Геолого-экономическая оценка месторождений подземных промышленных вод (стр. 29 )

При оценке эксплуатационных запасов глубоких подземных вод необходимо учитывать дебиты скважин и понижения в них динамических уровней от поверхности. И дебиты, и понижения уровней должны быть максимальными для гидрогеологических условий оцениваемого горизонта. Это обеспечивает, с одной сто­роны, наиболее полную оценку эксплуатационных запасов, с дру­гой — наилучшие технико-экономические показатели эксплуатации водозабора. Однако практически в большинстве случаев расчетные дебиты скважин и понижения в них уровней от поверхности для промышленных и термальных вод приходится ограничивать мощностью насосного оборудования, выпускаемого отечественной промышленностью. Балансовые эксплуатационные запасы должны обеспечивать минимальную рентабельную производительность про­мышленного предприятия. Другими словами, расчетный дебит подземных вод с учетом концентрации полезных извлекаемых компонентов или количества тепла должен обеспечивать получение того минимума товарной продукции, при котором экономически целесообразно строительство современного индустриального пред­приятия.

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод произво­дится обычно тремя методами: балансовым, гидравлическим и гидродинамическим.

Балансовый метод основан на анализе приходных и расходных статей баланса подземных вод. Для промышленных и термальных подземных вод платформенных областей, характеризующихся большой глубиной залегания, весьма малыми реальными скоростя­ми фильтрации в естественных условиях, часто не выходящими на поверхность и имеющими обычно широкое региональное распро­странение, оценка эксплуатационных запасов этим методом непри­емлема. Однако для минеральных, термальных подземных вод горно-складчатых областей и парогидротерм областей современного вулканизма балансовые расчеты имеют часто весьма важное значение для оценки общих ресурсов таких вод и перспектив их использования на ранних стадиях гидрогеологических изысканий. , Гидравлический метод основан на изучении связи дебита и по­нижения динамического уровня при установившемся притоке под­земных вод к одиночным и взаимодействующим скважинам. Оценка эксплуатационных запасов в этом случае производится путем гидравлических расчетов на основе экстраполяции полученных опытных данных. Этот метод широко используется при оценке эксплуатационных запасов в сложных гидрогеологических условиях, не поддающихся простейшей схематизации для обоснованных гид­родинамических расчетов (наличие водопроводящих тектонических нарушений, неравномерная трещиноватость и закарстованность пород, недостаточно точно установленные источники питания и за­кономерности распространения водоносного горизонта и т. д.). Гидравлический метод, требующий проведения мощных откачек с дебитами скважин, близкими к эксплуатационным, может быть рекомендован в редких случаях для месторождений промышленных вод на участках сложного тектонического строения и при разведке подземных вод в неравномерно трещиноватых и закарстованных породах. В то же время этот метод является основным при оценке запасов минеральных и термальных подземных вод в горно-складча­тых областях и в районах сложного геолого-тектонического стро­ения.

Гидродинамический метод широко используется для оценки эксплуатационных запасов всех типов глубоких подземных вод. Метод основан на прогнозных расчетах изменения дебитов и уров­ней с учетом параметров водоносных пород, определяемых по данным опытных гидрогеологических работ в период разведки месторождений. Возможность и целесообразность использования этого метода определяется особенностями условий залегания и распространения подземных вод глубоких горизонтов артезианских бассейнов платформенного типа, предгорных и межгорных впадин. Как известно, при откачках глубоких подземных вод в зна­чительной мере проявляются упругие свойства вод и пород, что приводит к длительному неустановившемуся притоку подземных вод к скважинам. Интенсивность и характер изменения уровней и дебитов зависят от ряда факторов, основными из которых яв­ляются: а) параметры водоносной зоны (их водопроводимость и пьезопроводность) и изменение этих параметров на площади эксплуатационного участка и за его пределами в зоне влияния водозабора; б) граничные условия месторождения и эксплуата­ционного участка, определяемые наличием областей создания напора, выклиниванием или резким изменением мощности или литолого-фациальных свойств водовмещающих пород; в) суммар­ный дебит водозабора (и отдельных скважин) и изменение этого дебита в процессе эксплуатации.

Для глубоких подземных вод суммарный дебит водозабора должен быть постоянным (при постоянных концентрациях в воде полезных компонентов) или ступенчато изменяющимся во времени (при изменении в процессе эксплуатации месторождения кон­центраций полезных компонентов) в связи с необходимостью обеспечения стабильной производительности промышленного предприятия.

