Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методы геофильтрационной схематизации и оценки запасов подземных вод речных долин Центрального Казахстана

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Методы геофильтрационной схематизации и оценки запасов подземных вод речных долин Центрального Казахстана"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ ШВОЛЩШ ГО (^ДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛСМОНОСОВА

Геологический факультет кафедра гидрогеологии

На правах рукописи СПЕПАНИЦЕВ Сергей Леонидович

УДК 556.332

МЕТОДУ ГЕ (ФИЛЬТРАЦИОННОЙ СХЕМАТИЗАЦИИ И ОЦЕНКИ ЗАПАСОВ. ПОДЗЕМНЫХ ВОД ШЧНЫХ ДОЛИН ЦЕНТРАЛЬНОГО КАЗАХСТАНА

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

АВТОШ&ЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1991

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Шестаков В.М.

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук, с.н.с. Панковский И. С. (ЦИГГЭ ПГО "Центргеология")

кандидат геолого-минералогических наук, с.н.с. Хордикайнен U.A. (ВСЕШНГЗО Мингео СССР)

Ведущая организация - Казахский институт минерального

сырья (КазШС)

Защита диссертации состоится I ноября 1991 года в 14 час. 30 мин. в аудитории 415 на заседании Специализированного Совета Д.053.05.27 при Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899 ГШ, г.Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Автореферат разослан 30 сентября 1991 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119899 ГСП, г.Мрсква, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, Ученому секретарю Специализированного Совета, доктору геолого-минералогических наук, профессору Л.С.Гарагуля.

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор Л.С.Гарагуля

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Засушливый климат Центрального Казахстана и бедность поверхностных водных ресурсов обуславливают постоянный дефицит воды хозяйственно-питьевого назначения. Практически единственным перспективным источником централизованного водоснабжения городов, поселков и крупных промышленных предприятий являются подземные воды, приуроченные к четвертичным аллювиальным отложениям речных долин. Методика оценки эксплуатационных запасов (ЭЗ) водоносных горизонтов в долинах рек с периодическим стоком была разработана Ф.М.Бочевером еще в середине 50-х годов. В соответствии с этой методикой к настоящему времени разведана и вовлечена в эксплуатацию большая часть месторождений подземных вод (МПВ), однако опит эксплуатации действующих водозаборов показывает, что подсчет ЭЗ выполнен с излишним запасом надежности и существует значительные резервы для увеличения водоот- . бора. Исследования последних лет показали, что условия формирования ШВ в речных долинах Центрального Казахстана характеризуются рядом особенностей, методика изучения которых в процессе разведочных работ и учета при оценке запасов разработана недостаточно. Это отражается на достоверности гидрогеодинамических прогнозов и эффективности проведения геологоразведочных работ. Кроме того, гидрогеологические условия ряда месторождений претерпели существенные изменения в результате интенсивной хозяйственной деятельности людей. Нельзя упускать из виду и то обстоятельство., что современный период характеризуется усиленным развитием методов интерпретации результатов гидрогеодинамических исследований и подсчета запасов, главным образом, с широким применением вычислительной техники. Вышесказанное обуславливает необходимость совершенствования методов геофильтрационной схематизации и оценки запасов подземных вод речных долин Центрального Казахстана. Рассматриваемые вопросы актуальны не только для долин рек "казахстанского типа", но и имеют более общее значение для речных долин с малой мощностью водоносного горизонта и периодическим стоком.

Целью работы является совершенствование и разработка методов геойильтрационной схематизации и оценки запасов подземных вод речных долин Центрального Казахстана в связи с рациональным использованием водных ресурсов.

Для достижения намеченной цели решались следующие основные задачи: I) Изучение закономерностей накопления аллювия и формирования ШВ современных речных долин Центрального Казахстана. 2) Разработка типизации ШВ по условиям формирования ЭЗ. 3) Обоснование методики гидрогеодинамических исследований. 4) Исследование пространственной изменчивости фильтрационных свойств аллювиальных отложений. 5) Изучение структуры формирования ЭЗ при водо-отборе на разных типах ШВ.

Методика выполнения работы включала анализ и обобщение фактического и литературного материала, полевые исследования при прс ведении разведки МПЗ в долинах рек, численные эксперименты и математическое моделирование изучаемых процессов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основе изучения закономерностей строения и накопления аллювиальных отложений выделен переходный тип аллювия от горного к равнинному - аллювий мелкосопочника, выявлены геолого-гидрогеологические особенности современного состояния речных долин.

