Оцінка природних ресурсів

Р.С. Штенгелов

Згадати: це - сумарна величина харчування горизонту в непорушених (точніше - що склалися до початку експлуатації) умовах, що визначає витрата потоку по пласту і витрати розвантаження через всі дренірующіе кордону. Розмірність - витрата, куб.м/добу.

• Природні форми (механізми) живлення підземних вод: інфільтрація (природна і техногенна), перетікання, фільтрація з річок ...

• Форми дренування водоносних горизонтів: джерела, розосереджених руслових розвантаження у річки (озера, болота, моря ...), випаровування з поверхні грунтових вод, транспірація рослинами, перетікання.

Природничі ресурси завжди оцінюються стосовно до певної розрахункової площі, є балансовий-замкнутим елементом підземного стоку, тобто включає області харчування, стоку і розвантаження (водозбірний басейн або система басейнів).

Методи оцінки: а) по витраті ХАРЧУВАННЯ, б) по витраті ПОТОКУ, в) по витраті розвантаження.

a) Оцінка ЕР за видатками харчування

Оцінюється інтенсивність (модуль) харчування . Це витрата живлення на одиницю площі в плані, тобто швидкість або шар за розрахунковий проміжок часу. Розмірність: для гідрогеодінаміческіх розрахунків - м/добу; в балансових розрахунках звичайно - мм/рік (для зручності зіставлення з іншими елементами водного балансу - наприклад, з інтенсивністю атмосферних опадів); в ряді випадків зручною є специфічна розмірність л/с на кв.км.

При середньому модулі харчування природні ресурси, що формуються на розрахункової площі живлення , складають .

Далі будемо говорити про інфільтрації - основному процесі живлення для першого від поверхні водоносних горизонтів.

Методи оцінки інтенсивності інфільтрації

1. Експериментальні: за допомогою спеціальних польових приладів - лізіметров (ідея і техніка вимірювань коротко розглядалася в курсі "Гідрогеологія"). Для нас важливо, що при розвідці родовищ вони практично не застосовуються і використовуються звичайно тільки на науково-дослідних балансових стаціонарних майданчиках. Чому?

-- непредставітельние результати - практично вони характеризують точку, в той час як площі родовищ складають десятки і сотні кв.км;

-- складно технічно в обслуговуванні і спостереженні; потрібно практично безперервне присутність обслуговуючого персоналу, що нереально в експедиційних умовах розвідки родовищ;

-- ненадійно при великих глибинах залягання рівня підземних вод;

-- не застосовується в умовах, коли зона аерації складена скельними породами (не така вже рідкість).        

            

Рис. 1. До обгрунтування методики оцінки інтенсивності інфільтрації по   даними режимних спостережень на створі свердловин в лінійному потоці     

2. За даними дослідно-фільтраційних спостережень. Існує кілька істотно різних способів використання рівної режимних спостережень для оцінки живлення грунтових вод.

Використовується та ж методика Г. Н. Каменського (як для оцінки Водовіддача - рис. 1), але для ПЕРІОДУ ХАРЧУВАННЯ, тобто на висхідній фазі режиму.

БАЛАНС БЛОКУ 2 (рис. 2)

(накопичення в ємності)

Очевидно, що при підйомі рівнів в іншому випадку (спад рівнів на тлі харчування) ( "залежний спад ").

Визначення можливо, якщо відома Водовіддача:

Застосування цієї методики містить ті ж потенційні похибки, що і для оцінки Водовіддача; додаткова похибка утворюється за рахунок параметра Водовіддача.

Нерідко після підйому фіксується період стаціонарного режиму рівнів, хоча харчування триває; це свідчить про наступив рівновазі витрати припливу до блоку і відтоку до дрен:

Така ситуація вигідна, тому що оцінка інфільтрації може бути виконана без параметра Водовіддача.

• Інший варіант використання даних режимних спостережень для оцінки інфільтрації - З однієї свердловини, що розташовується в вододільній області харчування.

- фактичний підйом рівня в свердловині за період харчування (мал. 3 ).

Якщо в вишерассмотренном кінцево-різницевих рівнянь для лінійного потоку представити (чисто теоретично), що (т.е . все харчування накопичується в розрахунковому блоці, а не йде частково до дрен), то підйом рівня склав би деяку величину , а графік підйому рівня представляв би собою пряму лінію. Оцінка величини у цій гіпотетичній ситуації не склала б праці:

Однак, фактично відбувається відтік частини надходить живлення до дрен (), тому реально менше, ніж :

,

тобто для визначення потрібно якимось чином оцінити "невидиму" величину .

