отмечена приуроченность некоторых очень мощных водоносных горизонтов к определенным стратиграфическим горизонтам, имеющим широкое региональное распространение.

Использование этих критериев при геологическом картировании позволило установить площадь распространения При-ташкентского артезианского бассейна. Буровая разведка впоследствии полностью подтвердила этот прогноз.

В процессе поисково-съемочных работ могут быть использованы тектонические поисковые критерии, выражающие оценку гидрогеологических условий зон крупных тектонических нарушений, с которыми часто связано формирование месторождений трещинно-жильных вод.

Для выявления месторождений трещинно-жильных вод геолого-структурный критерий целесообразно применять в совокупности с литологическим критерием и гидрогеологическими поисковыми признаками. Очень часто выход на поверхность трещинно-жильных вод в виде родников фиксирует наличие линейно-вытянутых по простиранию зон тектонических нарушений. Такие зоны в некоторых случаях могут быть обнаружены с помощью чисто гидрогеологических признаков.

Поскольку поисковые критерии представляют собой такие природные факторы, которые прямо или косвенно указывают на возможность обнаружения в данных условиях месторождений подземных вод, к поисковым критериям можно отнести и некоторые геофизические аномалии. Например, при поисковых исследованиях на месторождениях трещинно-карстовых вод такие аномалии могут локализоваться в зонах усиленной закарстованности карбонатных пород, с которыми обычно связана более высокая степень водообильности.

При поисковых исследованиях не всегда можно провести строгие границы между поисковыми критериями и признаками, поэтому в процессе поисково-разведочных работ целесообразно применять их совместно.

Не менее важным для прогнозной оценки является искусственный гидрогеологический поисковый признак - данные буровых скважин, пройденных ранее на площади поисков, или гидрогеологические данные по обводненности действующих шахт, карьеров, водозаборов. Большую роль при этом играют дебиты фонтанирующих скважин, которые могут явиться надежными индикаторами для выявления напорных горизонтов. Устойчивый режим и большие дебиты фонтанирующих скважин могут указывать на обеспеченность напорных вод естественными ресурсами.

Исключительно ценные данные для оценки поисковой площади можно получить на действующих водозаборах или родниках, поэтому в процессе поисковых работ следует тщательно собирать гидрогеологические материалы по всем ранее пробуренным скважинам и концентрированным водозаборам с тем, чтобы использовать гидрогеологические данные по опыту эксплуатации для прогнозной оценки всей площади поисков.

Существенное значение в прогнозной оценке месторождений подземных вод имеет гидрологичский поисковый признак.

Наличие на площади поисков, особенно на площади возможного обнаружения месторождения, речной сети с постоянно действующими водотоками и активной формы гидравлической связи подземных вод с поверхностными позволяет предположить, что на площади поисков могут быть выявлены участки, в контурах которых возможно строительство водозаборов инфильтрационного типа - водозаборов, расположенных непосредственно в области питания подземных вод. Таким образом, изучение поверхностных вод может иметь исключительно большое значение в промышленной оценке месторождений подземных вод.

Наличие гидрографической сети на площади поисков, позволяющей выяснить режим поверхностного стока (постоянно или временно действует поверхностный поток), как изменяется поверхностный сток рек по сезонам года и в многолетнем разрезе.

Отсутствие на площади поисков гидрографической сети может резко снизить ценность оконтуренных месторождений подземных вод.

К поисковым гидрогеологическим признакам можно также отнести так называемый признак природных аналогов. Перед проведением поисковых исследований собираются все гидрогеологические данные по опыту разведки и эксплуатации подземных вод в аналогичных геолого-гидрогеологических условиях. Пользуясь данными опытной эксплуатации, методом природной аналогии можно правильно выполнить прогнозную оценку вновь выявленных месторождений подземных вод на поисковой площади.

Использование в совокупности поисковых критериев и признаков способствует более целеустремленному ведению поисковых работ, направленных на обнаружение месторождений подземных вод промышленного типа.

2.2 Основы методики разведки

Разведка подземных вод преследует главную цель - дать промышленную оценку месторождения (количественную и качественную оценку запасов) и получить все необходимые гидрогеологические данные для составления проектов и выбора режима эксплуатации.

Метод - это способ познания, способ обнаружения и изучения месторождений подземных вод. Поэтому этот термин целесообразно присваивать таким разведочным гидрогеологическим мероприятиям, которые позволили бы обосновать решение главной задачи разведки. Во-вторых, понятие «метод разведки» должно содержать нечто сопоставимое и приложимое к любому процессу разведки, независимо от сложности и разнообразия применяемых технических средств.

Методами разведки можно называть только такие способы изучения месторождения, которые позволяют делать некоторые выводы о точности исследований.

Методика разведки месторождений подземных вод - понятие вполне определенное, включающее в себя применение целого комплекса производственных и научно-технических средств, позволяющего прямо и непосредственно установить контуры месторождения (в плане и разрезе), количество и качество запасов и условия их эксплуатации.

В комплекс могут входить основные и вспомогательные производственные и научно-технические средства.

К основным следует отнести такие средства, которые непосредственно определяют промышленную ценность месторождения - бурение скважин, количественное и качественное опробование, наблюдения за режимом подземных вод и другие.

К вспомогательным - технические средства, применение которых способствует обнаружению месторождения, ускоряет проведение основных мероприятий: геофизические методы исследований, методы моделирования, балансово-гид-рометрические методы исследований и др.

Учитывая эти положения, главная задача разведки подземных вод может быть решена следующими основными методами.

1. Метод размещения на площади месторождения системы гидрогеологических скважин, расположенных по линии разрезов (профилей).

Разведка методом гидрогеологических разрезов применима для подавляющего большинства ранее выделенных типов месторождений подземных вод.

Ориентировка разведочных гидрогеологических профилей на площади месторождения должна быть такой, чтобы по данным профилей можно было получить достаточно полную информацию и выделить достаточно отчетливо и достоверно условия и форму залегания продуктивного водоносного горизонта, площадь его распространения, т.е. разведочные профили должны выяснить и решить одну из основных задач - выявить граничные условия потока в плане и разрезе.

2. Разведка месторождения с помощью бурения гидрогеологических скважин, размещенных на площади участка примерно по сетке, например в шахматном порядке (преимущественно в стадии предварительной разведки).

Основная идея размещения разведочных скважин на изучаемом месторождении по сетке заключается не только в выявлении в целом контура месторождения в плане и разрезе, но и в выявлении отдельных благоприятных участков-ячеек, на площади которых впоследствии можно организовать рассредоточенные водозаборные сооружения.

3. Разведка месторождений подземных вод комбинированной системой размещения буровых скважин - по гидрогеологическим разрезам (профилям) и по сетке между разрезами.

4. Метод проведения комплекса пробных и опытных откачек воды из гидрогеологических скважин с целью изучения количественной характеристики гидрогеологических параметров продуктивного горизонта, а также качества подземных вод.

Этот метод количественного и качественного опробования водоносного горизонта позволяет получить необходимые исходные гидрогеологические данные, на основании которых впоследствии производятся расчеты по оценке эксплуатационных заласов подземных вод.

5. Метод проведения длительных групповых опытно-эксплуатационных откачек воды из разведочных скважин, по данным которых обычно производится непосредственная количественная оценка эксплуатационных запасов подземных вод..

6. Метод изучения режима дебита родников или фонтанирующих скважин, позволяющий произвести непосредственно количественную и качественную оценку эксплуатационных запасов подземных вод.

2.3 Принципы и стадии разведочных работ

В основу разведки месторождений подземных вод положены общие принципы, поскольку, в конечном счете, разведка объектов сводится к выявлению промышленной их ценности.

Основная цель разведки месторождений преследует решение трех главных задач:

определение количества эксплуатационных запасов подземных вод, формирующихся на площади месторождения или его отдельных участках;

изучение качества подземных вод и его изменения в процессе будущей эксплуатации;

определение гидрогеологических и технических условий эксплуатации (в том числе создание зон санитарной охраны).

Эти задачи в своей совокупности и определяют общие принципы и основные положения разведки месторождений.

Принцип последовательного приближения. Сущность принципа - в постепенном наращивании знаний о разведываемом месторождении по определенным этапам его изучения. Этот принцип по своему содержанию непосредственно связан с требованием стадийности разведки.

В результате всех стадий разведки необходимо получить исчерпывающие исходные гидрогеологические данные для конкретного проектирования эксплуатации месторождения.

Принцип полноты исследований. Этот принцип разведки содержит несколько основных требований. Первое требование выражается в необходимости изучения и оценки не только отдельных участков, но и всей площади разведываемого месторождения. Он определяет наиболее полное выявление эксплуатационных запасов подземных вод изучаемой территории.

Принцип равномерности изучения месторождения. Этот принцип предусматривает такое расположение разведочных выработок, которое было бы целесообразным для равномерного изучения гидрогеологической неоднородности месторождений. Что обеспечит правильную оценку площади отдельных участков детальной разведки. Буровые скважины и опытные откачки должны размещаться с учетом различной степени изменчивости свойств водоносного горизонта в разных направлениях с последующим сгущением выработок на наиболее перспективной площади.

Принцип максимальной гидрогеологической информации при разведке. Основное требование и содержание этого принципа заключается в том, чтобы размещение поисково-разведочных профилей на площади месторождения в период предварительной разведки производилось с учетом получения наибольшей информации о геологическом строении и гидрогеологических условиях изучаемого объекта.

Принцип экономической целесообразности. Этот принцип исходит из современных требований социалистического хозяйства-экономии материальных и трудовых затрат при разведке месторождений подземных вод, и в первую очередь трудоемких и дорогостоящих буровых работ и опытных откачек.

В соответствии с этими условиями количество разведочных выработок и объем всех видов исследований на площади месторождения или его отдельных участков должено быть минимальным, но достаточным для решения главной задачи разведки - промышленной оценки объекта.

Несколько сложнее осуществить принцип наименьшей затраты времени. В осуществлении принципа наименьших затрат времени решающая роль принадлежит правильной организации гидрогеологических работ. Хорошая и четкая организация этих работ, своевременное обеспечение полевых партий техническими средствами и применение современных методов разведочных работ может позволить успешно завершить разведку месторождения в короткое время.

В разведке месторождений пресных подземных вод выделяют три стадии: а) предварительная, б) детальная, в) эксплуатационная разведка.