2. Предложена типизация МПВ в речных долинах Центрального & захстана по условиям формирования ЭЗ.

3. На основе численной модели насыщенно-ненасыщенной фильтр) ции с учетом влагопереноса в осушаемой части пласта исследованы закономерности процессов осушения и насыщения и динамика гравитационной водоотдачи при откачке и восстановлении уровня для типичных схем строения безнапорного потока.

4. Разработан!!' новые положения методики оценки геофильтрационных параметров применительно к двум основным схемам откачки из безнапорного пласта: неограниченного в плане л вблизи реки, позволяющие избежать неоднозначности в определении параметров в условиях возможного влияния осложняющих проведение откачки факто

ров. Предложена модификация объемно-балансового метода, основанная на аппроксимации воронки депрессии гладкими функциями.

5. Изучены внутренние взаимосвязи и получены эмпирические зависимости между геофильтрационными параметрами, показателями гранулометрического состава и электрическими характеристиками пород, позволяющие эффективно использовать результаты литологической съемки и наземной геофизики для целей оценки запасов.

6. Показаны пути увеличения ЭЗ в долинах рек с периодическим стоком и способы расчеты, основанные на учете многолетней изменчивости естественных и привлекаемых ресурсов; доказана необходимость учета естественного загрязнения грунтовых вод в прогнозных оценках.

Практическая значимость. Выявленные закономерности формирования МПВ в речных долинах Центрального Казахстана и разработанные методы геофильтрационной схематизации и оценки запасов позволяют повысить достоверность гидрогеологических прогнозов, качество и эффективность проведения геологоразведочных работ. Результаты исследований дают возможность реализации наиболее оптимальных схем опытных кустов скважин с целью определения геофильтрационных параметров, позволяют целенаправленно использовать результаты литологической съемки и наземной геофизики для оценки запасов, а также цают возможность прогнозировать работу водозаборов с учетом осо-5енностей МПВ и влияния техногенеза.

Реализация результатов. Все методические приемы и основные голожения, разработанные автором доведены до практической реали-5ации при разведке ряда МПВ в долинах рек Центрального Казахста-ia, запасы которых утверждены ГКЗ СССР и ТКЗ ПГО "Центрказгеоло-рия". Кроме того, полученные в работе результаты вошли в научные >тчеты Карагандинской партии НИЧ кафедры гидрогеологии геслоги-îecicoro факультета МГУ.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докидывались на 31 конференции творческой молодежи ВСЕГИНГЕО (Моск-за, IS88 г.), на научно-техническом совещании молодых специалисте! [ГО "Центрказгеология" (Караганда, 1987 г.), на республикаской

школе передового опыта "Использование подземных вод для орошения" (Ашхабад, 1987 г.), на республиканском совещании "Проблемы техногенного загрязнения-подземных вод и прогноз изменения геологической среды (Алма-Ата, 1989 г.), на всесоюзной школе передового опыта "Методика проведения и интерпретации опытно-фильтрационных и опытно-миграционных работ при разведке подземных вод" (Москва, 1989 г.), на конференции молодых специалистов ПШШСа Госстроя РСФСР(Москва, 1989 г.) на ХУ1, ХШ и ХУШ научных конференциях молодых ученых геологического факультета МГУ (1989, 1990, 1991 гг.), на научном семинаре кафедры гидрогеологии геологического факультета МГУ "Математическое моделирование гидрогеологических процессов" (1989, 1990 гг.) По теме диссертации опубликованы 7 работ и 2 находятся в печати.

Объем работы: диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и выводов, содержит 145 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 60 рисунков; список литературы включает 150 наименований.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору В.М.Шестакову за постоянное внимание, большую научно-методическую помощь и поддержку в работе, а также вед.н.с. ПБИИИСа С.П.Позднякову за полезные советы и предоставленное программное обеспечение.

Автор искренне благодарит сотрудников кафедры гидрогеологии за конструктивные обсуждения результатов, а также сотрудников Карагандинской ГРЭ за помощь в проведении полевых исследований.