Тоді        

            

Рис. 3. Теоретичний та фактичний підйом рівня за період харчування     

Є різні пропозиції з оцінки величини .

1-й СПОСІБ. Передбачається, що:

перед підйомом рівня існував квазілінійних незалежний спад рівня, що відповідає деякій інтенсивності відтоку до дрен;

темп цього спаду (тобто інтенсивність відтоку) зберігається і в період підйому рівнів за рахунок харчування.

При таких припущеннях величина може бути обчислена за лінійної екстраполяції темпу спаду на період харчування (рис. 4).

Явна гідність: простота виконання.

Явний недолік: фактично інтенсивність відтоку при підйомі рівня зростає, так як збільшується різниця рівнів між ділянкою розташування свердловини і дрен. Недооблік цієї обставини призводить до заниження поправки і, отже, величини .        

            

Рис. 4. Розрахунок поправки на відтік лінійної екстраполяцією темпу спаду,   передував періоду харчування     

2-й СПОСІБ. Облік зростання інтенсивності відтоку до дрен може бути виконаний на основі вишерассмотренной моделі Майї-Буссінеска.

-- Найпростіший (в розрахунковому сенсі) прийом полягає в наступному: для розрахункового періоду обчислюється середнє значення напору , після чого поправка розраховується як величина виснаження за час при даному значенні початкового натиску (рис. 2.8):

Значення коефіцієнта виснаження визначається як кутовий коефіцієнт графіка для ділянки незалежного спаду, найближчого до розрахункового періоду харчування.

-- Для деталізації цього прийому (з відповідним уточненням результату оцінки) проміжок часу розбивається на кілька кроків . Для кожного з них визначається своє значення і, як у попередньому випадку , обчислюються приватні величини , після чого вони підсумовуються:        

            

Рис. 5. Розрахунок поправки на відтік по кривій істощеніяпрі середньому   значенні напору в період харчування     

З досвіду застосування, розходження в оцінці інфільтрації по екстраполяції темпу меженний спаду і по кривій виснаження можуть бути цілком значущими (25-50% і більше).

Цей метод оцінки інфільтрації (з різними способами розрахунку ) широко використовується в практиці розвідувальних робіт, так як простий в організації та виконанні:

один свердловина з довільним розташуванням (але все-таки в вододільній області харчування),

НЕ потрібно нівелювання свердловини,

НЕ потрібна оцінка фільтраційних властивостей; з параметрів бере участь тільки Водовіддача (але з усіма проблемами достовірності її оцінки).

В відомому студентам-гідрогеолога МДУ і МГРУ програмному пакеті VBRegim існують модулі оцінки інфільтрації за даними режимних спостережень всіма розглянутими методами.

Ще один можливий варіант оцінки витрат харчування горизонту: якщо воно відбувається за рахунок перетікання з суміжного в розрізі горизонту (з натиском ) на певній площі з модулем перетікання . Загальна витрата харчування в цьому випадку . При цьому, швидше за все, доведеться розділити область перетікання на приватні зони з осредненнимі показниками і потім підсумувати приватні витрати перетікання.

б) Оцінка ЕР по витраті потоку

Сенс такої оцінки: аналітичний розрахунок витрати потоку через поперечний переріз горизонту. Важливо розуміти, що:

такий розрахунок характеризує лише область, що лежить вище розрахункового перетину;

при це в величину оцінюваних природних ресурсів не увійде витрата розвантаження вище по потоку.

Розрахунок проводиться по карті гідроізогіпс, побудованої за даними вимірювання рівнів у свердловинах, у місцях виходу джерел, за відмітками урізу води в дренуючих горизонт видатках і водоймах (рис. 6). Ці виміри повинні бути по можливості одноразовими.        

            

Рис. 6. Аналітичний розрахунок витрати потоку     

Якщо для виділеної розрахункової стрічки струму можна допустити відносна сталість значень коефіцієнта фільтрації K і глибин потоку h, то витрата через перетин У дорівнює:

.

Однак, звичайно розрахункове перетин досить велика (км, десятки км) і цілком імовірна "поперечна" неоднорідність розрахункових величин; тоді повну стрічку струму розбивають на n стрічок шириною , для яких розрахункові показники можна вважати відносно постійними. Розраховуються приватні витрати , які потім сумуються.

