СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЕСТЕСТВЕННЫМИ РЕСУРСАМИ ПЛАСТОВЫХ И ГЛУБИННЫХ ВОД
METHOD OF DETERMINATION OF PROVISIONING OF WATER INTAKE FACILITIES WITH NATURAL RESOURCES OF FORMATION AND DEEP WATERS

Изобретение относится к гидрогеологии и может быть использовано для изучения и оценки достаточности ресурсов подземных вод в условиях дополнительного притока глубинных вод для водообеспеченности водозаборного сооружения на основе изучения динамики подземных вод.
Под водообеспеченностью водозаборного сооружения понимается отношение ресурсов подземных вод, которые могут быть привлечены к скважине при максимально возможном понижении в ней уровня воды к эксплуатационному дебиту скважины. При работе водозаборной скважины вокруг нее образуется депрессионная воронка поверхности уровня подземных вод, в пределах которой вода движется к скважине. Следовательно, для питания скважины привлекаются подземные воды со значительной площади распространения водоносного горизонта. Кроме того, в области влияния депрессионной воронки вода может поступать из других водоносных горизонтов. Ресурсы подземных вод, которые могут быть привлечены данной скважиной (или групповым подземным водозабором) без существенного ухудшения эксплуатационного режима и качества воды в течение расчетного срока ее работы, называются эксплуатационными. Ресурсы подземных вод обеспечиваются естественными (статическими) запасами и естественными (динамическими) ресурсами подземных вод. Естественные запасы определяются мощностью водовмещающих пород, их распространением и водоотдачей. Естественные ресурсы равны расходу воды, проходящей через поперечное сечение водоносного горизонта. Согласно методическим требованиям [1-3] при определении водообеспеченности проектируемой одиночной разведочно-эксплуатационной скважины нельзя рассматривать интересующий водоносный горизонт без связи его с другими водоносными горизонтами и поверхностными водами. Однако в настоящее время при оценке ресурсов подземных вод разведуемых водоносных горизонтов принято считать, что в них могут поступать дополнительные воды в основном только из вышележащих горизонтов. В последние годы многочисленными исследованиями одного из авторов предложенного изобретения [4] достоверно установлено, что в пределы водоносных горизонтов могут поступать по проницаемым зонам неотектонических нарушений земной коры глубинные воды, доля которых в образовании естественных ресурсов разведуемых горизонтов может достигать 25% и более. При этом в них обнаруживается повышенное содержание различных токсичных металлов и других химических элементов глубинного генезиса, поэтому не считаться с этим явлением нельзя, особенно учитывая их вредное воздействие на организм человека.
доп
В этих условиях об обеспеченности естественными ресурсами подземных вод разведанного горизонта потребностей водозаборных сооружений в гидрогеологии в настоящее время судят по величине допустимого понижения уровня (ΔH) подземных вод в процессе эксплуатации скважины:
доп
ст
дин
ΔH≤H-H,
ст
дин
доп
ст
дин
где H и H - соответственно статический и динамический уровни подземных вод. Из приведенного уравнения следует, что если ΔН>H-H, то это будет свидетельствовать о недостаточности естественных ресурсов подземных вод эксплуатируемого горизонта для обеспечения потребностей водозаборных скважин. Способ требует проведения постоянного мониторинга изменений уровня подземных вод при эксплуатации водозаборных сооружений, однако он трудоемкий и требует долголетнего постоянного наблюдения за изменениями уровня подземных вод и, кроме того, он не учитывает возможность притока глубинных вод в пределы водоносного горизонта.
Авторами предлагаемого изобретения установлено, что поступление глубинных вод в пределы водоносного горизонта в некоторых случаях может привести даже к повышению динамического уровня в районе водозаборных сооружений, что отражается куполовидной конфигурацией гидроизогипс. Это нередко относится гидрогелогами к погрешностям измерений уровня.
Известен способ определения обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами подземных вод эксплуатируемого горизонта, приведенный в [1], заключающийся в определении статического уровня подземных вод путем построения гидроизогипс, суждении об обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами пластовых вод по величине понижения уровня. Недостатки этого способа: не учитывается возможность влияния на количество определяемых ресурсов подземных вод разведуемого водоносного горизонта дополнительного притока в проницаемых зонах тектонических нарушений глубинных вод, что искажает надежность и эффективность получаемых результатов.
