CC BY
24
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ
_ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ_
2003 СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА Вып. 18
V. ГИДРОГЕОЛОГИЯ, ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ И ОХРАНА
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК 556.3: 551.482
Ю.И. Владимиров, С.Н. Елохина К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ вод
Оценка эксплуатационных запасов подземных иод (Э311В) является ключевым моментом при выполнении поисково-разведочных работ на различных стадиях гидрогеологических исследований, а также при выдаче государственной лицензии на водопользование, когд£ запасы месторождения или водозаборного участка рассматриваются как товар. В этой связи изучение методов оценки ЭЗПВ студентами специальности "Поиски и разведка подземных вод" приобретает особую значимость.
Как известно [1], методы оценки ЭЗПВ по своему подходу подразделяются на четыре группы: гидравлические, гидродинамические, балансовые и аналогии. Причем только балансовые методы основаны на суммарном учете либо питания, либо разгрузки подземных вод.
Для каждого типа гидрогеологического района с характерными условиями питания и разгрузки подземных вод могут существовать свои особые рекомендации по оценке эксплуатационных запасов. Для горноскладчатой части Урала, где в естественных условиях подземные воды формируют 25-40 % общего речного стока путем их разгрузки в русловую сеть, в ходе выполнения многолетних практических исследований в Уральской гидрогеологической экспедицией разработан оригинальный метод оценки ЭЗПВ по сокращению речного стока [2-4]. Поскольку метод основан на количественной оценке разгрузки подземных вод в реки, он может быть отнесен к группе балансовых методов.
Отправной точкой для исследований послужили результаты многолетней эксплуатации Шиловского водозабора, расположенного в бассейне р. Шиловки. правобережного притока р. Пышмы. Площадь питания р. ШИЛОВКИ Составляет около 43,6 км^ Коренные породы в этих бассейнах выветрены и перекрыты песчано-глинистымн отложениями мощностью 6-15 м, а их зысокие фильтрационные свойства обеспечивают в условиях отбора подземных вод и снижения >ровня интенсивное поглощение выпадающих атмосферных осадков и воды из русла рек.
Подземные воды отбираются из одной 40-метровой шахты и трех водозаборных скважин глубиной 60—70 м. С 1971 по 1997 гг. здесь велись регулярные замеры изменений уровней подземных вод на сети наблюдательных скважин, дебита водозабора и колебания стока р. Шиловки.
В маловодные годы под влиянием интенсивного и относительно устойчивого отбора водземных вод наблюдаем почти полное прекращение стока р. Шиповки, причем наземная :оставляющая перехватывается полностью, остаточный поверхностный сток отмечается лишь в течение нескольких весенних дней. Русло реки на замыкающем посту остается сухим почти весь год. 3 маловодный год отбор подземных вод существенно превышает сокращение стока (питание юдоносного горизонта), уровни подземных вод резко снижаются, и площадь их воронки депрессии г«ко возрастает, не выходя за пределы границ поверхностного водосбора. В такие голы недостаток эгтания компенсируется за счет сработки ёмкостных регулировочных запасов подземных вод.
С наступлением многоводных сезонов и лет по всей обширной площади воронки депрессии кзблюдается интенсивное поглощение речных вод, уровни подземных вод быстро восстанавливаются * объём регулировочных запасов восполняется. Сокращение речного стока в этот период значительно "резышаст текущий водоотбор, особенно в весеннее половодье и летне-осенних дождей.
Таким образом, регулировочные запасы за счет поглощения речного способны осуществлять -г только внутригодовое, но и межгодовое регулирование неравномерного питания.
Для удобства оценок сток реки и водоотбор выражаются в относительных единицах - модулях МнМ» соответственно, представляющих собой величину общего речного стока и дебита водозабора,
211
отнесенных к единице площади (кв. км). Сокращения стока р. Шиловки (АМ) под влиянием отбора подземных вод оцениваются по разности естественного стока (М) и нарушенного отбором подземных вод стока {КГ), то есть AM = М - ST. При этом величина естественного расхода восстанавливается по данным наблюдений на ближайшем бассейне, принятым в качестве полного аналога (для р. Шиловки природным аналогом принимается р. Крутнха).
В среднем за период 1971—1982 гг. близкий по водности к норме модуль отбора подземных вод на Шиловском водозаборе Л/, = 1,9 л/с км* и был достаточно близок к величине сокращения речного стока (ЛА/ = 1,7 л/с км2). В исключительно маловодный 1976 г. при М- 0,9 л/с км2 водоотбор (Л/, = 2,0 л/с км2) был существенно выше сокращения стока (ДА/=0,7 л/с км2). Последующая эксплуатация Шиловского водозабора позволила отбирать в маловодные 1989 и 1996 гг., соответственно, 2.3 и 2,7 л/с км2 при среднем многолетнем модуле общего естественною стока А/ =2,9 л/с км2.