Предварительная разведка. На стадии предварительной разведки должны быть определены общие масштабы месторождения, возможность удовлетворения заявленной потребности в воде, а также (в предварительном виде) условия промышленной его отработки.

В процессе изучения месторождения на стадии предварительной разведки рекомендуется выполнить следующие основные виды гидрогеологических работ:

Детальная гидрогеологическая съемка участка предварительной разведки (площадь, на которой впоследствии разместится водозаборное сооружение). Масштаб съемки от 1:5000 до 1:25000 в зависимости от площади и степени сложности месторождения.

Бурение гидрогеологических скважин на площади предварительной разведки, включает проходку разведочных и наблюдательных скважин.

Опытно-фильтрационные работы (одиночные и кустовые откачки из разведочных скважин).

Опробование подземных вод.

Изучение режима подземных и поверхностных вод.

Камеральная обработка материалов, которая является завершающим этапом предварительной разведки месторождений подземных вод.

Детальная разведка. Главная задача гидрогеологических работ, на стадии детальной разведки, состоит в обосновании проекта строительства и рациональных условий эксплуатации будущего водозаборного сооружения. Для решения этой задачи на участках будущего водозабора эксплуатационные запасы подземных вод должны быть разведаны с детальностью, обеспечивающей подсчет запасов с учетом заданного количества воды на ближайший период по категориям А и В. Для удовлетворения на перспективу должны быть выявлены запасы с оценкой их не ниже категории С1.

Эксплуатационная разведка. Основными задачами ее являются: 1) стационарный надзор за режимом эксплуатации подземных вод на водозаборном участке (дебит водозаборных скважин и величина допустимого понижения уровня подземных вод); 2) изучение условий формирования депрессионной воронки подземных вод на площади влияния водозаборного сооружения; 3) исследование характера изменения качества подземных вод в годовом и многолетнем разрезе; 4) уточнение гидрогеологических параметров продуктивного водоносного горизонта; 5) периодическая переоценка эксплуатационных запасов подземных вод; 6) изучение техногенных процессов; 7) диагностика эксплуатационных скважин для определения их технического состояния, в том числе состояния фильтров водозаборных скважин; 8) доразведка флангов месторождения с целью приращения эксплуатационных запасов подземных вод на водозаборном участке (для удовлетворения перспективной потребности в воде); 9) выявление возможности искусственного восполнения эксплуатационных запасов подземных вод; 10) проведение сравнительной оценки гидрогеологических данных разведки и результатов эксплуатации.

Для решения этих задач на стадии эксплуатационной разведки на водозаборном участке целесообразно проводить следующий комплекс гидрогеологических и инженерно-геологических работ.

Стационарные наблюдения за режимом эксплуатации подземных вод.

Инженерно-геологические исследования на участках дейтвующих водозаборов.

Бурение гидрогеологических и наблюдательных скважин.

Геофизические работы в скважинах.

Камеральная обработка материалов для систематизации поступающих данных и составления отчетов.

Задачи гидрогеологических исследований

Важное место по своему значению при разведке и эксплуатации месторождений подземных вод занимают гидрологические исследования, изучение режима и качества подземных вод.

Гидрологические исследования, изучающие естественный режим поверхностного стока, обычно проводятся при поисках и разведке тех месторождений, на площади которых подземные воды имеют тесною гидравлическую связь с поверхностными водами, когда последние являются основным источником формирования эксплуатационных запасов на выбранное под разведку участке. В таких природных условиях гидрологические работы приобретают важное значение. При изучении конкретных месторождений в состав гидрологических исследований должны входить следующие виды работ.

Сбор, обобщение и анализ материалов, характеризующих режим поверхностного стока, в том числе обобщение данных наблюдений, которые проводятся организациями специализированной Государственной гидрометеорологической службы РФ.

Полевые (дополнительные) гидрологические исследования непосредственно по площади месторождения в период его разведки.

В процессе исследований по первому направлению необходимо представить характеристику режима поверхностного стока реки в многолетнем разрезе - расход и его изменения во внутри годовом и многолетнем циклах, температурный режим, режим паводковых и минимальных расходов реки, качество и санитарно-бактериологическое состояние поверхностных вод. При разведке участков под водозаборные сооружения инфильтрационного типа, как следует из требований Инструкции ГКЗ РФ, очень важно установить по результатам многолетних исследований внутри годовое распределение стока, в том числе минимальный средний за 30-ти суточный период расход для года 85, 90 или 95 %-ной обеспеченности. При этих расчетах необходимо сохранить в долине реки минимальный санитарный расход, значение которого должно быть согласовано с местными санитарно-эпидемиологическими станциями и органами по регулированию использования и охраны водных ресурсов.

На некоторых месторождениях подземных вод, приуроченных к речным долинам, могут быть созданы водозаборные участки, режим которых рассчитан на периодическую сработку естественных запасов в водоносных аллювиальных образованиях или в коренных породах с последующим их восполнением в период прохождения в реке паводка. При разведке таких водозаборных участков в процессе гидрологических исследований необходимо установить продолжительность маловодного периода реки, в течение которого суммарный (проектный) дебит будущего водозабора будет превышать расход поверхностных вод, поступающих на питание подземных вод. При таких и других гидрологических условиях по результатам обобщения материалов требуется определить внутригодовое распределение поверхностного стока для 95 %-ной обеспеченности, 50 %-ной обеспеченности и того периода, в течение которого на месторождении были проведены гидрологические исследования.

В тех случаях, когда непосредственно по площади месторождения отсутствуют многолетние гидрологические наблюдения или недостаточно материалов для общей характеристики стока в многолетнем разрезе, целесообразно провести сбор и обобщение материалов по близко расположенным к месторождению рекам - аналогам.

В этом случае необходимо произвести пересчеты полученных результатов применительно к изучаемому объекту по разработанной в гидрологии методике.

Кроме сбора и обобщения материалов, ранее проведенных работ, на месторождениях проводятся дополнительные специальные полевые исследования. В комплекс дополнительных полевых гидрологических работ должно входить:

проведение наблюдений за режимом уровня поверхностных вод непосредственно на площади разведочного участка;

наблюдения за температурой воды; определение расходов реки (на небольших реках), когда минимальный ее расход соизмерим с производительностью будущего водозабора;

изучение химического состава поверхностных вод и их мутности; изучение проявления русловых процессов (интенсивность переработки берегов во время прохождения паводков), площади затопления паводковыми водами, ледовых явлений.

Для выполнения перечисленных выше работ на площади месторождения должна быть оборудована специальная сеть (гидрометрические посты, каптаж родников) для режимных наблюдений. Так как гидрологические данные являются очень важной информацией для оценки эксплуатационных запасов подземных вод на участках, где проектируются инфильтрационные водозаборные сооружения, гидрологические исследования необходимо начинать в стадию поисковых работ и продолжать их до завершения полного цикла разведочных работ (более 3-5 лет). Это позволит представить более достоверную характеристику режима поверхностного стока.

При разведке месторождений подземных вод гидрологические исследования по своему содержанию и значению являются весьма важными. Результаты таких исследований являются одной из основных информации, которая по существу предопределяет количественную и качественную оценку собственно эксплуатационных запасов подземных вод разведочного участка.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПОИСКОВО- РАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Методика поисков, разведки и оценки эксплуатационных запасов на месторождениях пресных подземных вод непромышленного типа сравнительно проста. 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).

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.

3.1 Методика разведки месторождений напорных вод на площади межгорных артезианских массивов

Месторождения этой группы, несмотря на разнородность гидродинамических условий (напорных, напорно-безнапорных и безнапорных), достаточно однотипны по гидрогеологическому строению и условиям формирования эксплуатационных запасов подземных вод. Поэтому лишь условно эту группу месторождений подземных вод можно подразделить:

предгорные бассейны, включая артезианские склоны, конусы выноса и пролювиальные шлейфы;

межгорные бассейны, включая замкнутые впадины или межгорные долины.

Предгорные бассейны содержат часто огромные запасы подземных вод и поэтому имеют большое практическое значение. Сложены они щебнистым и галечниковым материалом, который по мере удаления от гор все более и более расчленяется прослоями глин и суглинков на несколько обычно хорошо гидравлически взаимосвязанных и невыдержанных по площади водоносных горизонтов. Безнапорные условия сменяются напорными, чаще всего увеличивающимися с глубиной напорами. Мощность отложений увеличивается по мере удаления от гор и может составить несколько сотен метров. Минерализация воды возрастает с глубиной и по мере удаления от гор.

Эксплуатационные запасы подземных вод в предгорных бассейнах формируются за счет перехвата естественной разгрузки, фильтрационных потерь из оросительных каналов и на массивах орошения, перетекания и в меньшей степени за счет инфильтрационного питания и осушения пласта.

Принимая во внимание, что водоносные прослои в указанных многослойных толщах, как правило, не выдержаны ни в плане, ни в разрезе, чаще всего маломощны и гидравлически тесно взаимосвязаны, эксплуатационные скважины обычно закладывают сразу на несколько (от двух до пяти) водоносных горизонтов или прослоев. В единой колонне с фильтрами на разные водоносные горизонты (прослои) производятся опытные опробования в период поисков и разведки месторождений.

Другой особенностью эксплуатации является линейное расположение эксплуатационных скважин, что определено стремлением перехватить либо поток, направленный от предгорий к долине по крупным или слившимся конусам выноса и предгорным шлейфам, либо фильтрационные потери из рек, выходящих из гор на предгорную равнину. В соответствии с этим водозаборы закладываются параллельно горам (вдоль основной долины), реже - поперек основной долины и вдоль ее притоков. Ввиду частой засоленности и загрязненности грунтовых вод основными эксплуатируемыми горизонтами являются напорные.

Граничные условия в зависимости от размеров водозабора и его местоположения могут быть различными. При сравнительно малом водоотборе, а также в силу значительной водообильности отложений и обильном естественном и искусственном питании подземных под воронка депрессии развивается в пределах ограниченных площадей. В этих случаях наблюдательная сеть может создаваться так же, как и в артезианских бассейнах, по схеме неограниченного изолированного пласта или по схеме с перетеканием.

При расположении водозабора вблизи выклинивания водоносного горизонта (замещения его слабопроницаемыми осадками, например, при сочленении аллювиально-пролювиальных и коренных отложений), наблюдательная сеть должна создаваться как для 'полуограниченного' пласта с контуром постоянного напора на границах.

