ЧАСТЬ ВТОРАЯ. МЕТОДИКА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ РЕШЕНИИ КОНКРЕТНЫХ НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗАДАЧ
ГЛАВА IX. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Водоснабжение — важнейшая народнохозяйственная задача, успешное решение которой способствует не только неуклонному повышению благосостояния населения, благоустройству населенных пунктов и благотворному преобразованию природы, но и созданию материально-технической базы коммунизма и условий эффективного развития производительных сил в стране. Постоянный рост промышленного и сельскохозяйственного производства, повышение благосостояния и культурного уровня населения, громадные темпы промышленного и гражданского строительства вызывают соответствующее увеличение водопотребления, поэтому задачи водоснабжения становятся еще более важными, актуальными и весомыми. Особую актуальность приобретают сейчас гидрогеологические исследования для целей водоснабжения в районах крупных промышленных и сельскохозяйственных центров и во вновь осваиваемых районах страны (1).
В настоящее время в нашей стране ежегодно потребляется более 300 км3 воды, к
Подземные воды имеют определенные преимущества перед поверхностными: обладают большой стабильностью режима и почти повсеместным распространением, незначительно загрязнены в бактериальном отношении, меньше подвержены опасности радиоактивного, химического и бактериологического загрязнения, характеризуются высоким качеством, малыми потерями на испарение и благоприятными экономическими показателями их эксплуатации. В силу этого они предназначены, прежде всего, для удовлетворения питьевых и бытовых нужд населения. Использование подземных вод питьевого качества для других целей (производственно-техническое водоснабжение, орошение и т. д.) разрешается только при отсутствии поверхностных вод и при условии обеспечения первоочередного удовлетворения хозяйственно-питьевых нужд населенных пунктов (8, 13). Доля подземных вод в обеспечении хозяйственно-питьевого водоснабжения уже сейчас превышает 50%. В частности, большинство городов с потребностью в воде до 50 тыс. м3/сут и все небольшие населенные пункты удовлетворяют свои потребности за счет использования подземных вод. По предварительным данным общее потребление подземных вод составляет сейчас 600—700 м3/с, однако уже на ближайшую перспективу потребность в подземных водах возрастает, в 3—4 раза даже без учета перспектив использования подземных вод для орошения и других целей. (15,19).
Выполненные в последние годы гидрогеологические исследования свидетельствуют о том, что наша страна имеет большие ресурсы пресных подземных вод, пригодных для водоснабжения. Так, естественные ресурсы подземных вод зоны активного водообмена по результатам прогнозной оценки составляют в целом по стране 30 550 м3/с, а эксплуатационные ресурсы для хорошо изученной в геологическом отношении территории (европейская часть СССР, Казахстан, Средняя Азия, Кавказ) около 7000 м3/с (14, 15). Установлена чрезвычайно большая неравномерность в распределении ресурсов пресных подземных вод, которая существенно затрудняет успешное решение задач водоснабжения и делает их еще более актуальными.
Пути рационального использования подземных вод предопределяются Генеральной схемой комплексного использования и охраны водных ресурсов СССР, а также перспективными и ежегодными планами рациональной эксплуатации и охраны водных ресурсов, которые являются составными частями соответствующих планов развития народного хозяйства СССР. Государственный учет подземных вод и их использования осуществляет Министерство геологии СССР. В соответствии с действующим положением Министерство геологии ведет государственный учет подземных вод и наблюдение за их режимом и качеством, обеспечивает заинтересованные организации данными о подземных водах и гидрогеологическими прогнозами, необходимыми для строительства и эксплуатации различных объектов (в том числе водозаборов подземных вод), а также организует контроль за уровнем загрязнения подземных вод.
Решения о проектировании систем водоснабжения принимаются исходя из схем народнохозяйственного развития и размещения производительных сил то отдельным экономическим районам на основе генеральных планов и районных схем водоснабжения, увязанных со схемами комплексного использования и охраны водных ресурсов. Проектирование систем водоснабжения осуществляется специализированными проектными организациями в полном соответствии с действующими положениями. Проект водоснабжения должен быть всесторонне обоснован и согласован с соответствующими органами (1, 2, 8, 9, 15, 19). Проект использования подземных вод для водоснабжения согласуется с органами санитарно-эпидемиологической службы и органами по регулированию использования и охране водных ресурсов.
Выбор источника водоснабжения и проект строительства водозабора обосновываются результатами специальных гидрогеологических и других видов исследований, которые на подземные воды проводятся специализированными гидрогеологическими организациями с разрешения союзно-республиканских геологических органов или территориальных геологических управлений. Объем и характер таких исследований на каждой конкретной площади определяется сложностью природных условий, размерами и характером водопотребления, стадией проектирования, степенью изученности гидрогеологических условий. Однако, как правило, данные гидрогеологических исследований должны быть достаточными для обоснованного решения всех вопросов проектирования водозабора подземных вод. В частности, для водозаборов со сметной стоимостью их строительства более 500 тыс. руб. (для объектов железнодорожного транспорта более 1 млн. руб.) выполненные исследования должны быть достаточными для изучения месторождения подземных вод и оценки его эксплуатационных запасов по промышленным категориям с утверждением их в Государственной или территориальной комиссиях по запасам полезных ископаемых. При меньших размерах капиталовложений на строительство водозаборов их проектирование и строительство допустимы без утверждения эксплуатационных запасов в комиссиях по запасам, что, однако, не исключает необходимости проведения гидрогеологических и других видов исследований для обоснования проектирования водозаборов подземных вод.
§ 1. Стадийность и задачи гидрогеологических исследований
В соответствии с общими принципами геологоразведочных работ и действующими положениями во избежание преждевременных и неоправданных затрат гидрогеологические исследования по изысканию, разведке и оценке источников (водоснабжения осуществляются в определенной последовательности, обеспечивающей проектирование и строительство водозаборных сооружений (4, 8, 9, 14—19). Обычно выделяются следующие стадии проведения исследований: поисковая, предварительная разведка, детальная разведка и эксплуатационная разведка. В зависимости от потребности в воде, сложности гидрогеологических условий и степени их изученности отдельные стадии исследований могут быть совмещены или полностью исключены. Однако для каждого конкретного объекта проектирования отступление от принятой стадийности должно быть соответствующим образом обосновано.
Гидрогеологические исследования на каждой из стадий выполняются по проекту, утвержденному соответствующими организациями (см. гл. I, § 3). Результаты работ каждой из стадий являются основой для составления проекта работ последующей стадии исследований и проектирования водоснабжения.
Следует отметить, что гидрогеологические исследования должны обеспечить обоснованный выбор источника водоснабжения и участка для заложения водозабора, дать надежную основу для оценки и прогноза условий работы проектируемого водозабора на весь расчетный срок его эксплуатации (во всех аспектах) и получить все необходимые для его проектирования и строительства материалы. Более дифференцированно, задачи гидрогеологических исследований рассмотрены ниже по стадиям их проведения.
Поисковая стадия. Целевое назначение работ этой стадии — выявление и выбор на основе предварительных данных перспективных для дальнейших разведочных работ и организации водозаборов подземных вод площадей (участков). Проведение поисков целесообразно при слабой гидрогеологической изученности района исследований, когда имеющихся геолого-гидрогеологических материалов недостаточно для выделения перспективных для разведки площадей. Одна из важнейших задач поисков — выявление основных закономерностей формирования и распространения подземных вод изучаемой территории. Решение этой задачи обеспечивает возможность обоснованного выделения перспективных для разведки площадей.
Поиски перспективных для водоснабжения месторождений подземных вод осуществляются либо в процессе планомерного государственного гидрогеологического картирования территории СССР (обычно в масштабах 1:200000—1:100000), либо путем проведения специализированных поисково-съемочных работ в районе объекта проектируемого водоснабжения. В первом случае обычно дается региональная прогнозная оценка естественных и эксплуатационных ресурсов подземных вод по всем перспективным площадям, во втором — осуществляется выделение и оценка перспективных площадей с учетом размещения и потребностей в воде конкретных водопотребителей.
Важнейшим этапом поисковых работ является сбор, обобщение и целенаправленный анализ материалов ранее выполненных в районе поисков геолого-гидрогеологических исследований и в том числе материалов многотомной монографии «Гидрогеология СССР». Для хорошо изученных в гидрогеологическом отношении районов задачи поисков, а иногда и. предварительной разведки могут быть решены камеральным путем.
