Оценка естественных ресурсов

Р.С. Штенгелов

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

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

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

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

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

a) Оценка ЕР по расходам питания

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

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

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

Методы оценки интенсивности инфильтрации

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

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

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

- ненадежно при больших глубинах залегания уровня подземных вод;

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

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

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

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

БАЛАНС БЛОКА 2 (рис. 2)

 (накопление в емкости)

 

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

Определение  возможно, если известна водоотдача:

 

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

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

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

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

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

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

 

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

,

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

Тогда

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

 Есть разные предложения по оценке величины.

1-й СПОСОБ. Предполагается, что:

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

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

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

Явное достоинство: простота исполнения.

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

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

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

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

 

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

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

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

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

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

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

не требуется нивелировка скважины,

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

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

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

б) Оценка ЕР по расходу потока

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

такой расчет характеризует только область, лежащую выше расчетного сечения;

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

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

Рис. 6. Аналитический расчет расхода потока

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

.

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

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

в) Оценка ЕР по расходу разгрузки

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

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

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

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

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

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

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

 При использовании этих методов есть свои проблемы:

- конечно же, не учитывается разгрузка через испарительные механизмы,

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

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

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