При расположении водозабора вблизи границы частичного выклинивания предгорного потока подземных вод основной створ из двух - трех скважин оборудуется перпендикулярно к этой границе. Организуются наблюдения и за родниками в зоне выклинивания в целях оценки их инверсии, а также за расходами рек, за счет которых идет питание подземных вод. Минимум одна скважина закладывается в зоне возможного снятия испарения.

Межгорные артезианские бассейны тесно связаны с предгорными, являясь их продолжением. Подразделение на межгорные и предгорные бассейны условно и эти группы месторождений подземных вод часто изучаются и используются одновременно. Сложены они гравийно-галечниковыми отложениями, разделенными не выдержанными в плане и разрезе суглинистыми отложениями содержащими гравий и гальку и являющиеся относительными водоупорами. Поэтому все водоносные прослои представляют собой единый водоносный комплекс. В отдельных случаях (Араратская долина) гравийно-галечниковые отложения подстилаются высокопроницаемыми коренными (лавовыми) отложениями, содержащими мощные водоносные горизонты, гидравлически взаимосвязанные с вышележащим гравийно-галечниковым водоносным комплексом.

Поскольку эксплуатационные скважины чаще всего оборудуются фильтрами сразу на несколько водоносных горизонтов, наблюдательные скважины должны иметь одинаковую с ними конструкцию. Размещаются они по тем же принципам, что и для артезианских бассейнов платформенного типа в условиях перетекания: одна скважина в центре водозабора, вторая - на расстоянии 1м, третья - на расстоянии 1,5м при групповом расположении и 0,5м при линейном. Лучи скважин закладываются в крест и вдоль потока.

Принимая во внимание часто большие размеры водозаборов (длина которых достигает нескольких километров, что соизмеримо с шириной долины), а также интенсивную рассредоточенную по площади эксплуатацию подземных вод одиночными скважинами, заложенными на различные горизонты. Наблюдательную сеть на отдельных водозаборах надо сочетать с наблюдениями за режимом подземных вод по всей межгорной впадине или долине в целом. В этом случае региональные створы наблюдательных скважин должны быть расположены поперек долины кустами на каждый из основных водоносных горизонтов зоны активного водообмена, включая грунтовые воды.

Учитывая возможную взаимосвязь пресных водоносных горизонтов с нижележащими минерализованными водами, в тех случаях, когда это имеет значение, одиночные наблюдательные скважины закладываются дополнительно на эти горизонты.

3.2 Методика разведки трещинно-жильных месторождений

Месторождения трещинно-жильных вод характерны преимущественно для районов горно-складчатых областей, где сложно дислоцированные толщи пород часто поражаются крупными тектоническими нарушениями, в том числе глубокого заложения и очень сложного строения. В платформенных областях месторождения этого типа встречаются реже.

Наиболее крупные месторождения трещинно-жильных вод в горно-складчатых областях нередко приурочены к региональным тектоническим нарушениям краевых частей горных сооружений, прослеживающихся по простиранию на расстояния в несколько сотен километров.

Более широкое распространение в геосинклинальных областях имеют месторождения трещинно-жильных вод, формирование которых наблюдается в зонах тектонических нарушений внутрискладчатых структур (простые и сложные сбросы или надвиги нередко глубокого заложения). Месторождения такого типа встречаются на Урале, в Средней Азии, Казахстане и других областях, где ресурсы трещинно-жильных вод используются для организации водоснабжения городов и промышленных предприятий. Формирование подземных потоков трещинно-жильных вод, таким образом, связано со структурными особенностями тектонических нарушений, с условиями образования в этих структурах физической среды, благоприятной для накопления и циркуляции подземных вод. Разведка трещинно-жильных вод и осушения горных выработок на горнорудйых предприятиях показывает, что в зонах тектонических нарушений, поражающих такие горные породы, как сланцы, филлиты, эффузивы, роговики и им подобные, обычно формируются весьма ограниченные запасы трещинно-жильных вод, не имеющие промышленного значения. Поэтому такие месторождения вод по своим эксплуатационным возможностям не могут быть использованы для организации централизованного водоснабжения крупных объектов. Формируясь в пределах зон тектонических нарушений, подземные потоки трещинно-жильных вод при благоприятных условиях выходят на дневную поверхность в виде восходящих родников. Родники обычно фиксируются по простиранию тектонических нарушений линейно-вытянутой цепочкой, являясь своего рода поисковым критерием для обнаружения месторождений.

Месторождения трещинно-жильных вод отличаются следующими гидрогеологическими особенностями.

Имеют линейно-вытянутую форму залегания в виде узких потоков подземных вод.

Трещинно-жильные воды циркулируют на относительно большой глубине, измеряемой иногда сотнями метров, и в связи с этим часто имеют повышенную температуру (нередко на месторождении формируются термальные воды).

Область питания трещинно-жильных вод расположена вдоль зоны тектонического нарушения непосредственно во вмещающих горных породах.

На месторождении формируются преимущественно естественные ресурсы трещинно-жильных вод, ввиду ограниченной свободной емкости водовмещающей среды естественные запасы трещинно-жильных вод обычно весьма незначительные. Главная гидрогеологическая особенность месторождений трещинно-жильных вод заключается в сложности формирования фильтрационного потока, контуры которого, как и фильтрационные свойства пород, обычно резко изменяются как по простиранию, так и по падению тектонического нарушения. В связи с этим оценку эксплуатационных запасов трещинно-жильных вод при их разведке приходится производить по данным длительных пробно-эксплуатационных откачек (гидравлическим методом).

3.3 Методика разведки месторождений трещинно-карстовых вод

Эти месторождения характеризуются наибольшим разнообразием и сложностью геолого-гидрогеологических условий. Приурочены к трещинно-карстовым коллекторам. Их аналоги в терригенных пластах практически отсутствуют.

В процессе разведочных работ на месторождениях указанного типа особое внимание следует уделять балансу подземных вод, так как он имеет решающее значение для оценки эксплуатационных запасов.

Прогнозная стадия заключается в выявлении по фондовым материалам характерных для изучаемого района геолого-гидрогеологических и генетических признаков, благоприятствующих образованию повышенной трещиноватости и закарстованности, а также формированию естественных ресурсов подземных вод. В результате должны быть выбраны площади с благоприятными геологическими признаками для формирования месторождений подземных вод. В хорошо изученных районах может быть выполнена прогнозная региональная оценка запасов.

На поисковой стадии необходимо выбрать участки, которые действительно характеризуются повышенной трещиноватостью, закарстованностью и благоприятными условиями питания подземных вод, а также ориентировочно оценить возможный масштаб эксплуатационных запасов месторождения.

При этом должны быть:

выделены участки и зоны развития водоносных пород с повышенными фильтрационными свойствами и определена возможная производительность скважин;

установлена глубина развития интенсивной трещиноватости и закарстованности водовмещающих пород;

ориентировочно оконтурена площадь развития пород повышенной трещиноватости и закарстованности;

определены мощность, литологический состав и характер обводненности отложений, перекрывающих трещшшо-карстовый горизонт;

установлен характер обводненности пород, окружающих месторождение;

качественно определены основные источники формирования эксплуатационных запасов, дана их ориентировочная количественная оценка преимущественно по аналогии и на основании общих геолого-гидрогеологических данных;

получены сведения о меженных расходах родников;

предварительно охарактеризован гидрологический режим поверхностных водотоков;

установлена вертикальная и площадная гидрохимическая зональность.

С этой целью проводится крупно- или среднемасштабная гидрогеологическая съемка (масштаб определяется размерами месторождения). Съемка сопровождается площадными геофизическими работами, бурением и опробованием поисковых скважин.

На стадии предварительной разведки должны быть изучены основные факторы, определяющие величину эксплуатационных запасов месторождения, с полнотой, позволяющей дать количественную оценку запасов:

проведено оконтуриваиие месторождения, т. е. выявлены границы структур или зон с повышенной трещиноватостью и закарстовашюстью;

определены фильтрационные свойства водовмещающих пород и закономерности изменения их по площади;

проведена оценка изменения фильтрационных свойств водовмещающих пород с глубиной для определения интервалов основных водопритоков и величины допустимого понижения уровня;

определены естественные ресурсы подземных вод и дана количественная оценка всех приходных и расходных статей баланса;

при наличии водоносных горизонтов в отложениях, перекрывающих месторождение, изучены их мощность, состав, емкостные и фильтрационные свойства, условия взаимосвязи с основным горизонтом, мощность и литологический состав водоупорных прослоев и пород зоны аэрации;

изучен характер водоносности окружающих месторождение пород и их фильтрационные свойства.

В процессе предварительной разведки изучаются только те факторы, которые определяют величину эксплуатационных запасов в пределах данного месторождения и непосредственно учитываются при подсчете запасов. Если месторождение приурочено к резко не равномерно трещиноватым породам в зонах тектонических нарушений, где оценка запасов выполняется гидравлическим методом, то определение фильтрационных свойств водовмещающих пород не проводится.

При разведке месторождений, связанных с реками, проводится тот же комплекс работ, что и в речных долинах, однако поперечники скважин разбуриваются через все месторождение. Для обоснования выбора участка будущего водозабора значительную помощь могут оказать площадные геофизические исследования. Гидрометрические посты на реках обязательно оборудуются на входном и замыкающем месторождение створах.

На месторождениях, не связанных с реками, существенное внимание уделяется балансово-гидрометрическим исследованиям (определение величины инфильтрации атмосферных осадков, испарения, транспирации растительностью). Для этого целесообразно организовать специальные стоковые площадки для определения величины инфильтрации атмосферных осадков.

Для оконтуривания зон повышенной трещиноватости и закарстованности, а также выбора точек для заложения буровых скважин осуществляются площадные геофизические исследования. Преимущественно геофизическими методами в скважинах изучается изменение фильтрационных свойств водовмещающих пород в разрезе.

В ряде случаев вследствие значительной сложности гидрогеологических условий месторождения рекомендованный комплекс работ не позволяет решить задачу предварительной разведки (определение запасов), особенно для локализованных зон повышенной трещиноватости и зон тектонических нарушений. Запасы в таких условиях могут быть оценены только гидравлическим методом по данным опытно-эксплуатационных откачек. Поэтому в подобных случаях предварительная и детальная разведки сливаются в единую стадию, которая заканчивается опытно-эксплуатационной откачкой с расходом, по возможности близким к проектному.