Зрозуміло, що точність таких розрахунків дуже залежить від якості і кількості фактичного матеріалу, в першу чергу - за фільтраційним властивостям оцінюваного водоносного горизонту.

в) Оцінка ЕР по витраті розвантаження

Ця група методів застосовується зазвичай для районів з джерельною і руслових типами дренування потоку, тобто коли можна інструментально виміряти витрати розвантаження. Чи не піддаються цьому методу випадки, коли розвантаження відбувається шляхом випаровування (як фізичного, так і рослинністю); коли розвантаження здійснюється в безстічні (або з прихованим стоком) водойми - озера, болота, моря.

1. Вимірювання Сумарна Дебіт Родник - ідея очевидна; однак результат характеризує тільки джерельну складову розвантаження і може бути сильно занижений - всього 10-30% (решта йде на стік у річки, евапотранспірацію і інші форми розвантаження).

Для застосування цього методу джерела повинні бути каптіровани і обладнані водозливним рамками, тимчасовими лотками (земляні, дерев'яні, металеві) для надійного виміру дебіту в різні сезони року.

2. Оцінка за Меженний Стік рік - цей метод ефективний для умов, коли переважає руслове дренування підземних вод і річковий стік у періоди межені (особливо глибокою, основний) формується виключно за рахунок підземного харчування.

2а. З використанням останнього у створу річкового басейну площею F (мал. 7). Природні ресурси для цієї площі рівні обмірюваної меженний витраті річки Р, а середній модуль підземного стоку з цієї площі (з певним наближенням його можна розглядати як модуль живлення): .

2б. З використанням приватних водозборів (рис. 8). Природні ресурси для площ приватних водозборів рівні різниці меженний витрат річки, а приватні модулі підземного стоку:

       

            

Рис. 7. Метод останнього у створу         

Рис. 8. Метод приватних водозборів     

При використанні цих методів є свої проблеми:

-- звичайно ж, не враховується розвантаження через випарні механізми,

-- якщо річка дренує декілька горизонтів, то як виділити частку кожного? (вважають, що це можна зробити пропорційно провідності дреніруемих горизонтів),

-- нерідко великою проблемою є точність гідрометричних оцінок витрат водотоків - особливо при використанні методу приватних водозборів, коли зміна витрати водотоку між сусідніми створами повинно свідомо і значно перевищувати можливу похибку гігрометр,

-- нарешті, апріорно приймається, що площі поверхневих і підземних водозборів співпадають, що не факт, особливо в сферах розвитку тріщини-карстових вод.

3. Оцінка за допомогою розчленовування Гідрографія річкового стоку (ідея досить докладно розглядалася в курсі "Геогідрологія").

Гідрографія (гідрограмма) - хронологічний графік витрати річки в конкретному створі. Виділяючи на ньому (тим чи іншим способом) підземну складову в загальної величини річкового стоку, можна для кожного спостереженого року оцінити середньорічний витрата підземного стоку з вищерозміщених водозбірній площі і відповідно розрахувати ОСРедненний по часу і площі модуль підземного стоку за принципом останнього у створу: .

Таким чином, існує ряд методично різноманітних прийомів оцінки природних ресурсів. Однак, при розвідці родовищ підземних вод неминуче виникають питання: для якої водозбірній площі оцінювати величину ЕР і яка їх частина може бути включена до балансової структуру майбутнього водозабору?

Самий складне питання - як оцінити область потенційної інверсії природної розвантаження при роботі водозабору? Адже тільки цю частину ЕР від їх загальної величини можна приймати як майбутню складову ЕЗ! Якщо потік в області від депресії водозабору є транзитним, тобто НЕ розвантажується в зоні родовища, то в балансовому рівнянні не буде члена - отже, воронка буде безперервно поглиблюватися і розширюватися, спрацьовує запаси пласта і не звертаючи уваги на те, що ця вода кудись рухається. Так буде до тих пір, поки воронка не дійде до кордонів дренування або ... не почнеться перепоніженіе рівнів у водозаборі, що вимагатиме зменшення його продуктивності аж до повного припинення водовідбору.

Отже, для реального обліку можливої кількості ЕР при використанні балансового методу оцінки експлуатаційних запасів необхідно прийняти (на основі гідрогеодінаміческіх міркувань) якийсь реальний розмір очікуваного депрессионной воронки і вже тільки для цієї площі оцінити, які вогнища разгрузкі потоку в неї потрапляють.

Оцінка залучених ресурсів

Згадати - Можуть існувати тільки під час роботи водозабору.