234
238
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ индикаторного моделирования взаимосвязи водоносных горизонтов (Патент РФ №2458365, G01V 9/02, опубл. 10.08.2012) [5], основанный на открытии советских ученых [6], позволяющий выявлять очаги поступления глубинных вод в пределы водоносных горизонтов, заключающийся в отборе водных проб из водозаборных скважин, очистке природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория, электролитическом осаждении урана на диск из нержавеющей стали, альфа-спектрометрическом определении величины наиболее стабильного природного индикатора - отношения альфа-активностей изотопов урана-234 и урана-238 (U/U=γ), построении линий равных значений этого индикатора по площади и разрезу водоносного горизонта, при котором по аномалиям на картах в горизонтальной плоскости и куполовидной конфигурации изолиний γ в вертикальной плоскости определяют наличие в пределах водоносного горизонта месторождения очагов поступления глубинных вод, затем прослеживают линию равных значений
гр
гл
гл
пл
γ=γ-(γ+γ)/3,
гл
гр
пл
гл
гр
пл
234
238
где γ, γ и γ - величина γ=U/U соответственно в центральной части очага (γ) и на границах участка (γ) поступления глубинных вод, а также средняя для собственно пластовых вод (γ), определяют конфигурацию границ участка распространения глубинных вод. Однако в прототипе не предусмотрена возможность определения степени обеспеченности водоносных горизонтов ресурсами подземных вод в условиях неучитываемого гидрогеологическими способами дополнительного притока глубинных вод.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа определения обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами пластовых и глубинных вод, позволяющего проводить изучение и давать объективную оценку достаточности ресурсов подземных вод в условиях дополнительного притока глубинных вод для водообеспеченности водозаборного сооружения на основе изучения динамики подземных вод.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности и геологической информативности получаемых результатов при определении степени обеспеченности водоносных горизонтов ресурсами подземных вод в условиях неучитываемого гидрогеологическими способами дополнительного притока глубинных вод с одновременным уменьшением трудоемкости и стоимости проведения этих работ.
234
238
Технический результат достигается тем, что способ определения обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами пластовых и глубинных вод заключается в отборе водных проб из водозаборных скважин, очистке природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория, электролитическом осаждении урана на диск из нержавеющей стали, альфа-спектрометрическом определении величины наиболее стабильного природного индикатора - отношения альфа-активностей изотопов урана-234 и урана-238 (U/U=γ), построении линий равных значений этого индикатора по площади и разрезу водоносного горизонта, при котором по аномалиям на картах в горизонтальной плоскости и куполовидной конфигурации изолиний γ в вертикальной плоскости определяют наличие в пределах водоносного горизонта месторождения очагов поступления глубинных вод, затем прослеживают линию равных значений
гр
гл
гл
пл
γ=γ-(γ+γ)/3,
гл
гр
пл
гл
гр
пл
max
ст
ср-ст
пл
гл
в
пл
гл
в
пл
гл
в
пл
гл
в.
234
238
234
238
где γ, γ и γ - величина γ=U/U соответственно в центральной части очага (γ) и на границах участка (γ) поступления глубинных вод, а также средняя для собственно пластовых вод (γ), определяют конфигурации границ участка распространения глубинных вод, по максимальным значениям отношения γ=U/U выявляют участки поступления глубинных вод в пределы водоносного горизонта, определяют величину изменения динамического уровня подземных вод ΔH=H-H в пределах этих участков относительно среднего уровня ΔH для изучаемого района и при +ΔH судят о дополнительном восполнении запасов подземных вод в эксплуатируемом горизонте за счет притока глубинных вод, т.е. (Q+Q)>Q, где Q, Q и Q - соответственно ресурсы собственно пластовых и глубинных вод и суммарный отбор подземных вод, при -ΔH - о превышении суммарного водоотбора над суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод и необеспеченности водозаборных сооружений даже суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q+Q)<Q а при ΔH=0 - о восполнении дефицита ресурсов собственно пластовых вод за счет дополнительного поступления глубинных вод, т.е. в этом случае (Q+Q)=Q
Сущность предлагаемого способа иллюстрируется полученными результатами обработки данных, представленными на Фиг.1-3.
з
в
На Фиг.1 изображены схемы изменения динамического уровня подземных вод (ΔH) при различных соотношениях разведанных запасов подземных вод (Q) и объема водозабора (Q) в случае поступления (а) и отсутствия (б) притока глубинных вод.
Приведенная на Фиг.1а-1 схема показывает, что в отличие от случая отсутствия притока глубинных вод, когда при длительной работе водозаборного сооружения наблюдается только понижение динамического уровня, при существовании очага поступления глубинных вод уровень воды в скважинах даже может подниматься. Это свидетельствует не только об обеспеченности водозаборного сооружения за счет собственно пластовых вод, но и увеличении ресурсов подземных вод в результате дополнительного поступления глубинных вод. Однако в этом случае может начаться принудительное подтягивание глубинных вод с высоким содержанием токсичных химических элементов (бор, литий и др.) и ухудшиться качество подземных вод.
На Фиг.2 и 3 приведены примеры изменения динамического уровня подземных вод при длительной эксплуатации водозаборных скважин на участках поступления глубинных вод в пределы верхнепермского водоносного комплекса на территории юго-западных районов Республики Татарстан.