В недостаточно изученных районах поисковые работы включают комплексную геолого-гидрогеологическую или гидрогеологическую (на готовой геологической, основе) съемку масштаба 1:200000–1:50000, бурение поисковых скважин, наземные и геофизические исследования в скважинах, пробные откачки, лабораторное изучение проб воды и горных пород, обследование и анализ условий работы действующих водозаборных сооружений, сбор гидрогеологических данных, топогеодезические и другие необходимые работы. Поиски обычно осуществляются вблизи объекта водопотребления (на расстоянии 10—30 км), хотя в отдельных районах при большой потребности объекта в воде и отсутствии местных источников водоснабжения эти расстояния могут составить 50—100 км.
Поисковые скважины целесообразно располагать по поисково-разведочным поперечникам, размещение которых осуществляется с учетом данных площадных геофизических исследований. В условиях степей, пустынь и полупустынь целесообразно применение геоботанических методов поисков. При глубоком залегании подземных вод (в крупных артезианских бассейнах и закрытых структурах) съемка нецелесообразна, основной упор в таких условиях делается на широкое использование геофизических исследований в сочетании с бурением и опробованием поисковых скважин.
В результате поисковых работ (на крупных территориях) должны быть выделены водоносные горизонты (комплексы) и участки, перспективные для постановки разведочных работ, дана прогнозная оценка эксплуатационных запасов подземных вод в пределах этих участков и установлена экономическая целесообразность и очередность их дальнейшего изучения.
Предварительная разведка. Цель разведочных работ этой стадии — предварительная оценка общей величины эксплуатационных запасов подземных вод в пределах выявленной в процессе поисков или по фондовым материалам перспективной площади (месторождения, отдельных участков месторождения) и обоснование целесообразности постановки детальной разведки. Предварительная разведка осуществляется при наличии заявленной потребности в воде, если выявленное на стадии поисков месторождение подземных вод (или его участок) по своим запасам, качеству вод и местоположению представляет промышленный интерес для последующего его освоения.
В процессе предварительной разведки изучаются основные особенности геолого-гидрогеологических условий месторождения подземных вод, определяются и предварительно оцениваются источники формирования эксплуатационных запасов, расчетные гидрогеологические параметры, санитарные и технико-экономические условия эксплуатации месторождения, его общие водные ресурсы и эксплуатационные запасы. Оценка эксплуатационных запасов проводится применительно к обобщенной схеме водозабора, в основном по перспективным категориям (С1 и С2, реже В) в пределах одного или нескольких перспективных для эксплуатации участков.
В общий комплекс работ предварительной разведки входят: гидрогеологическая съемка, бурение разведочных и наблюдательных скважин, опытно-фильтрационные работы, крупномасштабные площадные геофизические исследования и исследования в скважинах, отбор проб воды и пород и их лабораторное изучение, санитарное обследование площади, наблюдения за режимом подземных вод, топогеодезические работы и в необходимых случаях гидрологические, балансово-гидрометрические и специальные исследования (индикаторные, изотопные, ядерно-физические и др.).
Гидрогеологическая съемка (обычно в масштабах 1:50000–1:25000) проводится только в сложных природных условиях, когда изучаемые водоносные горизонты залегают неглубоко от поверхности и имеется возможность выявить при съемке условия их распространения, питания, разгрузки, изменения общей минерализации, если эти факторы не были изучены в процессе поисковых работ). В относительно простых природных условиях она заменяется рекогносцировочным обследованием изучаемой площади с сохранением других видов разведочных работ (буровых, геофизических и т. п.). По материалам съемки или рекогносцировочного обследования, а также площадных геофизических исследований намечаются участки для заложения профилей и отдельных разведочных скважин (расстояние между профилями для различных типов месторождений подземных вод принимается от 1 до
Из разведочных скважин осуществляются пробные и опытные (одиночные и кустовые) откачки для определения расчетных гидрогеологических параметров и качественной характеристики подземных вод изучаемых горизонтов (сокращенные и полные химические анализы с определением содержания вредных компонентов и бактериологической оценкой вод). Гидрологические и специальные балансово-гидрометрические исследования выполняются при оценке условий питания водоносных горизонтов и их взаимосвязи с поверхностными водами, специальные методы исследований — для оценки взаимосвязи водоносных горизонтов в разрезе и изучения гидрохимических и санитарных условий участка.
В результате проведения предварительной разведки должны быть оценены эксплуатационные запасы подземных вод по перспективным участкам (если их несколько), выполнена сравнительная оценка гидродинамических, санитарных и технико-экономических условий их эксплуатации и обоснована целесообразность проведения на той или иной перспективной площади детальных разведочных работ. Должны быть даны обоснованные рекомендации в отношении рациональной по сумме всех показателей схемы размещения будущего водозабора, методов оценки эксплуатационных запасов участка по промышленным категориям и решения других вопросов. В условиях крупного водоснабжения и при наличии нескольких возможных вариантов организации водоснабжения для решения вопроса о целесообразности проведения детальной разведки по тому или иному варианту может потребоваться составление технико-экономического доклада (ТЭДа) с соответствующими оценками, сопоставлениями и выводами (8, 14—16, 19).
В хорошо изученных и простых по гидрогеологическим условиям районах, где ресурсы подземных вод заведомо превышают потребность в воде, а участок под водозабор может быть выбран по фондовым материалам, предварительная разведка может не выполняться. В очень сложных гидрогеологических условиях (трещинно-карстовые и тектонические зоны), где для оценки эксплуатационных запасов необходимы длительные опытно-эксплуатационные откачки (гидравлический метод), предварительная разведка обычно совмещается с детальной.
Детальная разведка. Основные задачи детальной разведки — обоснование проекта строительства будущего водозабора и. оценка эксплуатационных запасов подземных вод применительно к намеченной рациональной схеме проектируемого водозабора по категориям, обосновывающим выделение капиталовложений на его проектирование и строительство. Детальная разведка проводится только при наличии заявленной потребности в воде по согласованию с Госпланом, Госсанинспекцией (при хозяйственно-питьевом водоснабжении), потребителем и местными органами по использованию и охране водных, ресурсов. Местоположение и размеры участков под детальную разведку определяются с учетом количества необходимой воды и требований к ее качеству, согласовываются с водопотребителей, землепользователем, проектной организацией и местными органами власти.
В процессе детальной разведки проводится изучение намеченного под водозабор участка с детальностью, обеспечивающей подсчет эксплуатационных запасов подземных вод по высоким категориям в требуемом их соотношении и получение материалов для проектирования новых водозаборных сооружений или расширения существующих водозаборов (4, 8, 9, 14—16, 19, 24).
Детальная разведка выполняется в основном в пределах площади эксплуатационного участка применительно к намеченной наиболее рациональной по сумме всех показателей схеме проектируемого водозабора. Этим и предопределяются в значительной мере характер и объемы выполняемых исследований, методика их проведения, глубина разведки и другие аспекты ее осуществления. В комплекс исследований при детальной разведке обычно входят: бурение разведочных, разведочно-эксплуатационных и наблюдательных скважин, проведение пробных, опытных (одиночных и главным образом кустовых) и опытно-эксплуатационных откачек, геофизические исследования в скважинах, наблюдения за режимом подземных и поверхностных вод и действующих водозаборов, лабораторные, гидрометрические и топогеодезические работы, специализированное обследование участка водозабора, технико-экономические исследования и т. п.
Заложение разведочно-эксплуатационных скважин и их конструкции должны обеспечивать их последующее (после выполнения разведочных функций) использование в качестве эксплуатационных скважин проектируемого водозабора, а разведочных и наблюдательных — для стационарных наблюдений при эксплуатации. Важнейшим видом работ при детальной разведке являются опытные откачки, которыми опробуются все разведочные и разведочно-эксплуатационные скважины участка.
По материалам разведки и обследования участков составляются гидрогеологические карты (глубин залегания, изолиний свободной или пьезометрической поверхности, фильтрационных свойств, химического состава и т. п.) в масштабах от 1:5000—1:10000 до 1:25000—1:50 000. На них наносятся все скважины, границы и объекты наблюдений, в том числе определяющие санитарную обстановку участка. Геолого-гидрогеологические карты и разрезы по району месторождения составляются обычно в масштабах 1:50000—1:100000 (для месторождений грунтовых вод или приуроченных к ограниченным в плане структурам) и 1:100000—1:200000 (для более крупных по размерам месторождений). Эти карты и построения используются для соответствующих оценок, прогнозов и обоснований.