Таким образом, средний многолетний отбор подземных вод (А/,°) в пределах малого водосбора равен или больше величины сокращения стока (ДА/5) за этот период (.V/,0 2: AAf), а в маловодный год, за счет регулировочных ёмкостных запасов подземной гидросферы, в два и более раз выше происходящего сокращения стока (питания).
Значит, по величине сокращения ручного стока, зная закономерности его формирования, можно прогнозировать значение возможного отбора подземных вод, то есть эксплуатационные ресурсы и запасы подземных вод водозаборных участков и месторождений. В течение нескольких десятилетий специалисты Уральской гидрогеологической экспедиции занимались изучением режима подземных и поверхностных вод в естественных и нарушенных водоотбором условиях. Кроме того, для установления закономерностей сокращения речного стока были использованы материалы многолетних наблюдений Челябинской, Пермской и Ссвсроуральской гидрогеологических экспедиций. Ленгидропроекта и Ленгипроникеля. В совокупности были проанализированы наблюдения на 38 стационарных гидрологических постах, расположенных на 30 малых речных бассейнах преимущественно восточного склона Северного, Среднего и Южного Урала >а период с 1945 по 1986 гг. Суммарный цикл наблюдений составил 350 годо-постов.
Исследования показали, что основными факторами, определяющими сокращение речного стока (АЛ/), являются естественная водность года (Л/) и площадь развития воронки депрессии (/"„). выраженная в процентах от общей площади зодосбора.
Формула для расчета имеет вид
ДА/»ах М, (Ь
где а - параметр, численно равный тангенсу угла наклона линии связи на графике ДА/ = /| М, /, (рис. 1).
Сокращение речного стока возрастает с увеличением естественной водности года (М) и значения относительной площади воронки депрессии - параметра/, (рис. 2).
В условиях тесной взаимосвязи поверхностных и подземных вод на горном Урале тип коренных пород не имеет определяющего значения. Различия в параметре "а" проявляется лишь для закарстованных пород (см. рис. 2). Различия сокращения среднегодового стока закарстованных и незакарстованных водосборов, при прочих близких условиях, составляют 10-30 %.
Роль гидрографических факторов в сокращении речного стока имеет подчиненное значение после гсолого-гидрогеологических особенностей водосбора.
В свете изложенного, минимальная, наиболее жесткая величина эксплуатационных ресурсов, обеспеченная восполнением в маловодный период 95 % обеспеченности (А/,*) с учетом только межсезонного регулирования составит:
АС - ДА/,,» а х А/95. (-•
Для маловодных лет 95 % обеспеченности (A/w), когда воронка депрессии имеет наибольшее значение (параметр /п приближается к 100 %), параметр "а" составляет для некарстующихся порол порядка 0,8; для закарстованных - 0,9.
При наличии подземных ёмкостей (двухслойное строение разреза) необходимо учитывать межгодовое регулирование эксплуатационных ресурсов подземных вод. В этом случае для года 95 ° : обеспеченности величина эксплуатационнь х запасов (Л/,') выше. Как показывает пра-стика. Л/," следует оценивать по уравнению
Л4/=Л", * ДА/95, !•
M л/(см км) f,-60-70%
f.' 20-30% J20 / О 65 / ™ У / /60 /
7 25 / /о 27// / / /
зо/ ьо/У/ '010 / / / / г / --1 и-
4 ДМ л/(см км')
6
Рис. !. Связь сокращения среднегодового стока (АЛ/) с восстановленным естественным (Ai) и площадью развития воронки депрессии (/",)для водосборов, сложенных некарстующимися породами: а - р. Березовка - пост 2 за 1971-1977 и 1982-1985 гг.; б - совмещенный график ряда водосборов
где значение коэффициента Я", находится и проделал 1,8-2,2 и зависит от регулирующих возможностей водовмещающих пород.
При наличии данных о сокращении речного стока в год среднемноголетней водности (АМ0) коэффициент К\, учитывающий межгодовос регулирование, равен 1, формула (3) приобретает вид:
Му*т ДА/о, (4)
где А/,0 - норма (среднемноголстнее значение) эксплуатационных ресурсов подземных вод водозабора.
Приближенно прогнозные эксплуатационные ресурсы подземных вод месторождения (А/,") можно оценивать и непосредственно по средней многолетней величине (норме) общего среднегодового стока (jЩ, для которой составлены карты:
Л/,"«*2хМ0, (5)
где Л"; - обобщенный коэффициент, равный в среднем для некарстующихся пород 0,7, а для закарстованных 0,8.