Це збільшення природного харчування ( "надприродні" ресурси) в зв'язку з інтенсифікацією "старих" процесів і виникненням "нових". При балансової оцінки повинні бути "обчислені" такі можливості, далі можна оцінити лише їх граничну можливу інтенсивність, виходячи з природи процесів, що забезпечують залучені ресурси.

Найбільш ясний приклад: формування залучених ресурсів за рахунок викликаного притоку з ріки (після повної інверсії природної руслової розвантаження). До балансової оцінці можливої величини залучених ресурсів у цьому випадку особливо педантично слід ставитися в басейнах малих річок, витрата яких можна порівняти з майбутнім водовідбору підземних вод.

Розглянемо два варіанти.

1. Річка є транзитною для родовища, тобто депрессионная вирву не повністю охоплює верхню за течією частина річкового басейну (рис. 9, 1). Як оцінити потенційно можливу величину залучення річкового стоку? Начебто, за "входить" витраті річки на верхній межі очікуваної області депресії ? Ні, треба розуміти, що повний перехоплення стоку ріки в зоні родовища не завжди допустимо, як правило, з органами басейнового нагляду повинна бути узгоджена величина залишкового "санітарного" витрати (мінімально необхідного для підтримки ландшафтних та інших функцій ріки). Відповідно балансова оцінка залучених ресурсів .

2. Річка є "істинно малої", тобто депресія від водозабору повністю накриває її водозбірних площа вище за течією (рис. 9, 2). Мабуть, у такій ситуації правильніше вважати, що балансові можливості залучення відсутні (), так як після цілком можливого повного інверсії розвантаження підземних вод витрата ріки в межах зони родовища буде дорівнює нулю. Треба тільки розуміти, що таку модель можна використовувати лише для балансових розрахунків, так як при реальному водовідбору інверсія розвантаження на флангах має частковий характер і, отже, збереглася частина річкового стоку може все-таки формувати приплив з річки на найближчому до водозабору ділянці.        

            

Рис. 9.     

Як  вже підкреслювалося, при балансової оцінки система водовідбору (тобто місце розташування, схема і конструкція водозабірного споруди) не розглядається. Однак, при оцінці експлуатаційних запасів під реальну заявлену потребу її потрібно визначати (обгрунтовувати, розраховувати) обов'язково.

Тому реальні підрахунки ЕЗ виконуються за допомогою одного з двох основних методів: Гідродинамічний або ГІДРАВЛІЧНОГО (кожен з них має модифікації).

У гідрогеодінаміческом сенсі завдання підрахунку полягає в тому, щоб розрахувати зниження рівнів у водозабірної свердловини (або в системі свердловин) і порівняти його з допустимою величиною. Ідеологія підрахунку базується на основному фізичному принципі взаємозв'язку між величиною роботи, що виконується в середовищі з певним опором, і необхідними для цього витратами енергії. Стосовно до більшості потоків підземних вод цей принцип втілюється в лінійному законі фільтрації (законі Дарсі):

.

Оскільки мова йде про свердловинах (більшість водозаборів), то як виступає величина , тобто таке зміна (зниження) природних напорів, яка необхідна для створення градієнта в субрадіальном потоці для транспортування витрати до водозабору.

- це символ узагальненого фільтраційного опору області формування дебіту водозабору; його величина визначається, головним чином, гідрогеодінаміческімі параметрами водовмещающей товщі, граничними умовами потоку в області депресії і пристроєм водозабору.

Отже, завдання підрахунку ЕЗ має такий принциповий вигляд:        

S         

=         

Qзаявл         

        

Ф         

        

Sдоп             

    

Очевидно, що оптимально, якщо = min.

Це для "локальних" підрахунків на конкретних родовищах при заданій заявленої потреби. Як буде виглядати постановка задачі регіональної оцінки, коли потрібно визначити можливий максимум водовідбору для деякої площі?

.

Тут предмет розрахунку - задається величина, і, як і раніше, предметом розвідки (вивчення території) є .

Таким чином, в будь-якій постановці основна турбота гідрогеолога і тому мета проведення пошуково-розвідувальних робіт - виявлення, вивчення та кількісна оцінка всіх тих факторів, що визначають величину . Існує два принципово різних підходи до цієї проблеми і відповідно два основних методу оцінки ЕЗ: гідродинамічний і гідравлічний. Більш поширеним і рекомендованим як основний є гідродинамічний метод, застосування гідравлічного зазвичай має вимушений характер і вимагає спеціального обгрунтування.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://web.ru