В результате детальной разведки должны быть уточнены условия и источники формирования эксплуатационных запасов подземных вод, схема размещения эксплуатационных, резервных и наблюдательных скважин, оценены по высоким категориям эксплуатационные запасы и обоснован прогноз условий работы будущего водозабора (режим, дебиты скважин, изменение уровней и качества подземных вод, технико-экономические показатели работы водозабора и т. п.).
По результатам детальной разведки должен быть составлен отчет в соответствии с требованиями ГКЗ, отражающий результаты выполненных разведочных работ и содержащий оценку эксплуатационных запасов подземных вод по промышленным и перспективным категориям в соотношении, обеспечивающем проектирование и строительство водозаборных сооружений (9, 14, 16, 19). Детальная разведка считается завершенной после утверждения установленных эксплуатационных запасов подземных вод в Государственной или территориальной комиссиях по запасам полезных ископаемых (ГКЗ СССР или ТКЗ).
Эксплуатационная разведка. Исследования в процессе строительства водозабора и его последующей эксплуатации, входящие в комплекс эксплуатационной разведки, осуществляются в целях обеспечения надлежащего гидрогеологического надзора за строительством водозаборных сооружений, обоснования наиболее рационального режима и путей их эксплуатации, уточнения гидрогеологических условий эксплуатируемого месторождения и переоценки и прироста эксплуатационных запасов подземных вод, гидрогеологического обоснования условий и возможности дальнейшего расширения и развития водоснабжения и охраны подземных вод от истощения и загрязнения.
Исследования начинаются с организации квалифицированной гидрогеологической документации и опробования в период строительства водозабора и сети режимных скважин и включают комплекс необходимых исследований и инженерных мероприятий по постоянному оперативному контролю и управлению режимом эксплуатации водозабора в течение всего периода его работы. Комплекс исследований эксплуатационной разведки включает главным образом систематические стационарные наблюдения за подземными и поверхностными водами, за режимом эксплуатации водозаборных скважин (поведение уровня, дебитов, химического состава, температуры) и ходом сработай естественных и эксплуатационных запасов и ресурсов подземных вод. Кроме того, выполняются опытно-фильтрационные работы (особенно при строительстве водозабора и его расширении), отбор проб воды и контрольные лабораторные исследования, при необходимости бурение дополнительных наблюдательных и разведочных скважин, топогеодезические и гидрометрические работы, опыты по искусственному пополнению запасов подземных вод, повышению производительности водозаборных скважин и др.
В результате исследований на действующих водозаборах обеспечивается оперативный контроль и управление режимом их эксплуатации, уточнение гидрогеологических условий и повышение степени изученности месторождения с переоценкой эксплуатационных запасов по более высоким категориям и их приростом, эффективно решаются задачи расширения водоснабжения, пополнения запасов подземных вод, их рационального использования и охраны от загрязнения и истощения. Детально особенности проведения эксплуатационной разведки подземных вод рассмотрены в работе Н. И. Плотникова (15). Обстоятельное изложение вопросов поисков и разведки подземных вод для целей водоснабжения дается в работах.(3—7, 14—20).
§ 2. Некоторые особенности методики гидрогеологических исследований для целей водоснабжения. Типизация месторождений подземных вод
Некоторые особенности методики гидрогеологических исследований для целей водоснабжения. Особенности исследований для водоснабжения предопределяются многими факторами: размерами водопотребления, требованиями к качеству воды, типом месторождения подземных вод, степенью его сложности и изученности, стадийностью и условиями проектирования водоснабжения. Влияние их на методику проведения гидрогеологических исследований проявляется в различных аспектах.
При незначительном водопотреблении, когда задача водоснабжения объекта может быть решена сооружением одной-двух эксплуатационных скважин (некрупное водоснабжение), гидрогеологические исследования по установленным стадиям обычно не проводят. На основе анализа фактических материалов и исходных данных задания по району проектируемого водоснабжения составляется проект разведочно-эксплуатационных скважин (скважины), который включает рассмотрение геолого-гидрогеологических условий участка водоснабжения, выбор источника водоснабжения (водоносного горизонта или комплекса), обоснование места заложения скважины и проект по ее сооружению и опробованию. В процессе сооружения и гидрогеологического опробования скважина должна выполнить разведочные функции. После этого она передается в эксплуатацию. В процессе проектирования и опробования скважины с надлежащей полнотой должны быть решены вопросы, касающиеся режима и условий ее эксплуатации, оценки и прогноза качества воды, условий санитарной охраны водозабора и др. Для решения всех вопросов, связанных с проектированием разведочно-экплуатационных скважин и гидрогеологическим обоснованием условий их работы, помимо камерального анализа фондовых и литературных материалов и работ по документации и опробованию скважин целесообразны специальное рекогносцировочное и санитарное обследования района проектируемого водоснабжения, а также обследование и анализ условий работы действующих водозаборных сооружений.
К разряду некрупного водоснабжения, разрешаемого проектированием и сооружением разведочно-эксплуатационных скважин, относится водоснабжение небольших населенных пунктов и промышленных объектов, сельскохозяйственное, полевое и другие виды водоснабжения. Детально вопросы проектирования разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения рассмотрены в специальных работах (2, 3, 8, 19).
При значительной потребности объектов в воде для обоснования проектов водоснабжения, как уже отмечалось выше, необходимы поисково-разведочные работы для обоснования выбора источника водоснабжения и эксплуатационного участка качественной и количественной оценки и прогноза условий эксплуатации подземных вод с учетом удовлетворения заявленной потребности в воде и перспектив дальнейшего расширения водозабора, рационального использования охраны водных ресурсов района и т. д. Основной задачей, определяющей возможность организации водоснабжения; того или иного объекта, является выявление и оценка эксплуатационных запасов подземных вод в количестве, обеспечивающем заявленную потребность в воде.
Под эксплуатационными запасами понимается количество подземных вод, которое может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющем предъявляемым требованиям в течение всего расчетного срока водопотребления. Из этого определения (9) следует, Что при оценке эксплуатационных запасов должны быть в должной мере изучены и оценены качество, количество и условия эксплуатации подземных вод, а также их возможные изменения во времени. В зависимости от степени изученности достоверности определения указанных показателей установлены четыре категории эксплуатационных запасов – А, В, С1 и С2.К категориям А и В относят наиболее изученные по рассмотренным показателям эксплуатационные запасы, установленные, как правило, в результате детальной разведки подземных вод (эти категории называют также промышленными, так как на их основе разрешается проектирование и строительство водозаборных сооружений). Запасы, относимые к категориям С1 и С2, являются менее изученными, ориентировочно установленными в процессе поисковых работ или предварительной разведки (запасы этих категорий используются для перспективного планирования эксплуатации подземных вод). Более детально и дифференцированно требования к изученности эксплуатационных запасов различных категорий изложены в инструкции ГКЗ.
Проектирование более или менее крупных водозаборов допустимо лишь при условии обеспечения заявленной потребности в воде эксплуатационными запасами промышленных категорий, утвержденных Государственной комиссией по запасам, причем запасы категории А должны составлять не менее 50%. В сложных гидрогеологических условиях в связи с практической невозможностью и экономической нецелесообразностью доведения изученности запасов до категорий А и В допускается проектирование и строительство водозаборов при достигнутом в результате разведки соотношении запасов категорий А и В, в том числе и на базе запасов категории В. Проектирование и строительство более мелких водозаборов допустимо без утверждения эксплуатационных запасов в ГКЗ или при ином соотношении их категорий.
Качество подземных вод должно отвечать требованиям водопотребителя в течение всего расчетного срока эксплуатации-водозабора, и это необходимо доказать результатами соответствующих лабораторных определений и прогнозными расчетами.
В зависимости от назначения подземных вод выполняются химические, бактериологические и специальные виды анализов (см. гл. VI, § 2 и 3), количество которых устанавливается с учетом сложности гидрогеологических и гидрогеохимических условий участка и возможности их изменения в процессе эксплуатации водозабора. Достоверность выполняемых анализов должна быть подтверждена систематическими контрольными анализами, количество которых принимается до 10% от общего числа отбираемых проб (внешний и внутренний контроль). Отбор проб воды на анализы проводится из оцениваемого и смежных с ним водоносных горизонтов и поверхностных водотоков и водоемов. При этом на участке детальной разведки должны быть опробованы все учитываемые при оценке эксплуатационных запасов скважины, а также все другие водопункты, находящиеся в зоне влияния водозабора.