На стадии детальной разведки, как обычно, проводится обоснование проекта водозабора. Поэтому на месторождениях с резко неравномерной трещиноватостью бурение разведочных скважин осуществляется в каждой проектной точке будущего водозабора. Во всех скважинах должна быть обоснована глубина допустимого понижения уровня. На месторождениях с неравномерной трещиноватостью и закарстованностью и сложными условиями питания и разгрузки (особенно при не явно выраженной разгрузке) помимо бурения одним из основных видов работ является опытно-эксплуатационная откачка. Кроме того, при детальной разведке продолжаются стационарные гидрологические, гидрогеологические и балансовые исследования, в том числе и на действующих водозаборах.

В зависимости от основных источников формирования запасов их величина в рассматриваемых условиях определяется разными факторами и с различной степенью достоверности.

3.4 Расчетные схемы водозаборов подземных вод

При схематизации водоносных пластов для расчетных целей необходимо учитывать расположение водозаборных сооружений относительно границ водоносных пластов, поскольку этим будет определяться степень влияния последних. С этой точки зрения можно представить себе такие случаи:

а) водозаборные сооружения настолько удалены от границ, что их влиянием можно вовсе пренебречь;

б) водозаборные сооружения находятся вблизи одной какой-либо границы пласта, другие же границы находятся на весьма значительном расстоянии и могут не учитываться;

в) водозаборные сооружения ввиду небольших размеров пласта находятся в зоне влияния его границ с нескольких сторон.

Исходя из этого представляется возможным выделить следующие типовые расчетные схемы:

1. Пласт весьма больших размеров («неограниченный пласт»). На границах пласта в процессе эксплуатации водозаборного сооружения сохраняется постоянный напор или постоянный расход q = const или Н = const.

2. Пласт, ограниченный одним прямолинейным контуром («полуограниченный пласт»):

а) на контуре пласта задан постоянный напор H=const;

б) на контуре пласта задан постоянный удельный расход Q = const или в частном случае непроницаемого контура Q = 0.

3. Пласт, ограниченный двумя прямолинейными контурами, пересекающимися под прямым углом («пласт-квадрант»);

а) на обоих контурах задан напор Н = const;

б) на обоих контурах задан расход Q = const или в частном случае непроницаемых контуров Q = 0;

в) на одном контуре задан напор Н = const, а на, другом расход Q = const или Q = 0.

4. Пласт, ограниченный двумя прямолинейными параллельными контурами («пласт-полоса»):

а) на обоих контурах Н = const;

б) на обоих контурах Q = const или Q = 0;

в) на одном контуре Н = const, а на другом Q = const или Q = 0.

5. Пласт, ограниченный сложным по очертаниям контуром, который в схеме можно привести к круговому (такое приведение осуществляется по равенству площадей):

а) на контуре напор является постоянным Н = const;

б) со стороны контура поступает постоянный расход или в частном случае расход равен нулю (Q = const или Q = 0).

В качестве начальных условий во всех указанных случаях обычно принимается то или иное распределение напора подземных вод в естественных условиях (до начала эксплуатации водозаборных сооружений). В отдельных случаях условия на границах могут быть выражены как функции времени.

При оценке эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения - Qэ - следует исходить из следующих условий:

1. К концу расчетного периода эксплуатации подземных вод tэ понижение динамических уровней в скважинах sЭ зависит от Q, tэ а также от числа скважин п и расстояний между ними l. Это условие в общем виде можно записать как

(3.1)

2. Число скважин и межскважинные расстояния зависят от площади рассматриваемого района, пласта или его части F. В общем виде это условие имеет вид

(3.2)

В случае размещения скважин по квадратной сетке условие имеет вид

(3.3)

В случае расположения скважин прямолинейными рядами

(3.4)

где р1 - число рядов скважин;

L0 - расстояние между рядами; p2 - число скважин в ряду; l-расстояние между скважинами.

При сложных геологических условиях (неоднородных водоносных породах) схема размещения скважин часто оказывается тоже очень сложной, и пользуются соответствующими графическими схемами.

В качестве самого распространенного примера месторождений подземных вод горно-складчатых областей рассмотрим расчеты водозаборов в условиях однородного пласта, ограниченного одним прямолинейным контуром. Рассмотрим действие скважин в пластах, ограниченных прямолинейным контуром с постоянным напором или непроницаемым контуром. Наиболее распространены водозаборы в долинах рек, конусах выноса предгорных шлейфов и другие.

При действии скважин в полуограниченном пласте по истечении более или менее длительного времени внешний контур может оказывать заметное влияние на понижение уровня в скважинах, что необходимо учитывать при расчетах.

Одиночная скважина

В основу вывода расчетных формул в данном случае положено уравнение источника с постоянной интенсивностью, являющегося моделью скважины с постоянным расходом. Используя это уравнение по методу «зеркальных отображений» источников можно получить решение для пласта, ограниченного одним прямолинейным контуром.

Для этого необходимо в месте расположения скважины поместить линейный источник с интенсивностью Q и вне рассматриваемого пласта, на том же расстоянии от прямолинейного контура X поместить другой воображаемый линейный источник той же интенсивности Q.

Воображаемый источник является «зеркальным отображением» реального источника. При этом в случае постоянного напора на контуре пласта интенсивность воображаемого источника должна быть отрицательной (Q<0); через воображаемый источник как бы производится нагнетание воды в пласт, что обеспечивает постоянство напора на контуре и увеличивает фильтрацию воды к реальной скважине со стороны контура.

При наличии непроницаемого контура интенсивность воображаемого источника должна быть положительной (Q>0); предполагается, что в этом случае из воображаемого источника производится откачка воды и тем самым погашается фильтрация воды к реальной скважине со стороны контура.

Складывая напорные функции двух скважин - источников (действительной и воображаемой), находим выражение для гидравлического сопротивления R:

(3.5)

Знак «-» соответствует контуру с постоянным напором, а знак « + » непроницаемому контуру.

В формулах расстояние от точки, в которой определяется понижение уровня, до реальной скважины, расстояние от той же точки до воображаемой скважины, а - координата точки расположения скважины (начало координат принято в точке 0 на контуре).

При близком расположении водозаборов от реки время, формула определения понижения уровня непосредственно в скважине радиусом r=r0 приобретает широко известный вид

(3.6)

Для пласта, ограниченного непроницаемым контуром, при r2/4at <0,1 гидравлическое сопротивление выражается следующим jбразом:

(3.7)

При r=r0, т. е. при определении понижения в скважине,

(3.8)

Взаимодействующие скважины

При откачке воды из группы, состоящей из п любым образом расположенных скважин с постоянными дебитами в полуограниченном пласте, величина R определится из зависимости, получаемой на основе уравнения (3.5) по методу наложения течений (рис. 4).

Рис. 4 - Группа скважин, любым образом расположенных в полуограниченном пласте

При <0,1 ( - расстояние до максимально удаленной реальной скважины), будем иметь:

(3.9)

Знак «-» в формулах принимается для контура с постоянным напором и знак « + » для непроницаемого контура.

При длительной эксплуатации скважин, когда <0,1 (piмакс - расстояние до наиболее удаленной воображаемой скважины), получаем:

для пласта, ограниченного контуром с постоянным напором.

(3.10)

а для пласта, ограниченного непроницаемым контуром,

(3.11)

(3.12-3.13)

При одинаковых дебитах скважин

(3.14-3.15)

Здесь rs - расстояние от точки, в которой определяется понижение уровня, до реальной скважины, имеющей номер s. При определении понижения непосредственно в этой скважине за rs принимается ее радиус (rs=r0). В данном случае величина rs представляет собой «расчетный радиус водозабора», равный радиусу некоторого «большого колодца», имеющего тот же дебит, что и группа скважин, и то же понижение уровня, что расчетная скважина, a ps -удвоенное расстояние того же большого колодца от контура пласта.

При рассмотрении закономерно располагающихся групп скважин в полуограниченном пласте представляет интерес сопоставление двух основных схем:

а) параллельного расположения (по отношению к контуру);

б) поперечного.

Если пласт ограничен контуром питания, то в этом случае, так же как и при установившемся движении, наиболее равномерная сработка запасов подземных вод (с минимальной разницей понижений в центральной и крайней скважинах группы) достигается в схеме параллельного расположения. При этом чем ближе скважины находятся к контуру питания, тем в меньшей мере сказывается взаимное влияние их друг на друга. При наличии же непроницаемого контура более предпочтительной с этой точки зрения является схема поперечного расположения: влияние взаимодействия сказывается здесь в меньшей мере, чем в случае расположения скважин параллельно непроницаемому контуру.

Другим распространенным примером служит площадная система скважин, проектируемых на большом удалении от гидродинамических границ, или условиях «неограниченного» пласта. Для приближенного расчета площадных систем используют идею 'большого колодца', под которым понимается одна-единственная скважина с большим радиусом  , эквивалентная всей системе, т.е. имеющая тот же суммарный дебит и дающая те же понижения в области влияния.

Система состоит из скважин с разными дебитами и разным временем ввода в действие для каждой скважины (рис. 5).

Рис. 5 - Схема площадного водозабора

Определим по принципу сложения решений понижение уровня в некоторой точке  в момент t, полагая, что расчетное время достаточно для наступления квазистационарного режима в точке :

(введем долевые коэффициенты дебита )

. (3.16)

Учитывая, что , а две подчеркнутые группировки однородных членов можно свернуть по свойствам логарифма:

, (3.17)

, (3.18)

получим окончательное выражение в виде:

. (3.19)

Видно, что полученное выражение для по форме аналогично действию одной скважины, находящейся на расчетном расстоянии от точки и действующей с суммарным дебитом в течение расчетного времени . Такая скважина и называется 'большим колодцем'. В частном случае равнодебитных скважин (  ) долевые коэффициенты также равны между собой

;

Очевидно, что при такой методике расчета физическое положение 'большого колодца' в принципе безразлично; важно только, что он находится на расчетном расстоянии . Можно использовать и другую методику, не требующую специального вычисления  : предварительно рассчитывается положение центра (оси) 'большого колодца' как центра тяжести системы скважин по их расходам, от которого и измеряется расчетное расстояние до точки (рис.6).

Координаты центра 'большого колодца' в произвольной системе декартовых координат {X,Y} вычисляются с учетом координат и долевых коэффициентов дебита каждой скважины:

. (3.20)

По численным оценкам, погрешность расчетов понижений не превышает 3-5% для точек, удаленных от площадки системы скважин на расстояние, превышающее ее наибольший размер.