Исходя из изложенного, оценка эксплуатационных запасов глубоких подземных вод на участке проектируемого водозабора производится следующим образом:

по материалам бурения и опытного гидрогеологического опро­бования разведочных скважин оцениваются расчетные гидрогеоло­гические параметры водоносных пород на участке водозабора и за его пределами;

на основе анализа гидрогеологических условий месторождения в зоне возможного влияния водозабора схематизируются гидро­геологические условия и выявляются расчетные граничные условия;

путем последовательных гидродинамических и технико-экономических расчетов по вариантам определяются кондиционные требования к подземным водам и условиям их эксплуатации;

с учетом кондиционных требований подсчитывается возмож­ный суммарный дебит водозабора применительно к наиболее раци­ональной для данных условий схеме водозабора; суммарный дебит квалифицируется как эксплуатационные запасы подземных вод;

путем гидродинамических или гидравлических расчетов с учетом гидрогеохимической обстановки устанавливаются постоян­ство или закономерности изменения состава подземных вод, концентрации в них полезных компонентов, или количество бальнео­логически активных элементов.

В частных случаях, когда природная обстановка месторождения не позволяет обоснованно подсчитать запасы аналитическими методами, прибегают к моделированию процесса разработки место­рождения и оценке эксплуатационных запасов с использованием аналоговых машин. Кроме того, аналитические расчеты эксплуа­тационных запасов целесообразно выполнять с использованием электронных цифровых вычислительных машин. Использование ЭЦВМ позволяет значительно расширить диапазон рассматривае­мых вариантов разработки месторождений и решить задачу по одновременному гидродинамическому, гидрогеохимическому и технико-экономическому обоснованию эксплуатационных запасов глубоких подземных вод.

Гидродинамические методы подсчета эксплуатационных запа­сов подземных вод основаны на решении основного дифферен­циального уравнения упругой фильтрации жидкости в пористой среде. Решая это уравнение при различных начальных и гранич­ных условиях, получают расчетные формулы для определения де-битов и уровней, которые используются для оценки эксплуата­ционных запасов подземных вод. Математически и физически гид­родинамические методы являются точными; практически их точ­ность в достаточной мере условна вследствие приведения природ­ной гидрогеологической обстановки к имеющим решение расчетным схемам, а также в связи с неточностью используемых в расчетах исходных параметров.

Основное уравнение движения подземных вод — линейное, что позволяет при его решении использовать метод суперпозиции (наложения течений), который заключается в том, что сумма ре­шений этого уравнения также является его решением. Примени­тельно к движению воды это означает, что понижение давления (напора) в любой точке пласта от действия нескольких водоза­боров равно сумме понижений в этой точке от действия каждого из них в отдельности.

Другим достоинством гидродинамических методов является то обстоятельство, что, будучи одновременно и балансовыми, они по­зволяют прогнозировать дебиты и уровни с большей степенью экс­траполяции по сравнению с достигнутыми при проведении опыт­ных гидрогеологических работ в скважинах. Возможность экстра­поляции представляется весьма важной, так как для глубоких подземных вод понижение уровней до расчетных проектных отме­ток при проведении опытных работ в скважинах нерентабельно, а с точки зрения точности оценки запасов излишне.

Решение задачи по оценке эксплуатационных запасов подзем­ных вод обычно сводится к определению дебита скважины или водозабора при заданном предельном понижении уровня или к расчету понижения уровня в отдельных скважинах, а для системы скважин — к расчету наибольшего и наименьшего понижения уровня в отдельных скважинах водозабора, выбранных по усло­виям их расположения. При этом принимается, что начальные и граничные условия, а также параметры пласта известны, строе­ние его однородно, а скважины совершенны.

Используя метод суперпозиции и формулы (4) — (6), можно провести расчет водозаборов для случая любого произвольного расположения скважин. В практике геологоразведочных работ на промышленные воды встречаются следующие схемы располо­жения эксплуатационных скважин водозаборов: произвольное (неупорядоченное), линейный ряд; кольцевая батарея; треуголь­ная сетка (концентрические кольцевые батареи); прямоугольная сетка (площадная система). Приведение системы расположения скважин к правильным геометрическим схемам позволяет упрос­тить гидродинамические расчеты, что особенно важно при боль­шом числе эксплуатационных скважин на участках водозаборов.

Выше отмечалось, что в практике оценки эксплуатационных запасов глубоких подземных вод возможность использования схемы неограниченного пласта встречается довольно редко. Чаще лри оценке запасов приходится учитывать внешние границы водо­носного горизонта, схематизируемые в зависимости от их конфи­гурации, как это указано выше.

Неограниченный пласт. Одиночная скважина с по­стоянным дебитом. В этом случае расчет производят по формуле (10). Величина r в этом случае принимается равной рас-стоянию от оси скважины до точки, в которой определяется по-нижение S. При определении понижения уровня в скважине эта величина равна радиусу скважины.

Одиночная скважина с переменным дебитом. Если в пласте работает одиночная скважина с переменным де­битом и изменение ее дебита происходит ступенчато, то понижение ;В ней выразится уравнением