Таким образом, оценка эксплуатационных запасов подземных вод, являющаяся важнейшим и неотъемлемым звеном в проектировании водоснабжения, заключается в получении доказательств возможности эксплуатации подземных вод при дебите водозабора и качестве воды, удовлетворяющими требования потребителя в течение расчетного срока водопотребления (принимается обычно 25—30 лет). Эффективность работы водозаборного сооружения должна быть подтверждена технико-экономическими расчетами. Эксплуатационные запасы (производительность водозабора) следует считать обеспеченными, если величина понижения уровня подземных вод в скважинах водозабора на конец расчетного периода водопотребления не превышает допустимого понижения, устанавливаемого с учетом гидрогеологических и технических условий эксплуатации оцениваемого горизонта. Для безнапорных водоносных горизонтов оно обычно равно 0,5—0,75 мощности горизонта, для напорных — величине избыточного над кровлей напора плюс 0,5—0,75 мощности водоносного горизонта. Однако во всех водозаборных точках глубина динамического уровня воды в скважинах не должна превышать возможную для имеющегося насосного оборудования высоту подъема, а остаточный столб воды должен быть достаточным для обеспечения проектной производительности скважины и нормальных условий работы насоса. Если расчетами установлена экономическая нецелесообразность использования подземных вод в настоящее время (несоразмерно высокие затраты на обеспечение водоснабжения, малое количество воды, несоответствие качества воды предъявляемым требованиям и т. д.), то выявленные запасы относятся к забалансовым и расцениваются как возможный объект использования в будущем.
Методика гидрогеологических исследований для целей водоснабжения во многом зависит от того, каким методом будет осуществляться Оценка эксплуатационных запасов подземных вод изучаемого объекта. Метод оценки эксплуатационных запасов предопределяется в свою очередь гидрогеологическими особенностями объекта. Поэтому уже на основе анализа литературных и фондовых материалов либо по данным поисковых работ следует наметить расчетную схему и наиболее перспективный для рассматриваемых условий метод оценки эксплуатационных запасов либо их сочетание. Это, безусловно, будет способствовать более целенаправленному и эффективному проведению гидрогеологических исследований. Предварительно намеченная расчетная схема и метод оценки эксплуатационных запасов уточняются и конкретизируются в процессе исследований.
Наибольшее распространение в практике гидрогеологических исследований получил гидродинамический метод оценки эксплуатационных запасов, когда соответствующие оценки, прогнозы и обоснования даются на основе расчетов по формулам динамики подземных вод. Как известно, для использования этого метода необходимо изучить реальные гидрогеологические условия объекта и представить их в виде расчетной гидрогеологической схемы, для которой имеются аналитические решения.
Важнейшие задачи гидрогеологических исследований — установление границ и граничных условий области фильтрации, определение фильтрационных и других гидрогеологических характеристик продуктивного горизонта, изучение и оценка качества подземных вод основного и смежных с ним в разрезе горизонтов, оценка степени взаимосвязи подземных и поверхностных вод, выявление и оценка факторов, предопределяющих особенности движения подземных вод и их режима при эксплуатации.
В сложных природных условиях, достоверный учет и отражение которых затруднительны или невозможны в типовой расчетной схеме, оценка эксплуатационных запасов осуществляется с применением моделирования. В зависимости от сложности и степени изученности объекта моделирование может использоваться и как вспомогательный, и как основной метод оценки эксплуатационных запасов (6, 14—20). Особенности выполнения гидрогеологических исследований при использовании метода моделирования рассмотрены в гл. VII.
Гидравлические методы, основанные на широком использовании и экстраполяции эмпирических зависимостей, получаемых в процессе длительных опытных работ, целесообразно применять в сложных гидрогеологических условиях (резкая и неравномерная трещиноватость и закарствованность пород, сложная тектоника, высокая фильтрационная неоднородность пород), где затруднительно использование других методов, а также в районах действующих водозаборов с использованием данных эксплуатации.
Гидравлическими методами при установившемся режиме выясняется зависимость дебита скважин от понижения, и определяются «срезки» уровня взаимодействующих скважин, а в условиях неустановившейся фильтрации устанавливается эмпирический закон изменения уровней, соответствующий заданному водоотбору. Чтобы обеспечить комплексный учет всего многообразия влияющих на работу водозабора факторов и получить надежные эмпирические зависимости для прогноза поведения уровней, дебитов и взаимодействия скважин гидравлическим методом, необходимы длительные опытные работы. Так, для оценки эксплуатационных запасов подземных вод массивов трещинно-карстовых пород и зон тектонических нарушений нередко требуется проведение длительных (1—3 месяца и более) опытно-эксплуатационных откачек с дебитом, близким к проектному. При этом целесообразно совместить стадии предварительной и детальной разведки с выполнением, оценки эксплуатационных запасов по результатам длительных опытно-эксплуатационных откачек.
Ввиду того, что гидравлические методы не обеспечивают возможности прогноза изменения понижений уровня воды во времени и доказательств обеспеченности восполнения эксплуатационных запасов подземных вод, их необходимо применять в комплексе с гидродинамическими или балансовыми методами.
Балансовые методы, позволяющие установить на основе анализа водного баланса изучаемой территории обеспеченность восполнения эксплуатационных запасов, применяются обычно совместно с другими методами (гидравлическими, гидродинамическими), особенно в условиях ограниченных размеров области фильтрации, когда одной из важнейших задач выполняемых исследований является выявление и количественная оценка источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод. Это относится, в частности, к месторождениям подземных вод ограниченных по площади геологических структур и массивов трещинных и трещинно-карстовых пород, а также зон тектонических нарушений, особенно при расположении последних в аридных и полуаридных районах. Для выявления условий восполнения эксплуатационных запасов и оценки источников их формирования в таких природных условиях необходим специальный комплекс исследований, включающий стационарные гидрогеологические наблюдения, специальные балансово-гидрометрические и гидрологические исследования, опытно-фильтрационные, геофизические и другие работы. Важное значение балансовые методы приобретают и при региональной оценке эксплуатационных запасов, когда также чрезвычайно важно определить и оценить отдельные составляющие водного баланса, участвующие в формировании эксплуатационных запасов подземных вод. Общее представление о балансовой структуре формирующихся в процессе работы Водозабора эксплуатационных запасов Qэи возможных источниках их восполнения дает следующее уравнение:
(IX.1)
где Qeи Qи— соответственно естественные и искусственные ресурсы, характеризуемые расходом потока в естественных условиях и за счет искусственных мероприятий (пополнения); Veи Уи — соответственно естественные и искусственные запасы подземных вод, срабатываемые за время эксплуатации водозабора t; Qп— ресурсы, привлекаемые в процессе эксплуатации водозабора и развития создаваемой им депрессионной воронки (питание за счет притока поверхностных вод, увеличения инфильтрационного питания, перетекания из соседних водоносных горизонтов); a1, a2, аз, а4 — соответственно коэффициенты использования естественных и искусственных запасов и ресурсов подземных вод.
Как следует из уравнения (IX.1), эксплуатационные запасы оказываются обеспеченными на неограниченный срок, если дебит водозабора полностью компенсируется поступлением воды из области питания (Qe) или других источников восполнения (искусственные и привлекаемые ресурсы Qии Qп). При этом водозабор будет работать в условиях установившейся фильтрации (например, инфильтрационные водозаборы вблизи естественных или искусственных контуров питания). При отсутствии дополнительных источников восполнения запасов подземных вод (Qи=0, Vи=0, Qп=0) дебит водозаборов формируется за счет естественного расхода потока Qeи сработки естественных запасов подземных вод (емкостных и упругих). В таких условиях (при Qa>Qe) работа водозабора происходит в режиме неустановившейся фильтрации, а запасы оказываются обеспеченными на ограниченный по времени срок. Отмеченные особенности формирования эксплуатационных запасов следует учитывать при перспективной оценке различных источников водоснабжения и проведении гидрогеологических исследований для целей водоснабжения.