Другая полезная практическая задача: оценка возможного суммарного притока к системе скважин. Для этого рассчитывается радиус 'большого колодца'  , т.е. точка  перемещается на стенку 'большого колодца'. При этом одна из скважин принимается за опорную и от нее рассчитываются расстояния до всех остальных; после этого оценивается

Рис. 6 - Определение координат центра 'большого колодца'

Теперь можно рассчитать потенциальный суммарный дебит системы как дебит 'большого колодца' с радиусом по любой формуле, отвечающей расчетной схеме - Тейса.

(3.21)

Конечно, такая оценка будет приближенной, так как приходится принимать некоторое единое для системы значение .

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАЗВЕДКИ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ГОРНОМ РАЙОНЕ БАШКИРИИ

Пресными питьевыми водами Республика Башкортостан обеспечена недостаточно, и они распределены по территории крайне неравномерно: модули подземного стока колеблются от 5-10 (Уфимское плато) до 1,5 (Белебеевская возвышенность) - 0,3 л/с·км2 (Зауралье) и почти полного отсутствия (значительная часть Уршак-Бельского междуречья и др.).

Первая региональная оценка эксплуатационных ресурсов пресных подземных вод на территории Башкортостана проведена А.И. Епифановым и Е.А. Епифановой в 1962-63 гг. Водоносные горизонты и комплексы были сгруппированы в 12 гидрогеологических районов по литологическому признаку и водопроводимости пород. Общая сумма эксплуатационных ресурсов пресных вод на расчетной площади 138,0 тыс. км2 составила 9,65 млн. м3/сут при средних эксплуатационных модулях подземного стока от 0,12-0,25 л/с·км2 для зоны выветривания вулканогенных и метаморфических пород палеозоя и докембрия; до 1,5 л/с·км2 - карбонатных пород нижней перми; 1,7-1,9 л/с·км2 - аллювиальных четвертичных отложений. Средний модуль для территории Республики Башкортостан составляет 0,81 л/с·км2.

На основании материалов Государственного учета вод новые данные по эксплуатационным запасам определены как 18,9 млн. м3/сут (М.С. Верзаков, В.Ф. Ткачев, 1983 г.).

4.1 Геолого-структурные условия

Условия формирования подземных вод определяются геолого-тектоническими особенностями и историей развития геологических структур Урала и сопредельных регионов. В пределах рассматриваемой территории с запада на восток выделяются следующие структуры первого порядка: юго-восточный склон Восточно-Европейской (Русской) платформы, Предуральский прогиб, Западно-Уральская зона складчатости, Центрально-Уральское поднятие и Магнитогорский мегасинклинорий (рис.7).

Юго-восточный склон Русской платформы занимает юго-восточную часть Волго-Уральской антеклизы. Восточная граница его трассируется вдоль субмеридиональной полосы нижнепермских рифовых массивов, развитых по западному борту Предуральского прогиба.

Рис. 7 - Схема тектонического районирования республики Башкортостан (по А,П, Рождественскому, Абдрахманов и др., 2002): I-III - восточная окраина Русской платформы: I - крупные поднятия, своды (I1-ЮжноBТатарский, I2 - Башкирский); II - краевые зоны, склоны сводов (II1 - Южно-Татарского, II2 - Башкирского); III - погруженные зоны, впадины (III1 - Верхнекамская, III2 - Бирская, III3 - Благовещенская, III4 - Юго-восточный склон платформы). IV-Предуральский краевой прогиб (IV1 - внешняя зона, IV2 - внутренняя зона): ЮА - Юрюзано-Айская депрессия, Б - Бельская депрессия. V-X - складчатая область Южного Урала: V - Башкирское поднятие (V1 - внешняя зона складчатости, V2 - Алатауский антиклинорий, V3 - Инзерский синклинорий, V4 - Ямантауский антиклинорий

Предуральский прогиб состоит из двух впадин, разделенных Каратауским структурным комплексом, северной - Юрюзано-Сылвинской

и южной - Бельской. За восточную границу его обычно принимаются выходы на поверхность подошвы нижнепермских осадков. Геологический разрез позднего протерозоя и палеозоя (включая средний карбон) аналогичен платформенному. Более молодые верхнекаменно-угольные и нижнепермские отложения представлены депрессионной, молассовой, рифовой и лагунной фациями. Это карбонатные, терригенные породы и соли.

Восточным обрамлением Предуральского краевого прогиба служит Западно-Уральская зона складчатости, вытянутая в субмеридиональном направлении в виде неширокой (15-25 км) полосы.

Литологический состав отложений палеозоя западного склона Урала непостоянен в различных его частях. В пределах Уфимского амфитеатра, обрамляющего Юрюзано-Сылвинскую впадину с востока, широко развиты терригенные толщи среднего карбона. Южнее, в Лемезинско-Бельском междуречье, распространены преимущественно карбонатные породы каменноугольного и девонского возраста, а на крайнем юге региона, в бассейнах Ика и Сакмары - глинистые терригенные осадки.

Центрально-Уральское поднятие является наиболее крупной геологической структурой герцинского Южного Урала, сформировавшейся в условиях миогеосинклинали. В составе его обособляются структуры второго порядка: Башкирский антиклинорий, Зилаирский синклинорий и Уралтауский антиклинорий. В пределах их распространены не содержащие магматических пород сильно литифицированные, метаморфизованные толщи верхнего протерозоя и палеозоя.

Магнитогорский мегасинклинорий - восточный склон Южного Урала - является южной частью общеуральской отрицательной структуры - Тагило-Магнитогорского прогиба. Мегасинклинорий расположен к востоку от Центрально-Уральской миогеосинклинальной зоны и является главной составной частью его эвгеосинклинальной зоны. Выполнен вулканогенными, вулканогенно-осадочными и осадочными породами палеозоя (силура, девона и карбона).

Эвгеосинклинальный разрез палеозоя сложен разнообразными изверженными породами (граниты, андезиты, порфириты, базальты, перидотиты и др.), туфами, туфобрекчиями, туфопесчаниками, сланцами, известняками, терригенным флишем (аргиллиты, алевролиты, песчаники, конгломераты).

Горная территория Башкортостана - новейший Южно-Уральский ороген - по характеру рельефа и новейшей структуры разделяется на два крупных меридионально вытянутых района - северный и южный. Граница между ними проходит примерно по широтному течению р. Белой.

Больший по площади северный район имеет низко- и среднегорный рельеф, представленный меридиональными и субмеридиональными хребтами и разделяющими их межгорными понижениями. К этому району приурочены участки рельефа с высотами, превышающими 1100-1200 м и достигающими 1500-1600 м (максимальные на горных массивах Ямантау - 1640 м, и Иремель - 1554 м) в районе Башкирского поднятия на западном склоне Южного Урала. Особенностью новейшей структуры северного района является ее сводовоблоковый характер. Он выявляется по закономерной связи изменений амплитуд новейших поднятий и абсолютных высот вершинной поверхности рельефа в широтном пересечении от периферии к центру горного сооружения, приходящегося на район Башкирского поднятия. Из этого же района происходит общее снижение вершинной поверхности в северном и южном направлениях, более постепенное, чем в широтном. Амплитуды новейших поднятий в северном районе достигают 900-1000 м.

Южный район представляет собой крупное блоковое поднятие, монолитность которого подчеркивается выдержанным плоскогорным характером его современного рельефа. Это - Южно-Уральское плоскогорье (рис. 7). Максимальные высоты местности редко достигают 650-700 м в северо-восточной части плоскогорья, отсюда они снижаются в южном и юго-западном направлениях. Амплитуда новейших поднятий плоскогорья не превышает 500 м.

4.2 Основные водоносные комплексы

В соответствии с принципами структурно-гидрогеологического районирования на территории Башкортостана выделяются (Попов, 1985) Волго-Уральский сложный артезианский бассейн (АБ), относящийся к системе бассейнов Восточно-Европейской артезианской области (АО), и Уральская гидрогеологическая складчатая область (ГСО).

Волго-Уральский артезианский бассейн геотектонически отвечает одноименной антеклизе, Предуральскому прогибу и западному склону Урала. Гидрогеологические условия Уральской гидрогеологической складчатой области определяются условиями формирования подземной гидросферы в бассейне трещинно-жильных вод (Буданов, 1964; Гидрогеология …, 1972). Бассейн трещинно-жильных вод складчатого Урала в геоструктурном отношении охватывает Центрально-Уральское поднятие и Магнитогорский прогиб ( рис. 8).

Водоносность сильно дислоцированных метаморфических и осадочно-вулканогенных пород протерозоя и палеозоя с жесткими связями обусловлена их трещиноватостью, которая обычно не подчиняется возрастным границам, часто их пересекает. По отношению к названным коллекторам трещинного типа используется термин водоносная (обводненная) зона, и в зависимости от генезиса трещин выделяют регионально-трещинные воды зоны выветривания и локально-трещинные воды зон тектонических нарушений (разломов).

Рис. 8 - Схема гидрогеологического районирования Республики Башкортостан (по В.Г. Попову (Абдрахманов и др., 2002): 1 - граница между Волго-Уральским артезианским бассейном и Уральской гидрогеоло-гической складчатой областью; 2 - границы между гидрогеологическими структурами второго и третьего порядка: I - Волго-Камский АБ, II - Предуральский АБ: II1 - Юрюзано-Сылвинский АБ, II2 - Бельский АБ, III - Западно-Уральский ААБ, IV - Уральская гидрогеологическая складчатая область: IV1 - бассейн трещинно-жильных вод Центрально-Уральского поднятия, IV2 - то же, Магнитогорского мегасинклинория; 3- границы между тектоническими структурами Волго-Камского АБ: I1-Пермско-Башкирский свод, I2 -Татарский свод, I3 - юго-восточный склон Русской плиты, I4 - Бирская и Верхне-Камская впадины; 4 - линия гидрогеохимического разреза

Обводненность карбонатных пород, кроме трещиноватости, связана и с их закарстованностью. Динамика вод определяется рельефом местности, а также сложной гидравлически связанной между собой системой трещин. Разгрузка подземных вод происходит в речную сеть. Мощность зоны региональной трещиноватости колеблется от 100 до 250 м, иногда до 500 м. Подземные воды региональной трещиноватости безнапорные, а локальной трещиноватости - слабонапорные.