2
Фиг.2 показывает, что в пределах изученной территории площадью около 3800 км повсеместно наблюдается внедрение глубинных вод. Всего выделено 15 очагов поступления глубинных вод.
пл
гл
в
пл
гл
в
На Фиг.3 приведена схематическая карта, показывающая, что в пределах большинства (9) участков внедрения глубинных вод наблюдается понижение динамического уровня относительно среднего регионального статического уровня (-ΔH). Это свидетельствует о недостаточности ресурсов подземных вод для обеспечения потребностей существующих водозаборных скважин даже суммарных собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q+Q)<Q, и возможности необратимого ухудшения экологического состояния подземных вод на таких участках в результате принудительного подтягивания глубинных вод. В пределах 6 участков поступления глубинных вод можно видеть даже повышение уровня подземных вод (+ΔH) в процессе водоотбора, что свидетельствует о превышении суммарных собственно пластовых и глубинных вод над потребностями водозаборных сооружений на этих участках, т.е. (Q+Q)>Q. Только в пределах одного участка уровень подземных вод остался на прежнем уровне, т.е. ΔН=0.
Результаты апробирования предложенного способа приведены в таблице.
Таблица
Гидродинамические особенности (параметры) подземных вод на участках поступления глубинных вод в пределы верхнепермского водоносного комплекса на территории юго-западных районов Республики Татарстан
№ п/п
Номер аномального участка
<sup>234</sup>U/<sup>238</sup>U=γ
Местоположение
Балансовое уравнение
ΔH=H<sub>ст-скв.</sub>-H<sub>ср-ст</sub> м
1
2
3
4
5
6
1
I
7,17±0,16
д.д. Н. и Ст. Ишли
Q<sub>в</sub>=(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
0
2
II
10,5±0,23
д. Ст Чукалы
Q<sub>в</sub><(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
+70
3
III
18,1±0,51
Бассейн р. Карлы
Q<sub>в</sub><(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
+30
4
IV
20,1±2,00
д. Кайрево
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-30
5
V
8,73±0.21
д. Убей
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-40
6
VI
5,94±0,08
д. Б. Цильна
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-80
7
VII
8,23±0,27
д. Шаймурзино
Q<sub>в</sub><(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
+30
8
VIII
3,31±0,15
д. Черки-Гришино
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-20
9
IX
3,64±0,08
д. Адав-Тулумбаево
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-20
10
X
3,80±0,07
д. Немчиновка
Q<sub>в</sub><(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
+10
11
XIа
7,86±0,17
д. Вожжи
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-20
12
ХIб
9,18±0,27
д. Тат. Беденьга
Q<sub>в</sub><(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
+30
13
XII
4,57±0,16
д. Чув. Черепаново
Q<sub>в</sub><(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
+20
14
XIII
6,57±0,13
д. Ниж. Тарханы
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-70
15
XIV
5,37±0,07
д. Иоково
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-5
16
XV
5,01±0,10
д. Кильдюшево
Q<sub>в</sub>>(Q<sub>п</sub>+Q<sub>гл</sub>)
-10
234
238
Способ реализуется следующим образом. Из водозаборных скважин, выбранных по оптимальной сети для равномерного изучения всей территории месторождения, отбирают водные пробы в чистые емкости, отметив перфорированные интервалы в скважинах, расположение их на топографической карте местности, в полевых условиях в водные пробы в стеклянных 20-л бутылях добавляют метилоранж для контроля кислотности среды, а также соляную кислоту до получения pH 1-2 (до розовой окраски раствора) для перевода урана в ионную форму. После этого при перемешивании в воду постепенно добавляют насыщенный раствор буфера - уротропина до перехода окраски воды из розового в желтый цвет, т.е. до pH 4.5-5.5. Далее в обрабатываемую пробу добавляют активированный уголь для сорбирования урана из водной пробы. После отстаивания раствора и осаждения угля на дне посуды проводят декантирование осветленной части раствора и фильтрование угольного осадка на воронке Бюхнера под вакуумом, осадок сушится и отправляется в стационарную радиохимическую лабораторию, где проводят очистку природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория. При этом уран вымывается из угля карбонатным раствором и собирается в колбе Бунзена. Затем соосаждением на гидроокиси железа очищают уран от других альфа-излучающих нуклидов. Уран экстрагируется трибутилфосфатом и переходит в органическую фазу. Из органической фазы уран реэкстрагируется дистиллированной водой, высушивается и растворяется соляной кислотой. Затем проводится электролитическое осаждение урана на диск из нержавеющей стали и после промывки дистиллированной водой и сушки готовый урановый препарат отправляют в альфа-спектрометрическую лабораторию, где измеряют изотопное отношение и концентрацию урана в ионизационной камере. С помощью специальной компьютерной программы регистрируются импульсы от альфа-частиц, сохраняются полученные спектры и рассчитывается величина отношения активностей изотопов урана U/U=γ, стандартное и относительное среднеквадратичное отклонение, концентрация урана и его химический выход. На основе полученных данных составляется карта распределения величины γ - наиболее стабильного природного индикатора подземных вод путем построения линий равных значений γ в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При этом по максимальным значениям γ на картах в горизонтальной плоскости и куполовидной конфигурации изолиний γ в вертикальной плоскости определяют наличие в пределах водоносного горизонта месторождения очагов поступления глубинных вод.