В условиях современной изученности гидрогеологических особенностей территории и все более широкого использования подземных вод весьма перспективным представляется применение для оценки их эксплуатационных запасов метода аналогии, основанного на доказательстве и соответствующем использовании сходства между изучаемым объектом и его природным аналогом (в качестве аналога рассматриваются изученные в гидрогеологическом отношении или уже эксплуатируемые объекты). Основной задачей выполняемых при этом исследований является доказательство частичного или полного сходства изучаемого объекта с его аналогом. Основное условие применения метода аналогий для оценки запасов — сходство сравниваемых объектов по типу основных источников формирования эксплуатационных запасов. Различия в значениях гидрогеологических параметров могут быть легко учтены введением соответствующих корректив.
Как показывает практика, в благоприятных условиях метод аналогий может применяться в качестве самостоятельного и обеспечивать достаточно достоверное определение эксплуатационных запасов. Возможно также его эффективное использование для решения частных задач и оценки параметров и факторов, достоверное определение которых на разведуемом участке невозможно, нецелесообразно или затруднительно. В частности, по аналогии может быть принята или уточнена расчетная гидрогеологическая схема, выявлены и оценены источники формирования и отдельные составляющие эксплуатационных запасов подземных вод (инфильтрационное питание, привлекаемые ресурсы поверхностных вод, естественные ресурсы и запасы), определены значения отдельных гидрогеологических параметров (водоотдача, коэффициенты перетекания, степень взаимосвязи подземных и поверхностных вод и др.). Особенно эффективным является использование метода аналогий для оценки эксплуатационных запасов и решения частных гидрогеологических задач, если в качестве аналога изучаемого объекта рассматривается действующий водозабор.
При планировании поисково-разведочных работ в сложных гидрогеологических условиях следует предусмотреть возможность комплексного применения нескольких методов оценки эксплуатационных запасов и соответствующим образом обеспечить целенаправленное проведение изысканий и получение наиболее полной необходимой исходной информации.
Типизация месторождений подземных вод. Эффективному проведению гидрогеологических исследований для целей водоснабжения способствуют разработанные применительно к оценке эксплуатационных запасов классификации и типизации месторождений подземных вод и накопленный опыт их разведки и геолого-промышленной оценки (4, 5, 14—17, 25).
Л. С. Язвин, развивая классификацию промышленных типов месторождений подземных вод Н. И. Плотникова (14), выделяет следующие основные типы месторождений подземных вод (25):
1) речных долин,
2) артезианских бассейнов платформенного типа,
3) конусов выноса, предгорных шлейфов и межгорных впадин,
4) ограниченных по площади структур или массивов трещинных и трещинно-карстовых пород и зон тектонических нарушений,
5) артезианских бассейнов складчатых областей,
6) песчаных массивов,
7) межморенных флювиогляциальных отложений,
8) области развития многолетнемерзлых пород.
Следует отметить, что удельный вес выделенных типов месторождений подземных вод как источников водоснабжения неодинаков. Подавляющее большинство, разведанных и эксплуатируемых в настоящее время месторождений относится к первым четырем типам, причем на долю месторождений речных долин приходится 60% от общего количества используемых эксплуатационных запасов подземных вод, в то время как доля последних четырех типов месторождений подземных вод не превышает 10%. Это объясняется сравнительной простотой разведки и промышленного освоения месторождений речных долин, а также тем, что существенное значение в формировании их эксплуатационных ресурсов имеют поверхностные воды, привлекаемые при работе инфильтрационных водозаборов. Это не исключает возможности того, что и другие типы месторождений подземных вод могут быть источниками крупного и среднего водоснабжения, иметь большое народнохозяйственное значение. Так, водоснабжение г. Минска почти полностью основано на использовании подземных вод флювиогляциальных отложений. Линзы пресных вод песчаных массивов являются нередко основным и единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения в аридных районах Казахстана и Средней Азии и т. д.. (4, 14—20, 25).
Выделенные выше типы месторождений подземных вод различаются по геолого-гидрогеологическим условиям, определяющим методику проведения поисково-разведочных работ и оценки их эксплуатационных запасов. По другим показателям, определяющим условия и особенности формирования эксплуатационных запасов подземных вод, возможно дальнейшее подразделение некоторых выделенных типов месторождений на подтипы и группы. Оно способствует более дифференцированному подходу к разведке и эффективному решению задач по обоснованной оценке эксплуатационных запасов подземных вод с учетом накопленного опыта и разработанных методических рекомендаций (|14, 16, 25).
При определении видов, объемов, методики и последовательности проведения поисково-разведочных работ следует учитывать специфические условия различных типов месторождений подземных вод и необходимость решения определенных задач на каждой стадии геологоразведочного процесса (см. гл. IX, § 1). Размещение разведочных и наблюдательных скважин должно обеспечивать изучение граничных условий водоносных горизонтов, источников формирования эксплуатационных запасов, расчетных гидрогеологических параметров, режима и качества подземных вод с детальностью, необходимой для выбора перспективного участка (на поисковой стадии) и рациональной схемы водозабора (на стадии предварительной разведки).
Так, при поисках и предварительной разведке месторождений подземных вод речных долин разведочные скважины следует располагать так, чтобы можно было проследить изменение литологических особенностей, мощности и фильтрационных свойств водовмещающих пород и качества подземных вод по характерным направлениям. Обычно их размещают по поперечникам, секущим долину и заканчивающимся на коренном берегу (по 4—5 скважин на поперечнике: вблизи русла, в тыловой части террас, в месте их причленения к берегу и на коренном берегу). Для увязки полученных данных допустимо заложение одиночных скважин между поперечниками. Расстояние между поперечниками принимается от 3—4 км на стадии поисков до 0,5—1 км на стадии предварительной разведки. На стадии предварительной разведки необходимы специальные кусты скважин для выяснения характера взаимосвязи подземных и поверхностных вод (наблюдательные скважины располагают по лучам, параллельным и перпендикулярным к реке). Количество кустов на каждом перспективном участке определяется геоморфологическими условиями и степенью однородности русловых отложений.
При поисках и предварительной разведке месторождений подземных вод артезианских бассейнов разведочные скважины целесообразно располагать по взаимно пересекающимся профилям для получения характеристики изменения фильтрационных свойств водоносных горизонтов и качества подземных вод по площади (вблизи границ пластов профили ориентируются нормально к границам). На стадии предварительной разведки при необходимости закладываются специальные опытные кусты скважин для изучения и оценки взаимосвязи продуктивного и смежных с ним в разрезе горизонтов. Для месторождений подземных вод, располагающихся в краевой зоне артезианских бассейнов, дополнительно определяются параметры продуктивных водоносных горизонтов в зоне их возможного осушения (в безнапорной зоне), условия питания, разгрузки и взаимосвязи с поверхностными водами.
На месторождениях подземных вод конусов выноса разведочные скважины для выбора перспективного участка следует располагать по профилю, проходящему от предгорий до периферии конуса, ниже участка выклинивания подземных вод с последующим (на стадии предварительной' разведки) разбуриванием на перспективных участках поперечных створов скважин глубиной 100—200 м (по 3—4 скважины на створе, расстояние между ними от 0,4—0,5 до 1—2 км). В обязательном порядке организуются стационарные наблюдения за режимом подземных вод с определением величины их питания и изменения родникового стока (особенно в период опытных откачек). При величине родникового стока ниже участка разведки, превышающей заданную потребность объекта в воде, оценка эксплуатационных запасов может быть дана по результатам предварительной разведки (без детальных разведочных работ).
При поисково-разведочных работах в пределах месторождений подземных вод, приуроченных к ограниченным по площади структурам и массивам трещинных и трещинно-карстовых пород, для выявления характера структур и закономерностей изменения фильтрационных свойств пород и качества вод по площади и в разрезе, а также оценки ресурсов подземных вод в большом объеме проводятся геофизические площадные исследования, бурение скважин и их опробование, специальные балансово-гидрометрические работы и стационарные наблюдения за режимом подземных и поверхностных вод и за работой действующих водозаборов. Разведочные скважины проходятся чаще по поперечникам, задаваемым через все месторождение. На месторождениях с неравномерной трещиноватостью и закарстованностью пород и сложными условиями питания и разгрузки подземных вод предварительная разведка совмещается с детальной, с обязательными длительными опытно-эксплуатационными откачками и оценкой эксплуатационных запасов подземных вод гидравлическим методом.