Сложные гидрогеологические условия региона обусловлены разнообразием вещественного состава магматических, метаморфических и осадочных пород, различной степенью их тектонической дислоцированности и трещиноватости, своеобразием условий питания, движения и разгрузки подземных вод.

Концентрация подземного стока происходит в межхребтовых понижениях, зонах тектонических нарушений, контактов, жил и даек, обладающих повышенной трещиноватостью и водообильностью. Дебиты естественных источников здесь достигают 3-5 л/с и более, а удельные дебиты неглубоких скважин (до 50-80 м) - 1-2 л/с. С глубиной удельные дебиты скважин уменьшаются. Ниже зоны региональной трещиноватости локально-трещинные воды могут быть вскрыты только в зонах тектонического дробления и рассланцевания пород.

4.3 Распространение пресных подземных вод

Территория орографически охватывает всю область горного Урала и Зауралья. Разнообразие литологического состава и геоморфологической ситуации определяют различную глубину залегания и распространения подземных вод, широкий диапазон водопроводимости и степени водообильности отложений. Мощность зоны активной трещиноватости терригенных, карбонатных, метаморфических, вулканогенноBосадочных, интрузивных пород обычно составляет 40-60 м; в крепких разностях пород (кремнистые сланцы, яшмы, кварцевые песчаники) может достигать 100-150 м; в карстующихся породах и зонах региональной трещиноватости - до 200 м и более. Глубина залегания подземных вод на высоких водоразделах, вдоль

крутых склонов 40-50 м, на выположенных водоразделах и пологих склонах от 10 до 30 м. В днищах долин, в межхребтовых и межгорных понижениях при отсутствии делювиальных суглинистых отложений и коры выветривания уровни подземных вод встречаются на глубинах от 1 до 10 м. Воды безнапорные, в случае наличия перекрывающего слоя-уровни на глубине до 20-30 м и воды приобретают напор.

Аллювиальный четвертичный водоносный горизонт (aQ) развит в долинах рек Белой, Урала, Сакмары и их притоков (Бол. и Мал. Кизила, Таналыка и др.). Мощность гравийно-песчаной фракции от единиц до 5-8 м (в карстовых углублениях до 20-30 м). Дебиты скважин (разведочных и эксплуатационных) обычно от 0,2 до 2-3 л/с, но могут достигать 7-12,5 л/с (р. Белая, Урал). Водопроводимость отложений по разведочным участкам и водозаборам от 18 до 360 м2/сут, средние значения 100-150 м2/сут. Воды аллювия для централизованного водоснабжения используются мало (водозаборы в г. Белорецке и с. Акъяр, производительностью до 5,0 и 1,4 тыс. м3/сут соответственно).

Нижне-среднекаменноугольный водоносный терригенно-карбонатный комплекс (уртазымская-кизильская свиты) занимает узкие полосы в основном вдоль хребтовых и межгрядовых понижений или вдоль долин рек, выходя на выположенные водораздельные пространства Кизило-Уртазымской равнины. В долинах рек при благоприятных условиях перехвата речного стока водопроводимость трещинно-карстовых пород от 90 до 4200 м2/сут, средние расчетные величины водопроводимости на Учалинском и Миндякском месторождениях составляют от 360 м2/сут (Уразовский участок) до 1880 м2/сут (участок «Шагарка»), а в долине р. Бол. Кизил на Абдряшевском участке - 4000 м2/сут, на Уральском МПВ - 1750 м2/сут. Дебиты скважин от 1 до 25 л/с, на Кургашском водозаборе до 67 л/с, на Абдряшевском участке до 60 л/с. На выположенных склонах и в терригенной пачке водопроводимость от 13 до 130 м2/сут при дебитах скважин 0,4 до 4,2 л/с. При небольшой площади распространения (около 1320 км2) комплекс имеет важное значение для водоснабжения0количество утвержденных запасов по нему 97,0 тыс. м3/сут для водоснабжения городов Учалы и Магнитогорска. Используется для водоснабжения сельских пунктов: Янгельский, Красная Башкирия, Комсомольское и другие с водоотбором до 420-480 м3/сут.

Среднедевонско-нижнекаменноугольная (D2+C1) и среднедевонско-силурийская (S+D2) водоносные зоны занимают основную часть Ирен-дыкской группы бассейнов (ранее Восточно-Уральской) и простираются

полосой шириной 15-45 км с севера на юг. При всем разнообразии литологического состава вулканогенно-осадочных пород и степени трещиноватости усредненные гидрогеологические параметры, дебиты скважин, производительность сельских водозаборов идентичны. Зоны экзогенной (выветривания) трещиноватости достаточно изучены при обследовании водозаборов (Чалов, Верзаков, 2003 г). Дебиты достаточно многочисленных родников преимущественно от 0,01 до 2,5 л/с, при рассредоточенных выходах из трещиноватых пород - от 3-7 до 12-20 л/с. Удельные дебиты скважин варьируют от сотых долей до 0,5 л/с, иногда до 2-5 л/с. Дебиты скважин от 0,1-0,2 до 2-3,5, реже до 7-19 л/с (Учалинское, Баймакское МПВ). Средние значения водопроводимости, принятые к оценке ресурсов и запасов на основании анализа материалов, составляли от 16 до 30 м2/сут, на участках разведки - от 50-70 до 130-140 м2/сут (Шартымское, Учалинское, Баймакское МПВ). Подземные воды широко используются для водоснабжения с водоотбором от 50 до 3000 м3/сут.

Средне-нижнепалеозойская водоносная зона (PZ1+2) имеет распространение на площади Зилаирского плато и к северу от него. Выходы родников многочисленны, но малодебитны - преобладают до 0,3 л/с, редко до 1,0 л/с. Удельные дебиты скважин варьируют от тысячных до 0,7 л/с, среднее значение 0,105 л/с. Водопроводимость пород (трещиноватых сланцев, песчаников, аргиллитов) составляет 3-20 м2/сут, среднее значение около 10 м2/сут, воды используются для децентрализованного водоснабжения. Дебиты скважин от 0,1 до 4,0 л/с, оптимальные дебиты 0,5-1,0 л/с, водоотбор по сельским населенным пунктам 20-200 м3/сут.

Нижнепалеозойско-верхнепротерозойская водоносная зона (PR3+PZ1) развита в центральной части Южного Урала-зона хребта Урал-Тау (сланцы, кварциты). Родники имеют дебиты от 0,01 до 12 л/с; дебиты скважин от долей до 2-3,3 л/с; в долинах удельные дебиты выше (около 0,13 л/с), чем на склонах (0,06 л/с). Водопроводимость пород в пределах 5-40 м2/сут, среднее значение - от 6 м2/сут в Баймакском до 17 м2/сут в Хайбуллинском районе. Производительность водозаборов и групп скважин (от 2 до 4 скважин) в Хайбуллинском и Зилаирском районах от 40-50 до 160-380 м3/сут.

Слабоводоносная зона интрузий среднего и нижнего палеозоя (PZ1+2(гд+У). Эффузии кислого и среднего состава (гд) выделяются в восточной части Учалинского района - Ахуновский гранитный массив. Водообильность пород невысокая: удельные дебиты скважин 0,003-0,83 л/с, дебиты водозаборных скважин до 1-2 л/с, водопроводимость 10 м2/сут. Качество воды: сухой остаток 0,2-0,6 г/дм3 при жесткости 2,4-7,4 мг-экв/л. Воды используются для водоснабжения деревень Ахуново и Кидаш с суммарным водоотбором 380 и 20 м3/сут соответственно.

Эффузии основного состава (S) развиты в пределах горных массивов Крака, частично на юге Зилаирского плато, и протягиваются цепью вдоль западной границы Магнитогорского мегасинклинория. Подземные воды проявляются в виде родников с дебитами от 0,1-0,5 л/с до 1,0 л/с, в днищах долин до 3 л/с. Удельные дебиты скважин от тысячных долей до 0,17 л/с, в долинах до 2 л/с при среднем 0,23 л/с. Водопроводимость пород от 4 до 24 м2/сут. Подземные воды с сухим остатком 0,2-0,7 г/дм3 при жесткости 5-13 мг-экв/дм3 используются для водоснабжения. Водоотбор из одиночных скважин составляет от 30 до 100 м3/сут.

Защищенность подземных вод от загрязнения.

Геофильтрационные свойства глинистых пород являются одним из главных факторов, определяющих степень защищенности подземных вод от техногенного влияния. В результате изучения водопроницаемости этих пород, с учетом их литологического состава, мощности, условий залегания, а также гидрогеодинамических особенностей региона произведена оценка (районирование) защищенности подземных вод от проникновения загрязняющих веществ с поверхности. По условиям защищенности пресных подземных вод выделяются две категории районов: условно защищенных и незащищенных (Абдрахманов, 1993, 2005).

К первой категории (условно защищенных) относятся обширная территория Камско-Бельской низменности, северо-восточная часть Бугульминско-Белебеевской возвышенности и отдельные участки Юрюзано-Айской и Бельской впадин Предуральского прогиба, вулканогенно-осадочных и терригенных пород Магнитогорского мегасинклинория. По степени защищенности выделяется три района, последний из которых охватывает область развития осадочно-вулканогенных терригенных пород Магнитогорского мегасинклинория. Мощность зоны пресных вод достигает 60-100 м, иногда до 200 м.

Вторая категория районов (не защищенных от поверхностных загрязнений) включает долины рек, а также Уфимское плато, западный склон Урала, западную часть Юрюзано-Сылвинского понижения, некоторые участки Камско-Бельской низменности, Бельской впадины, Бугульминско-Белебеевской возвышенности, Центрально-Уральского поднятия, а также область развития карбонатных пород Магнитогорского мегасинклинория. Для них характерны следующие признаки: 1) широкое развитие карстовых процессов, отсутствие или малая мощность глинистых покровных отложений; 2) быстрое проникновение загрязнителей в горизонты трещинно-карстовых вод (10n сутки) и высокие скорости их миграции (10n-100n м/сутки); 3) в долинах рек: а) наличие глинистых пород в зоне аэрации, б) короткое время проникновения загрязняющих веществ в водоносный горизонт (10n - 100n сутки).