Рис. 2. Связь параметра а в уравнении ДА/ = осА/ с площадью развития воронки депрессии (/",) и площадью закарстованных пород где - отношение площади карстующихся пород к общей площади водоотбора:
I - для полосбороп. сложенных закарстонаннымн поролами, при /.>40 %; 2 - для водосборов, сложенных нгкарстуюшимиси поролами
Норму общего стока (А/0) лучше принимать по ближайшему басбейну-аналогу или по районным эмпирическим графикам со средней высотой водосборной площади: А/0= /(Я:р) (рис. 3).
Возвращаясь к Шиловскому водозабору, выполним оценку его эксплуатационных ресурсов, по вышеизложенной методике.
В маловодный год 95 % обеспеченности (А/<;5 ■ 0.90 л/с км ) сокращение речного стока пс» формуле (2) составит:
ДА/95 = оЛ/,5 = 0.8 х 0,9 л/с км" = 0.72 л/с км2.
Сравним с наблюденными данными в бассейн? р. Шнловки: в маловодный 1976 г. при естественном стоке аналога А/ = 0,9 л/с км2 и остаточном стоке р. Шнловки 0,12 л/с км2 сокращение речного стока оценивается в объёме 0,78 л/с км*.
По зависимости (3) модуль эксплуатационных ресурсов Шиловского водозабора для маловодного года 95 % обеспеченности составит:
А// =К, х ДА/« - 2,2 х 0,72 =1,6 л/с км2.
Приближенно прогнозные эксплуатационные ресурсы рассчитываем по норме общегс годового естественного стока (А/0 = 2,9 л'с км2) - формула (5):
А/," = К:хМ:- 0,7 х 2,9 л/с км2 - 2,03 л/с км2.
Сравним полученные расчетные значения эксплуатационного модуля с эксплуатационными запасами Шиловского водозабора, утвержденными для маловодных лет но результатам многолетни? натурных наблюдений. Они составляют 2,2 л/с км2, а фактический водоотбор в исключительно маловодный 1976 год составил 2,0 л/с. км1.
Фактические данные несколько превышают расчетные значения, что связано « исключительно благоприятными условиями межгодового регулирования на площади питани: Шиловского водозабора.
Сопоставление прогнозных и утвержденных величин показывает высокую надежность метод-при всей его простоте и низких затратах. Оценка эксплуатационных запасов на уровне нормь сокращения речного стока обеспечивает сбалансированный многолетний водоотбор.
— О- 1 —к— 2
О- I • - 2 х - з
Рис. 3. Связи среднегодовых модулей стока и средней высоты водосбора в верховьях р. Сосьвы:
I - 95 % обеспеченности; 2 - норма; 3 - многоводный 1979 гуд.
Водосборы: 1 - р. Сосьиа - д. Трсишжо; 2 - р. Вагран - гос. Березовский; 3 - р. Сосьва - д. Лснсжкиио; -1 р Т\рг,я г. Карпинск; р. Калья - пост 8; б-р. Калм - пост 9, 7 - р Антипинский Исток •■ пост 1
С использованием вышеизложенной методики оценены эксплуатационные запасы на следующих месторождениях пресных подземных вод: Шиловском, Березовском (южный участок), Гагарском (Грязнушнпский. Каменский и Гагарскнй участки), Верхне-Пышминском Среднеуральскнй участок), а также водопритоки к Буланашскому шахтному полю, Березовскому рудному полю, Серовскому никелевому карьеру и на других объектах. Общая величина утвержденных эксплуатационных запасов подземных вод. оцененных вышеописанным методом, превышает 120 тыс. м7сут.
Дпробированность метода на > ровне ГКЗ и ТКЗ, его простота и учет региональных особенностей Урала позволяют рекомендовать дополнить традиционные методы оценки ЭЗГ1В методом оценки по сокращению речного стока и включить его в программу обучения студентов Уральской гос. горно-геологичсской академии по специальности "Поиски и разведка подземных вод".
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Борсвский Б.В., Дробноход, Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных Киев: Высшая школа, 1983. 407 с.
1 Кладнмироп Ю.И. Прогнозная оценка эксплуатационных ресурсов подземных вод по сокращения речного стока// Разведка и охрана тедр. 1985. № 8. С. 47-51.
3. Владимиров Ю.И. Измснет1с стока малых рек при отборе подземных вод К£нэскладчатой части Урала // Сборник работ по гидрологии. Хй 18. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. С.
4. Владимиром Ю.И. Оценка и прогноз изменения речного стока под влиянием эксплуатации тсдземных вод в малых бассейнах горюскладатой части Среднего Урала // Доклады секции Г еловых процессов Научного совета ГКН. 1991. Вып. 2. С. 53-60.