При разведке месторождений подземных вод, находящихся в тесной связи с поверхностными водами, являющимися основным источником формирования эксплуатационных запасов, должен быть проведен цикл гидрологических исследований для установления ресурсов и качества поверхностных вод и их изменения в сезонном и многолетнем разрезах. В результате исследований необходимо получить данные о режиме уровня реки и стока, сведения о мутности и химическом составе поверхностных вод, о деформационных процессах в русле и берегах, о промерзаемости поверхностных водотоков и водоемов, о границах затопления пойм, периодичности затопления и т. п. По данным режима уровня и стока должны быть установлены их максимальные и минимальные значения для лет разной водности, а также внутригодовое распределение стока 95%-ной обеспеченности и года проведения исследований.
Необходимые материалы по гидрологии района получают как при проведении гидрологических исследований на участке разведки, так и в результате сбора и анализа имеющихся материалов по изучаемым рекам и рекам-аналогам.
На стадии детальной разведки всех типов месторождений подземных вод разведочные и разведочно-эксплуатационные скважины следует располагать применительно к наиболее рациональной схеме водозабора (тип водозабора, количество скважин, их производительность, система их расположения), устанавливаемой по результатам выполненных поисково-разведочных работ на основе повариантных гидродинамических и технико-экономических расчетов. Количество разведочных и разведочно-экплуатационных скважин зависит от степени однородности фильтрационных свойств оцениваемого горизонта и должно составлять в относительно однородных породах 15—20%, а в неоднородных — 40—50% от числа эксплуатационных скважин проектируемого водозабора. В весьма неоднородных породах на месте каждой проектной скважины должна быть пробурена разведочная или разведочно-эксплуатационная скважина.
Для месторождений подземных вод, характеризующихся крайней невыдержанностью состава и мощностей водосодержащих пород (например, месторождений подземных вод флювиогляциальных отложений), целесообразно в местах бурения разведочно-экплуатационных (разведочных) скважин предварительно проходить картировочные скважины небольшого диаметра (разведочные стволы без обсадки трубами), чтобы обеспечить более целенаправленную их разведку и выявить наиболее рациональную схему будущего водозабора.
Необходимая глубина разведки определяется гидрогеологическими условиями месторождения. Водоносные горизонты небольшой мощности целесообразно вскрывать полностью до водоупорного ложа. В водоносных горизонтах значительной мощности сначала следует получить характеристику изменения фильтрационных свойств и химического состава подземных вод по вертикали (бурение скважин, геофизические исследования, опытно-фильтрационные работы), а затем, исходя из полученных данных, установить оптимальную глубину скважин, обеспечивающую наиболее эффективную работу проектируемого водозабора при заданной его производительности. Глубина бурения разведочных и разведочно-экплуатационных скважин на участке водозабора на стадии детальной разведки должна соответствовать проектируемой глубине эксплуатационных скважин.
Стационарные гидрогеологические наблюдения за режимом подземных вод (особенно для месторождений грунтовых и неглубоко залегающих напорных вод) следует начинать со стадии предварительной разведки с использованием некоторых водопунктов (см. гл. V, § 2). Период наблюдений должен быть не менее года (при разведке глубокозалегающих напорных горизонтов изучение режима может быть ограничено периодом детальной разведки). Совершенно обязательной является организация гидрогеологических наблюдений на действующих в пределах изучаемых месторождений водозаборах подземных вод. Обработка и анализ таких данных способствует более обоснованному выбору участков размещения новых водозаборов, их целенаправленному изучению и достоверной оценке эксплуатационных запасов подземных вод.
Детальное освещение вопросов поисков, разведки и оценки эксплуатационных запасов различных типов месторождений подземных вод и соответствующие примеры приводятся в специальных руководствах и работах (4—6, 14—20).
Оценка достоверности гидрогеологических прогнозов. Одним из важнейших вопросов, непосредственно связанных с объемами я методикой проведения поисково-разведочных работ и результатами оценки эксплуатационных запасов подземных вод, является оценка достоверности гидрогеологических прогнозов, выполняемых при расчете эксплуатационных запасов. В качестве критерия такой оценки Л. С. Язвин предложил принимать степень обоснованности исходных данных, используемых при гидрогеологических прогнозах (24). В частности, при оценке эксплуатационных запасов подземных вод основными исходными данными, предопределяющими достоверность выполняемых прогнозов и степень их соответствия фактическим показателям последующей эксплуатации, являются: 1) надежность установления основных источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод; 2) обоснованность определения значений расчетных гидрогеологических параметров; 3) выявление гидрохимических условий и возможных изменений качества подземных вод в процессе их эксплуатации. Ведущий фактор, определяющий достоверность оценки эксплуатационных запасов, — возможная степень достоверности установления основных источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод, находящих свое отражение в граничных условиях изучаемых, объектов.
Анализ опыта оценки эксплуатационных запасов подземных вод и условий эксплуатации действующих водозаборов свидетельствует о том, что в силу разнообразия природных условий и их сложности степень обоснованности получаемых в процессе поисково-разведочных работ и используемых при гидрогеологических прогнозах исходных данных не может быть одинаковой для различных типов месторождений подземных вод, а, следовательно, и требования к их изученности и категоризации эксплуатационных запасов должны быть дифференцированными. Об этом свидетельствует и то, что не все факторы, определяющие закономерности формирования эксплуатационных запасов, могут быть установлены в процессе проведения разведочных работ, так как их действие начинает проявляться только в условиях длительной -эксплуатации водозаборов (процессы упругого отжатия воды из слабопроницаемых отложений, перетекание, кольматация отложений, изменение гидрохимической обстановки). Поэтому при постановке и проведении поисково-разведочных работ и категоризации, устанавливаемых на их, основе эксплуатационных запасов следует учитывать требования, предъявляемые к изученности различных типов месторождений подземных вод и достоверности определения эксплуатационных запасов различных категорий. Эти требования установлены для различных по сложности геолого-гидрогеологических условий месторождений подземных вод, объединяемых в следующие три группы (23, 24):
Группа I— месторождения с простыми геологическим строением и гидрогеологическими условиями. Основные источники формирования эксплуатационных запасов подземных вод могут быть надежно установлены в процессе разведочных работ. Подземные воды движутся в пористых и равномерно-трещиноватых, однородных в фильтрационном отношении породах. Показательными примерами месторождений этой группы являются месторождения артезианских бассейнов платформенного типа, приуроченные к однородным пластам, месторождения речных долин с обеспеченным питанием подземных вод поверхностными и месторождения конусов выноса и межгорных впадин, а также линзы пресных вод с простой конфигурацией их границ.
Группа II— месторождения со сложными геологическим строением и гидрогеологическими условиями. Часть источников формирования эксплуатационных запасов может быть установлена в процессе разведочных работ надежно, часть — приближенно. Подземные воды приурочены к неоднородным и весьма неоднородным по фильтрационным свойствам трещиноватым и закарстованным породам, а также к пластам, резко неоднородным по мощности. Характерными примерами месторождений IIгруппы являются месторождения: артезианских бассейнов платформенного типа, вскрытые в неоднородных и весьма неоднородных породах, речных долин с периодическим восполнением запасов подземных вод, краевых частей артезианских бассейнов, ограниченных по площади трещинно-карстовых структур, воды в которых связаны с реками, флювиогляциальных межморенных отложений и линз пресных вод в сложных гидрогеохимических условиях.
Группа III— месторождения с очень сложными геологическим строением и гидрогеологическими условиями. Источники формирования эксплуатационных запасов могут быть установлены в процессе разведочных работ только приближенно. Подземные воды приурочены к весьма неоднородным в фильтрационном отношении неравномерно-трещиноватым и закарстованным породам локального распространения или пластам, осложненным тектоническими нарушениями.
Примерами месторождений IIIгруппы могут быть месторождения трещинно-карстовых и трещинно-жильных вод, не связанные с реками,- таликов в области развития многолетнемерзлых пород, месторождения краевых частей артезианских бассейнов в весьма неоднородных по фильтрационным свойствам горизонтах с неявно выраженными источниками формирования эксплуатационных запасов подземных вод.
Не исключено, что в зависимости от конкретных гидрогеологических условий месторождения одного и того же типа могут быть отнесены к разным группам по сложности их условий.
Наиболее высокая достоверность оценки эксплуатационных запасов подземных вод может быть обеспечена для месторождений первой группы, наименьшая — для третьей группы. Это обстоятельство дает основания для дифференцирования требований к соотношению эксплуатационных запасов подземных вод различных категорий, устанавливаемых в результате разведки различающихся, по сложности гидрогеологических условий месторождений подземных вод. Так, для месторождений подземных вод второй группы сложности считается возможным доводить степень их изученности до условий, обеспечивающих оценку эксплуатационных запасов в размере заявленной потребности по категориям В и С1 (соответственно по 50%), а для месторождений третьей группы сложности — до условий, обеспечивающих оценку эксплуатационных запасов по категорий С1.