В химическом составе бассейна трещинно-жильных и трещинно-карстовых вод обнаружены воды «простого» чистого химического состава, такие как гидрокарбонатные натриевые, сульфатные натриевые, сульфатные кальциевые, широко развитые в Башкирском Предуралье. В 70% случаев воды осадочных, вулканогенно-осадочных пород пяти-, шестикомпонентные. Обычно это гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридные кальциево-магниево-натриевые, хлоридно-гидро-карбонатно-сульфатные натриево-магниево-кальциевые, сульфатно-хлоридные магниево-кальциево-натриевые природные водные растворы с минерализацией до 1,4-1,8 г/дм3. 25% проб представлены четырехкомпонентными водами: гидрокарбонатно-сульфатными магниево-натриевыми и магниево-кальциевыми, сульфатно-хлоридными кальциево-магниевыми и кальциево-натриевыми. Минерализация их до 1,9 г/дм3.

Газовый состав - кислородно-азотный, атмосферного происхождения; величина рН колеблется от 7,2 до 8,8, т. е. воды слабощелочные и щелочные.

4.4 Разведка месторождения трещинно-карстовых вод

Разведка месторождения трещинно-карстовых вод планируется на нижнекаменноугольный водоносный терригенно-карбонатный комплекс (кизильскую свиту), слагающий относительно замкнутую структуру. Площадь разведки приурочена к полосе развития палеозойских известняков в пределах восточного крыла синклинали (рис. 9).

Известняки характеризуются высокой степенью трещиноватости и закарстованности. На востоке и западе известняки контактируют с эффузивными породами палеозойского возраста. В южном направлении от площади разведки толща известняков распространяется в виде узкой полосы далеко за пределы района исследований. Толщу известняков почти вкрест их меридионального простирания прорезает небольшая река, истоки которой расположены на западе в области развития эффузивных пород.

Рис. 9 - Схематическая карта района месторождения: 1-плитчатые мергелистые известняки нижнего карбона, 2 - известняки, в основании брекчеевидвые обломки диабаза и порфиров, 3 - известковые конгломераты нижнего карбона, 4 - интрузии, 5 - порфиры верхнего девона, 6 - гидрометрический створ и расход, 7 - тектонические нарушения

Подземные воды района месторождения распространены в эффузивах, известняках и в аллювиальных образованиях реки. Наибольшей водообильнбстью обладают закарстованные известняки, к которым приурочен бассейн трещинно-карстовых вод. Основным объектом разведки являлись воды карбонатных пород.

За пределами долины реки трещинно-карстовые воды залегают на глубинах 10-18 м, В наиболее суженной части долины, вблизи восточного контакта известняков с эффузивными породами, наблюдается естественная разгрузка трещинно-карстовых вод в виде группы родников со среднегодовым расходом около 100 л/с. Разведочные работы на данном месторождении проводились в два этапа.

Виды и объемы разведочных работ.

На стадии предварительной разведки были выполнены следующие основные виды работ: специальная гидрогеологическая съемка в масштабе 1:50000 применительно к требованиям разведки месторождения; поисковые геофизические исследования на возможное обнаружение зон повышенной за-карстованиости и трещиноватости известняков; бурение гидрогеологических скважин; опытные откачки из поисково-разведочных скважин; режимные наблюдения за поверхностными и подземными водами.

Поисково-разведочные работы тяготели к долине реки и се притоков. На площади съемки было пройдено 12 геофизических профилей вкрест основной синклинальной структуры (методом элсктропрофилирования и ВЭЗ).

Размещение поисковых гидрогеологических скважин на площади съемки производилось по данным геофизических исследований. Глубина скважин определялась мощностью верхней наиболее трещиноватой зоны и колебалась в основном в пределах от 60 до 100 м. В первую стадию разведки всего пробурено 44 поисково-разведочных скважины общим объемом 3113 пог. м, в том числе был разбурен один опытный куст, состоящий из 4 наблюдательных и одной опытной скважин.

С целью изучения условий инфильтрации атмосферных осадков на площади известняков была организована опытная стоковая площадка. По данным буровой разведки и опытных откачек была выполнена в предварительном виде оценка эксплуатационных запасов трещинно-карстовых вод. Предел эксплуатационной возможности месторождения был оценен по величине динамических запасов трещинно-карстовых вод в количестве 400 л/с или 34,6 тыс. м3/сут.

Эти данные и послужили обоснованием для постановки детальной разведки в долине реки, где имеются наиболее благоприятные условия для размещения будущего водозаборного сооружения.

С целью выявления эксплуатационных запасов трещинно-карстовых вод по высоким промышленным категориям в процессе детальной разведки был выполнен дополнительный объем бурения - 3306 пог. м, а также проведен большой комплекс опытных откачек, в том числе длительная опытно-эксплуатационная откачка из группы скважин.Весь комплекс детальных исследований был сосредоточен на площади около 30 км2. Дополнительно к имевшимся на участке 44 поисково-разведочным скважинам были пробурены 10 картировочных, 14 наблюдательных и 8 разведочно-эксплуатационных скважин (рис. 10). Картировочиые скважины размешены относительно равномерно по площади участка. Средняя глубина поисково-разведочных, наблюдательных и картировочных скважин составила 64 м.

Рис. 10 - Схематический план опытных узлов: 1-скважина и ее номер, дробь -в числителе глубина залегания уровня во время откачки, в знаменателе тоже в абсолютных отметках, 2- гидроизогипсы, показывающие глубину залегания уровня во время откачки комплекс опытных откачек, в том числе длительная опытно-эксплуатационная откачка из группы скважин

Разведочные эксплуатационные скважины (8 штук) были пробурены в зонах локализации подземных вод, в долине реки и в устьевых пастях впадающих в них логов, в виде двух опытных узлов, располагающихся на правом и левой берегах реки, в 900 м друг от друга. Расстояния между скважинами изменяются от 3 до 30-43 м. Одна разведочно-эксплуатационная скважина находится примерно посередине между узлами. Глубины скважин составляли 24-85 м.

Эксплуатационная откачка из группы скважин на двух гидрогеологических узлах № 1, 2 была наадта с водо-охбором 355 л/с и велась в течение 13 месяцев. Количество скважин, последовательно включенных в работу, изменялось от 2 до 7 (скв. № 8, 205, 233, 232, 234, 235, 237). Водоотбор постепенно возрастал и к концу опытных работ достиг 702,5 л/с.

В основу проведения опытно-эксплуатационной откачки был положен метод направленного режима с целью, выявления закономерности снижения динамических уровней во времени, а также определения опытным путем величины восполнения сработанных статических запасов трещинно-карстовых вод за счет усиления инфильтрации поверхностного стока

Изучение режима поверхностного стока реки и его влияния на формирование трещинно-карстовых вод проводилось с помощью балансово-гидрометрических исследований. Для этого в пределах участка было установлено 7 гидрометрических постов, по которым изучался режим взаимосвязи поверхностных и подземных вод.

Результаты балансово-гидрометрических работ, данные по стоковой площадке и многолетние данные, собранные по метеостанциям района, были положены в основу оценки естественных ресурсов трещинно-карстовых вод района.

Серьезное внимание в процессе детальной разведки уделялось проведению геофизических работ. По данным комплексных каротажных работ по каждой разведочно-эксплуатационной скважине были установлены наиболее водообильные зоны в водоносных известняках.

Для оценки естественных и эксплуатационных запасов трещинно-карстовых вод большое значение для условий месторождения имеет режим стока реки.

Режим поверхностных и подземных вод.

Для оценки естественных и эксплуатационных запасов трещинно-карстовых вод большое значение для условий месторождения имеет режим стока реки. Основные данные, характеризующие сток реки, приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Основные характеристики стока

Приведенные данные характеризуют довольно малый сток реки за исключением многоводного 1960 года (повторяемость такого года 2%, 1 раз в 50 лет).

Наблюдениями в период проведения пробно-эксплуатационной откачки была установлена количественная характеристика потерь речного стока в трещиноватые известняки. Эти потери имели следующую величину: по отношению к норме стока (1,62 м3/с) - 16%; к максимальному расходу (47,9 м3/с) -0,5%; к меженному расходу (0,30 м3/с) - 85%; к минимальному расходу (0,060 м3/с) - 100%.

В таблице 4 приведены данные непосредственных наблюдений за режимом инфильтрации поверхностных вод реки в период пробно-эксплуатационной откачки.

Из таблицы видно, что при расходе воды в реке меньше 0,2 м3/с сток ее при работе водозабора полностью перехватывается. В то же время транзитный сток при расходе реки более 0,2 м3/с имеет значительные размеры. Это указывает на значительное гидравлическое сопротивление ложа реки и необходимость применения искусственного воздействия на инфильтрацию, например, с помощью бурения поглощающих скважин.

Таблица 4 - Результаты замеров расходов воды в реке на участке разведки

По материалам наблюдений за естественным режимом уровней подземных вод выявилось влияние на них в первую очередь режима выпадающих атмосферных осадков и связанного с ним режима уровней воды в реке. Годовая амплитуда колебания уровня подземных вод в долине реки составляет 0,6-0,7 м.

Качество подземных вод изучено достаточно полно и характеризуется данными большого количества анализов проб воды, отобранных в.районе разведки.

Исследования показали, что трещинно-карстовые воды на месторождении являются пресными, по составу гидрокарбонатно-натриево-кальциевыми и имеют минерализацию 0,4-0,7 г/дм3 и общую жесткость 6,4-8,7 мг-экв/дм3.

Вредные примеси (медь, цинк, свинец, мышьяк, фтор, а также железо, фенол содержащие соединения и радиоактивные элементы) содержатся в водах в допустимых пределах. Изменения качества вод в процессе длительной откачки не наблюдалось.

Бактериологическое состояние вод удовлетворительное.

В процессе эксплуатации к водозабору будут привлекаться в значительном количестве поверхностные воды реки, поэтому потребуется предварительное обеззараживание отбираемых вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По геолого-гидрогеологическом условиям, определяющим методику проведения разведочных работ и подсчета эксплуатационных запасов, месторождения подземных вод горно-складчатых областей подразделяются на следующие типы:

месторождения межгорных артезианских бассейнов;

месторождения в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин;

месторождения в ограниченных по площади структурах или массивах трещинных и трешинно-карстовых пород и в зонах тектонических нарушений;

месторождения в надморенных и межморенных водно-ледниковых отложениях;

По степени неоднородности фильтрационных свойств водовмещающих пород водоносные горизонты и комплексы могут быть разделены на условно однородные, неоднородные и весьма неоднородные.

Месторождения пресных подземных вод горно - складчатых областей преимущественно относятся к группам со сложными и весьма сложными гидрогеологическими условиями.