Затем прослеживают линию равных значений
гр
гл
гл
пл
γ=γ-(γ+γ)/3,
гл
гр
пл
гд
гр
пл
234
238
где γ, γ и γ - величина γ=U/U соответственно в центральной части очага (γ) и на границах участка (γ) поступления глубинных вод, а также средняя для собственно пластовых вод (γ), определяют конфигурацию границ участка распространения глубинных вод.
max
ст
ср-ст
пл
гл
в,
пл
гл
в
пл
гл
в,
пл
гл
в
234
238
Далее по максимальным значениям отношения γ=U/U выявляют участки поступления глубинных вод в пределы водоносного горизонта, определяют величину изменения динамического уровня подземных вод ΔH=H-H в пределах этих участков относительно среднего уровня для изучаемого района и при +ΔH судят о дополнительном восполнении запасов подземных вод в эксплуатируемом горизонте за счет притока глубинных вод, т.е. (Q+Q)>Q где Q, Q и Q - соответственно ресурсы собственно пластовых и глубинных вод и суммарный отбор подземных вод, при -ΔH - о превышении суммарного водоотбора над суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод и необеспеченности водозаборных сооружений даже суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q+Q)<Q а при ΔH=0 - о восполнении дефицита ресурсов собственно пластовых вод за счет дополнительного поступления глубинных вод, т.е. в этом случае (Q+Q)=Q.
ст
ср-ст
пл
гл
в
пл
гл
в
пл
гл
в
пл
гл
в,
Таким образом, в отличие от прототипа предложенное техническое решение с приведенной совокупностью отличительных существенных признаков, а именно заключающееся в том, что определяют величину изменения динамического уровня подземных вод ΔH=H-H в пределах участков поступления глубинных вод относительно среднего уровня ΔН для изучаемого района и при +ΔH судят о дополнительном восполнении запасов подземных вод в эксплуатируемом горизонте за счет притока глубинных вод, т.е. (Q+Q)>Q, где Q, Q и Q - соответственно ресурсы собственно пластовых и глубинных вод и суммарный отбор подземных вод, при -ΔH - о превышении суммарного водоотбора над суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод и необеспеченности водозаборных сооружений даже суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q+Q)<Q, а при ΔН=0 - о восполнении дефицита ресурсов собственно пластовых вод за счет дополнительного поступления глубинных вод, т.е. в этом случае (Q+Q)=Q позволяет повысить эффективность и геологическую информативность получаемых результатов при определении степени обеспеченности водоносных горизонтов ресурсами подземных вод в условиях не учитываемого гидрогеологическими способами дополнительного притока глубинных вод, а также позволяет одновременно уменьшить трудоемкость и стоимость проведения работ по сравнению с гидрогеологическими способами. В предложенном изобретении для достижения технического результата используются новые формулы, выведенные авторами заявленного технического решения, что снижает трудоемкость и стоимость проведения работ для достижения заявленного технического результата. Предложенное техническое решение явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, следовательно, оно удовлетворяет условию патентоспособности "изобретательский "уровень". В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Апробирование способа экспериментальным путем подтверждает его реализуемость с достижением заявленного технического результата, в связи с этим изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Бочевер Ф.М., Веригин Н.Н. Методическое пособие по расчетам эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения. Госстройиздат, 1961.
2. Водообеспеченность скважины/http://www.geoda.ru/library/drilling_11/.
3. Плотников Н.А. Оценка запасов подземных вод. Госгеолтехиздат, 1959.
4. Тихонов А.И. Неравновесный уран в условиях активного водообмена и его использование в геологиии и гидрогеологии. - Чебоксары: Изд-во Л.А. Наумова, 2009.
5. Тихонов В.П., Тихонов А.И., Васильев А.В. и др. Способ индикаторного моделирования взаимосвязи водоносных горизонтов // Патент на изобретение Российской Федерации №2458365, G01V 9/02, опубл. 10.08.2012 г. в Гос. реестре изобретений РФ, бюл. №22.
234
238
6. Чердынцев В.В., Чалов П.И. Естественное разделение урана U и U // Открытия в СССР (Сборник кратких описаний открытий, внесенных в Государственный реестр СССР). - М.: ЦНИИПИ, 1977.