Достоверность оценки эксплуатационных запасов существенно зависит от степени неоднородности фильтрационных свойств водовмещающих пород. Для предварительной характеристики степени; неоднородности изучаемых горизонтов могут быть использованы данные по удельным дебитам опробованных скважин. При этом следует учитывать, что в однородных пластах максимальные и минимальные удельные дебиты однотипно оборудованных скважин различаются не более чем в 5 раз, в неоднородных — в 5—10 раз и. в весьма неоднородных — более чем в 10 раз.
Однородные пласты обычно сложены зернистыми и равномернее трещиноватыми породами со спокойными условиями залегания, неоднородные — неравномерно трещиноватыми и закарстованными породами, а также довольно часто валунно-гравийно-галечными отложениями с разнозернистым по составу заполнителем, весьма неоднородные — крайне неравномерно трещиноватыми и закарстованными породами. Последние развиты чаще в складчатых областях и в пределах древних кристаллических щитов.
Другим критерием (при наличии соответствующих данных) может быть величина среднеквадратного отклонения логарифма водопроводимости σ lgТ: при σ <0,2 пласт можно считать однородным, при а равном 0,2—0,4 —неоднородным; при σ>0,4— весьма неоднородным.
Достоверность определения расчетных гидрогеологических параметров в пластах различной степени неоднородности зависит от количества определений, поэтому для обеспечения соответствующей степени достоверности определения расчетных гидрогеологических параметров и обоснованности оценки эксплуатационных запасов подземных вод по промышленным категориям можно руководствоваться следующими условными рекомендациями. В однородных и условно однородных пластах (обычно пески) общее количество точек опробования в схеме водозабора должно составлять 10—15%, а в неоднородных — 40—50% от числа проектируемых водозаборных скважин. В весьма неоднородных пластах следует стремиться к тому, чтобы все места предполагаемого размещения водозаборных скважин были, опробованы в фильтрационном отношении. На каждом конкретном объекте исследований виды и объемы опытно-фильтрационного опробования необходимо корректировать, учитывая опыт разведки месторождений подземных вод в аналогичных природных условиях.
Аспект качественной оценки, обеспечивающей достоверное определение эксплуатационных запасов подземных вод, предполагает выявление качества воды в пределах намечаемого к эксплуатации объекта и соответствие этого качества установленным кондиционным требованиям и условиям эксплуатации. Соответствующие требования к качеству воды при хозяйственно-питьевом водоснабжении определяются действующими государственными стандартами (ГОСТ 2874—73 и ГОСТ 2761—74), при производственно-техническом и других видах водоснабжения — соответствующими строительными нормами, правилами и техническими условиями (2, 3, 8, 9,14—17, 19)
§ 3. Технико-экономические обоснования при гидрогеологических исследованиях для целей водоснабжения
Технико-экономические расчеты при гидрогеологических исследованиях для водоснабжения выполняются с целью обоснования наиболее рационального комплекса необходимых исследований, определения экономической эффективности выполненных гидрогеологических исследований, сопоставительной оценки технико-экономических условий эксплуатации по различным вариантам водоснабжения (различающимся по источнику водоснабжения, по местоположению эксплуатационного участка, по схеме размещения и количеству водозаборных скважин и другим показателям устройства и эксплуатации водозабора), выбора наиболее рационального варианта организации водоснабжения и эксплуатации месторождения подземных вод, оценки основных технико-экономических показателей и экономической эффективности по обоснованному для проектирования варианту водоснабжения. Аспекты определения экономической эффективности поисково-разведочных на воду работ рассмотрены ранее (см. гл. I, § 5), поэтому здесь имеет смысл остановиться только на вопросах технико-экономической оценки проектных вариантов, их сопоставлении и определении экономической эффективности.
Технико-экономическая оценка проектных (или возможных) вариантов организации водоснабжения заключается в определении их основных технико-экономических абсолютных или относительных (сопоставительных) показателей.
Необходимость в определении абсолютных технико-экономических показателей возникает при оценке общей экономической эффективности проектируемого мероприятия, при обосновании целесообразности его осуществления либо при технико-экономической оценке принятого проектного варианта. Например, при геолого-промышленной оценке месторождения подземных вод, при обосновании целесообразности его промышленного освоения или при определении технико-экономических показателей окончательно принятой системы водоснабжения необходимо пользоваться абсолютными технико-экономическими показателями. При этом должен быть обеспечен учет и экономическая оценка влияния всех факторов по рассматриваемому варианту проектируемого мероприятия. Необходимость в сопоставительных (относительных) технико-экономических показателях возникает при определении сравнительной экономической эффективности различных вариантов одного и того же проектируемого мероприятия и выборе наиболее оптимального из них по экономической эффективности.
При этом учет и экономическая оценка влияния всех факторов по сопоставляемым вариантам проектируемого мероприятия не является обязательной. Они необходимы лишь для факторов, степень и характер влияния которых различаются по сопоставляемым вариантам. Так, нет необходимости в точной экономической оценке затрат, связанных с транспортировкой воды и ее подачей потребителю, если технико-экономическому сопоставлению подвергаются варианты водозабора подземных вод в пределах одного и того же эксплуатационного участка, различающиеся лишь схемой расположения скважин или способом их эксплуатации. Очевидно, что затраты будут одинаковыми для рассматриваемых вариантов водозабора и не повлияют на результаты их технико-экономического сопоставления.
Использование сопоставительных технико-экономических показателей позволяет определять не только наиболее экономичный вариант проектируемого инженерного сооружения в целом, но и выбрать наиболее экономичные решения по отдельным его звеньям (водозабору, системе сбора и транспортировки воды, зоне санитарной охраны и т. п.).
К основным технико-экономическим показателям, используемым при сопоставлении проектных вариантов системы водоснабжения (или отдельных ее звеньев) относятся объем капиталовложений К, характеризующий затраты на строительство системы (строительная стоимость), и эксплуатационные расходы Э, определяющие затраты на эксплуатацию ее в течение года. Наряду с годовыми эксплуатационными издержками целесообразно определять и удельные эксплуатационные расходы С, относимые к
Методика определения размеров капиталовложений, эксплуатационных затрат и себестоимости получения воды при решении задач водоснабжения достаточно детально рассмотрена в специальной литературе (2, 7, 19). Следует лишь отметить, что при определении капиталовложений учитываются также затраты на сооружение и оборудование скважин и зон санитарной охраны, на строительство зданий, сооружений, дорог, наземных коммуникаций и других объектов системы водоснабжения. При определении эксплуатационных расходов подлежат учету отчисления от всех видов капиталовложений на амортизацию, текущий и капитальный ремонт, зарплата обслуживающему персоналу со всеми видами отчислений, затраты на электроэнергию и прочие виды эксплуатационных затрат.
Приемы определения экономической эффективности планируемых мероприятий многообразны, но всегда они должны соответствовать основным положениям типовой методики определения экономической эффективности капиталовложений в народном хозяйстве (7, 8, 21). В соответствии с этой методикой для определения целесообразности и экономической эффективности эксплуатации подземных вод следует использовать показатели как общей, так и сравнительной экономической эффективности капиталовложений: первые главным образом для оценки рентабельности организации водоснабжения как мероприятия, вторые — для обоснования выбора наиболее рационального варианта осуществления этого мероприятия.
Для обоснования целесообразности капиталовложений в организацию водоснабжения следует использовать либо коэффициент общей экономической эффективности Е, либо обратный ему показатель — срок окупаемости капиталовложений Т, определяемые с учетом условной отпускной цены на воду Ц, себестоимости получения воды Сiи затрачиваемых капиталовложений Kiпо всем рассматриваемым вариантам:
или 
(IX.2)
Наиболее целесообразна Организация водоснабжения по варианту, обеспечивающему максимальный коэффициент общей экономической эффективности, либо минимальный срок окупаемости капиталовложений. При совпадении указанных показателей по двум сопоставляемым вариантам следует учитывать другие показатели (суммарную производительность водозабора Qi, перспективы развития и технические условия организации водоснабжения, производительность труда и т. д.).