Поиски и разведка охватывают два тесно связанных между собой понятия: а) методику поисков и разведки месторождений; б) методику проведения основных видов гидрогеологических работ.

Разведка подземных вод преследует главную цель - дать промышленную оценку месторождения (количественную и качественную оценку запасов) и получить все необходимые гидрогеологические данные для составления проектов и выбора режима эксплуатации.

Методика разведки месторождений подземных вод включает применение целого комплекса производственных и научно-технических средств, позволяющего прямо и непосредственно установить контуры месторождения (в плане и разрезе), количество и качество запасов и условия их эксплуатации.

Главная задача разведки подземных вод может быть решена следующими основными методами.

1. Метод размещения на площади месторождения системы гидрогеологических скважин, расположенных по линии разрезов (профилей).

2. Разведка месторождения с помощью бурения гидрогеологических скважин, размещенных на площади участка по сетке.

3. Разведка месторождений подземных вод комбинированной системой размещения буровых скважин - по гидрогеологическим разрезам (профилям) и по сетке между разрезами.

4. Метод проведения комплекса пробных и опытных откачек воды из гидрогеологических скважин с целью изучения количественной характеристики гидрогеологических параметров продуктивного горизонта, а также качества подземных вод.

5. Метод проведения длительных групповых опытно-эксплуатационных откачек воды из разведочных скважин, по данным которых обычно производится непосредственная количественная оценка эксплуатационных запасов подземных вод.

6. Метод изучения режима дебита родников или фонтанирующих скважин, позволяющий произвести непосредственно количественную и качественную оценку эксплуатационных запасов подземных вод.

Задачи определяют некоторые общие принципы разведки месторождений: последовательного приближения, полноты исследований, равномерности изучения максимальной гидрогеологической информации, экономической целесообразности и наименьшей затраты времени.

В разведке месторождений пресных подземных вод выделяют три стадии: а) предварительная, б) детальная, в) эксплуатационная разведка, - отличающиеся объемом, видами работ и категорией оценки запасов.

При схематизации водоносных пластов для расчетных целей необходимо учитывать расположение водозаборных сооружений относительно границ водоносных пластов, поскольку этим будет определяться степень влияния последних. Представляется возможным выделить следующие типовые расчетные схемы:

1. Пласт весьма больших размеров («неограниченный пласт»). На границах пласта в процессе эксплуатации водозаборного сооружения сохраняется постоянный напор или постоянный расход q= const или Н = const.

2. Пласт, ограниченный одним прямолинейным контуром («полуограниченный пласт») с заданным постоянным напором или расходом.

3. Пласт, ограниченный двумя прямолинейными контурами, пересекающимися под прямым углом («пласт-квадрант»), на которых задан либо постоянный расход, либо напор, либо постоянные напор и расход одновременно.

4. Пласт, ограниченный двумя прямолинейными параллельными контурами («пласт-полоса») с заданным постоянными расходом, напором и двумя условиями одновременно.

5. Пласт, ограниченный сложным по очертаниям контуром, который в схеме можно привести к круговому с постоянным расходом.

Водозаборные сооружения по конфигурации подразделяются на одиночные и групповые, последние, в свою очередь на линейные и площадные. При расчетах групповых водозаборов учитывается принцип их взаимодействия и сложения течений.

Горная территория Башкортостана - новейший Южно-Уральский ороген - по характеру рельефа и новейшей структуры разделяется на два крупных меридионально вытянутых района - северный и южный. Граница между ними проходит примерно по широтному течению р. Белой.

Сложные гидрогеологические условия региона обусловлены разнообразием вещественного состава магматических, метаморфических и осадочных пород, различной степенью их тектонической дислоцированности и трещиноватости, своеобразием условий питания, движения и разгрузки подземных вод.

Обводненность карбонатных пород, кроме трещиноватости, связана и с их закарстованностью. Динамика вод определяется рельефом местности, а также сложной гидравлически связанной между собой системой трещин. Разгрузка подземных вод происходит в речную сеть. Мощность зоны региональной трещиноватости колеблется от 100 до 250 м, иногда до 500 м. Подземные воды региональной трещиноватости безнапорные, а локальной трещиноватости - слабонапорные.

Площадь детальной разведки приурочена к полосе развития палеозойских известняков в пределах восточного крыла синклинали. Известняки характеризуются высокой степенью трещиноватости и закарстованности.

По данным предварительной разведки предел эксплуатационной возможности месторождения был оценен по величине динамических запасов трещинно-карстовых вод в количестве 400 л/с или 34,6 тыс. м3/сут.

В процессе детальной разведки был выполнен дополнительный объем бурения - 3306 пог. м, а также проведен большой комплекс опытных откачек, в том числе длительная опытно-эксплуатационная откачка из группы скважин. Весь комплекс детальных исследований был сосредоточен на площади около 30 км2. Разведочные эксплуатационные скважины (8 штук) были пробурены в долине реки и в устьевых пастях впадающих в них логов, в виде двух опытных узлов, располагающихся на правом и левой берегах реки, в 900 м друг от друга. Глубины скважин составляли 24-85 м.

Изучение режима поверхностного стока реки и его влияния на формирование трещинно-карстовых вод проводилось с помощью балансово-гидрометрических исследований. Для этого в пределах участка было установлено 7 гидрометрических постов, по которым изучался режим взаимосвязи поверхностных и подземных вод.

Серьезное внимание в процессе детальной разведки уделялось проведению геофизических работ. По данным комплексных каротажных работ по каждой разведочно-эксплуатационной скважине были установлены наиболее водообильные зоны в водоносных известняках.

Наблюдениями в период проведения пробно-эксплуатационной откачки была установлена количественная характеристика потерь речного стока в трещиноватые известняки. Эти потери имели следующую величину: по отношению к норме стока (1,62 м3/с) - 16%; к максимальному расходу (47,9 м3/с) -0,5%; к меженному расходу (0,30 м3/с) - 85%; к минимальному расходу (0,060 м3/с) - 100%.

По данным натурных наблюдений за режимом инфильтрации поверхностных вод реки в период пробно-эксплуатационной откачки следует, что при расходе воды в реке меньше 0,2 м3/с сток ее полностью перехватывается работающим водозабором.

По гидрогеохимической характеристике трещинно-карстовые воды на месторождении являются пресными, по составу гидрокарбонатно-натриево-кальциевыми, имеют минерализацию 0,4-0,7 г/дм3 и общую жесткость 6,4-8,7 мг-экв/дм3.

Вредные примеси (медь, цинк, свинец, мышьяк, фтор, а также железо, фенол содержащие соединения и радиоактивные элементы) содержатся в водах в допустимых пределах. Изменения качества вод в процессе длительной откачки не наблюдалось. Бактериологическое состояние вод удовлетворительное.

В процессе эксплуатации к водозабору будут привлекаться в значительном количестве поверхностные воды реки, поэтому потребуется предварительное обеззараживание отбираемых вод.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Абдрахманов Р.Ф. Техногенез в подземной гидросфере Предуралья / УНЦ РАН. Уфа, 1993. - 208 с.

2. АбдрахмановР.Ф. Гидрогеоэкология Башкортостана.Уфа: Информреклама, 2005. - 344 с.

3. Абдрахманов Р.Ф., Попов В.Г. Гидрогеология Южного Предуралья /

4. БФАН СССР. Уфа, 1985. - 124 с.

5. Аполлов Б.А. Учение о реках, М., 1963. - 423 с.

6. Атлас Республики Башкортостан. Уфа: Китап, 2005. - 420 с.

7. Боревский Б.В., Хордикайнен М.А., Язвин Л.С. Разведка и оценка эксплуатационных запасов месторождений пресных подземных вод в трещинно-карстовых пластах.- М.: Недра, 1976. - 247 с.

8. Биндеман Н.Н. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. Госгеолтехиздат, 1963. - 204 с.

9. Буданов Н.Д. Гидрогеология Урала. - М.: Наука, 1964. - 304 с.

10. Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии: Учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2007. - 448 с.

11. Вернадский В.И. Очерки геохимии. - М., 1934.- 624 с.

12. Гаев А.Я. Гидрогеохимия Урала и вопросы охраны подземных вод.

13. Свердловск: Изд-во Урал. Ун-та, 1989. - 368 с.

14. Гольдберг В.М. Взаимосвязь загрязнения подземных вод и природной

15. среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 248 с.

16. Зайцев И.К. Гидрогеохимия СССР. - Л.: Недра, 1986. - 239 с.

17. Коллектив авторов. ВСЕГИНГЕО. Поиск и разведка подземных вод для крупного водоснабжения. - М.: Недра, 1969. - 328 с.

18. Куренной В.В. Оценка условий локализации ресурсного потенциала бассейнов питьевых подземных вод. // Разведка и охрана недр, 2008.

19. Куренной В.В. К методике оценки эксплуатационных ресурсов питьевых подземных вод. // Разведка и охрана недр,2009.

20. Методические рекомендации «Оценка обеспеченности населения Российской Федерации ресурсами подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения». - М., 1995. - 72 с.

21. Основы гидрогеологии. Общая гидрогеология. - Н., 1980. - 383 с.

22. Пиннекер Е.В. Охрана подземной гидросферы. - М., 1979.

23. Плотников Н.И. Поиски и разведка пресных подземных вод : Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1995. - 370с.

24. Плотников Н.И. Поиск и разведка пресных подземных вод для целей крупного водоснабжения, часть 1 и 2. Изд-во МГУ, 1965, 1968.

25. Попов В.Г. Формирование подземных вод Северо-Западной Башкирии.- М.: Наука, 1976. - 160 с.

26. Попов В.Г. Гидрогеохимия и гидрогеодинамика Предуралья. - М.: Наука, 1985. - 278 с.

27. Попов В.Г., Абдрахманов Р.Ф. Закономерности распределения и накопления фтора в природных водах Башкирского Предуралья (в связи с проблемой водоснабжения) / БФАН СССР. Уфа, 1979. - 48 с.

28. Соколовский Л.Г., Седлецкий Б.И. Геохимические особенности происхождения высокоминеральных рассолов юга Средней Азии //Сов. Геол., 1970.

29. Шварцев С.Л., Куренной В.В. Питьевые подземные воды: основные положения и методика оценки качества. // Разведка и охрана недр, 2010.

30. Шестаков В.М., Поздняков С.П. Геогидрология. М.: Академкнига, 2003.