При одинаковой суммарной производительности водозаборных сооружений по всем рассматриваемым принципиальным вариантам организации водоснабжения (либо при рассмотрении возможных решений поставленной задачи в пределах уже выбранного на основании приведенных выше формул варианта водоснабжения) возможно их прямое сопоставление по величине капиталовложений К и эксплуатационных затрат Э. Например, могут рассматриваться несколько вариантов организации водоснабжения одного и того же объекта с расположением водозабора на разных эксплуатационных участках или с разной схемой расположения скважин и т. д.
Экономически наиболее эффективным в таких условиях является вариант, обеспечивающий организацию водоснабжения объекта при минимальных капиталовложениях на строительство системы водоснабжения и минимальных затратах на ее эксплуатацию. Однозначное решение такой задачи, однако, не всегда возможно, так как на практике нередко менее капиталоемкие варианты организации водоснабжения требуют более существенных эксплуатационных затрат, и наоборот. Поэтому сопоставление вариантов, различающихся по размерам капиталовложений и эксплуатационных затрат (например, для двух вариантов при К1>К2 и Э1<Э2), целесообразно проводить, используя показатели сравнительной экономической эффективности: срок окупаемости дополнительных капиталовложений Тдк, коэффициент сравнительной экономической эффективности Едк и приведенные затраты Зп.
Превышение в капиталовложениях соизмеряется с экономией от снижения себестоимости. Соизмерение осуществляется следующими методами.
1. Сравнение вариантов по коэффициенту экономической эффективности. Коэффициент экономической эффективности определяется по формуле
, (IX.3)
где QΣ— суммарный водоотбор, м3/сут.
Таким образом, коэффициент экономической эффективности представляет собой отношение разницы в годовых эксплуатационных расходах или экономии по себестоимости за год к разнице в капиталовложениях по сравниваемым вариантам. Сравнивая полученный по формуле (IX.3) коэффициент экономической эффективности Ен с нормативным коэффициентом Едк, определяют наиболее эффективный вариант. Так, для предложенного выше примера сравнения двух вариантов (K1>K2, C1<C2), при Едк>Ен первый вариант является более эффективным, так как сравнительный коэффициент его экономической эффективности выше нормативного. При Едк<Ен более эффективен второй вариант и при Едк=Ен — сравниваемые варианты экономически равноценны. Подобным образом можно сравнивать любое количество вариантов, каждый раз сравнивая найденный лучший вариант со следующим. Действующий в настоящее время отраслевой нормативный коэффициент экономической эффективности в водном хозяйстве Едк=0,12.
2. Сравнение вариантов по сроку окупаемости. Срок окупаемости дополнительных капиталовложений для сравниваемых вариантов является величиной, обратной коэффициенту сравнительной экономической эффективности (см. формулу IX.3).
Методика определения оптимального варианта сравнением по сроку окупаемости аналогична изложенной выше. Сравниваемый вариант считается наилучшим, если срок окупаемости Тдк меньше нормативного Тн и т. д. Нормативный срок окупаемости в водном хозяйстве Тн=8—8,5 лет (12).
3. Сравнение вариантов по приведенным затратам. Этим методом можно из любого числа сравниваемых вариантов найти оптимальный по наименьшим затратам. Для определения «приведенных затрат» используются нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности Ен и отраслевой нормативный срок окупаемости Тн. Приведенные затраты 3п определяются по следующим формулам:
(IX.4)
(IX.5)
где Ki— капиталовложения по рассматриваемому iварианту, руб.; Сi—себестоимость добычи
Формула (IX.4) представляет собой сумму капиталовложений и эксплуатационных затрат на добычу воды за нормативный срок окупаемости. Формула (IX.5) отражает годовой экономический эффект по рассматриваемому варианту.
Наилучший из сравниваемых вариантов — вариант с наименьшими приведенными затратами. Выбор оптимального варианта можно проводить как на основе использования формулы (IX.4), так и на основе формулы (IX.5), а также при их совместном использовании пoобщей сумме приведенных затрат.
Сопоставление вариантов по приведенным затратам — более удобный метод, так как позволяет одновременно сопоставить любое число конкурирующих вариантов и расположить их по экономической эффективности. Экономически наиболее эффективным является вариант с минимальной величиной приведенных затрат.
Показатели сравнительной экономической эффективности могут быть использованы, если рассматриваемые варианты организации водоснабжения сопоставимы по производительности водозаборных сооружений и продолжительности их осуществления. При различной производительности водозаборных сооружений следует учитывать не общие, а удельные капиталовложения (приходящиеся на
Для выбранного любым из указанных выше методов варианта определяется годовой экономический эффект Эг по разности приведенных затрат между выбранным и конкурирующим вариантом (обозначен индексом 1):
Эr=Зп,1-Зп,2=Э1-Э2+Ен(К1-К2) (IX.6)
где Ен(К1—К2) —экономия капиталовложений, приходящаяся на один год нормативного срока окупаемости.
Более детально методика сопоставления проектных вариантов по показателям сравнительной экономической эффективности при решении задач водоснабжения изложена в работах (2, 7, 12, 19).
ЛИТЕРАТУРА
1.Материалы XXVсъезда КПСС. М., Политиздат, 1976, 256 с.
2.Абрамов Н. Н. Водоснабжение. М., Стройиздат, 1974, 480 с.
3.Белицкий А. С, Дубровский В. В. Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения. М., «Недра», 1974, 256 с.
4.Биндеман Н. Н., Язвин JI. С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М., «Недра», 1970, 216 с.
5.Бочевер Ф. М. Теория и практические методы расчета эксплуатационных запасов подземных вод. М., «Недра», 1968, 328 с.
6.Гавич И. К. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод методом моделирования. М., 1972, 98 с.
7.Глазунов И. С. Методические рекомендации по технико-экономическому обоснованию рациональных схем скважинных водозаборов при разведке подземных вод. М.,-«Недра», 1973, 129 с.
8.Госстрой СССР. СНиП Н-31—74. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М., Стройиздат, 1975, 150 с.
9.Инструкция по применению классификации эксплуатационных запасов подземных вод. М., Госгеолтехиздат, 1962, 86 с.
10.Климентов П. П. Методика гидрогеологических исследований. М., «Высшая школа», 1967, 422 с.
11.Климентов П. П., Кононов В. М. Динамика подземных вод. М., «Высшая школа», 1973, 440 с.
12.Кононов В. М. Сопоставление экономической эффективности вариантов разработки месторождений подземных промышленных вод. — Изв. вузов. Сер. «Геология и разведка», 1966,' № 5, с. 109—112.
13.Колбасов О. С. Водное законодательство в СССР. М., «Юридическая литература», 1972, 216 с.
14.Плотников Н. И. Поиски и разведка пресных подземных вод для целей крупного водоснабжения. Ч. 1 и 2. Изд-во МГУ, 1965, 1968, 713 с.
15.Плотников Н. И. Эксплуатационная разведка подземных вод. М «Недра», 1973, 296 с.
16.Поиски и разведка подземных вод для крупного водоснабжения. Под ред. Н. Н. Биндемана. М., «Недра», 1969, 328 с.
17.Поиски, разведка, оценка запасов и эксплуатация линз пресных вод М., «Недра», 1969, 304 с.
18.Прогноз водопритоков в горные выработки и водозаборы, подземных вод в трещиноватых и закарстованных породах. М., «Недра», 1972, 196 с.
19.Проектирование водозаборов подземных вод. Под ред. Ф М Бочевера М., Стройиздат, 1976, 292 с.
20 Региональная оценка ресурсов подземных вод. М., «Наука», 1975, 136 с.
21.Типовая методика определения экономической эффективности капитальных вложений. М., «Экономика», 1969. 14 с.
22.Шестаков В. М. Динамика подземных вод. Изд-во МГУ, 1973, 328 с.
23.Язвин Л. С. О принципах категоризации эксплуатационных запасов подземных вод. — Сб. «Вопросы оценки эксплуатационных запасов подземных вод». М. тр. ВСЕГИНГЕО, вып. 32, 1970, с. 4—14.
24.Язвин Л. С. Достоверность гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод (методические рекомендации). М., 1972, 149 с.
25. Язвин Л. С, Боревский Б. В. Типизация месторождений подземных вод. — Сб. «Вопросы оценки эксплуатационных запасов подземных вод». М., тр. ВСЕГИНГЕО, вып. 93, 1976, с. 4—14.