Содержание работы

Введение. Обосновывается актуальность работы и кратко изложены представления автора о разведке ШВ, под которой согласно Б.В.Боревскому (1986 г.) понимается Комплекс гидрогеологических работ и связанных с ними методов исследований, направленных на достижение намеченной цели - прогнозирования водоотбора. Структуру разведки можно представить в-виде взаимосвязанных блоков, основными из которых являются: условия формирования ЭЗ, геофильтра-

ционная схема и полевые гидрогеологические работы (методы исследований). Именно эти узловые позиции разведки ЭЗ ШВ требуют, на наш взгляд, специального рассмотрения и дальнейшего совершенствования.

Г л а в а I. Природные закономерности сформирования ШВ

Формирование фильтрационных свойств аллювиальных отложений обусловлено осбенностями их развития и осадконакопления. При этом основное внимание в геологической литературе (А.В.Кожевников,1966, 1985, И.П.Костенко, 1975, Ю.А.Лаврушин, 1965, 1966, А.А.Чистяков, 1978, Е.В.Шанцер, 1951, 1961, 1967) уделяется двум генетическим типам аллювия - горных и равнинных рек, а в качестве антипода горному вццеляется балочный аллювий. Между этими тремя типами существуют многочисленные промежуточные звенья, в качестве одного из которых могут рассматриваться аллювиальные отложения речных долин Центрального Казахстана - аллювий мелкосопочника, обладающий чертами, как горных, так и равнинных рек. Главными особенностями выделенного генетического типа, определяющими строение геофильтрационного разреза и изменчивость геофильтрационных параметров в плане являются: малая мощность водоносного'горизонта и незакономерная сме на фаций:преобладание руслового и старинного аллювия, редуцированность пойле иных фаций. Это обстоятельство приводит к тому, что на фоне хорошопроницаемых песчано-гравийно-галечных водоносных отложений наблюдаются невыдержанные слабопроницаемые прослои, а изменчивость фильтрационных свойств в плане, за исключением о(4щей тен денции к уменьшению проницаемости в бортах долины, не подчиняется никаким закономерностям.

Формирование естественного гидродинамического и гидрохимического режимов грунтовых вод аллювиальных водоносных горизонтов происходит за счет площадной инфильтрации атмосферных осадков и потерь части поверхностного стока (К.И.Сьиев, 1968, В.О.Напреев, 1979). При этом к характерным гидролого-гидрогеологическим особенностям можно отнести: совершенный характер взаимосвязи подземных и поверхностных вод, а также многолетнюю и внутригодовую изменчивость естественных ресурсов. Все реки "казахстанского типа" харак-

теризуются низкими значениями русловых сопротивлений ( Д L ) и резко выраженным весенним половодьем: до 95 % стока приходится на весенний период, а в летнее время реки пересыхают. В многолетнем разрезе серии относительно многоводных лет сменяются маловодными периодами. Максимальная продолжительность таких периодов составляет 5-9 и более лет.

Существенное влияние на формирование ЭЗ, главным образом, нижней части долины р.Нуры оказывают техногенные факторы, которые могут иметь позитивный и негативный характер (А.Л.Степанищев, 1988). В качестве позитивного фактора следует рассматривать попуски из канала Иртыш-Караганда в русло р.Нуры - естественной трассы переброски вод канала, в результате чего река приобрела практически постоянный поверхностный сток. К негативным факторам относится презде всего загрязнение промышленными стоками поверхностных вод р.Нуры. В результате этого в бассейне сложилась чрезвычайно сложная экологическая обстановка. Потенциальными загрязнителями подземных вод является нефтепродукты, фенолы, СПАВ, фосфаты, шахтные воды повьшенной минерализации и даже ртутные соединения. Взаимодействие всех естественных и техногенных факторов обуславливают формирование ЭЗ различных типов МПВ.

Г л а в а 2. Типизация МПВ

Большое разнообразие условий формирования ЭЗ и особенностей разведки МПВ предопределяют стремление гидрогеологов к обобщению и систематизации имеющихся данных. В связи с этим вопросам типизации (классифицирования) МПВ посвящены многочисленные публикации. Все существующие типизации в той или иной мере касающиеся речных долин можно условно разделить на: общие (Н.И.Плотников, 1965, Л.С.Язвин, Б.В.Еоревский, 1977, Б.В.Боревский, 1936 и др.), ре-• гиональные (С.М.Семенова-Ерофеева, I9S7, В.И.Белянин, 1982 и др.) и специальные (Е.Л.Минкин, 1973, И.К.Невечеря, 1378, Л.А.Субботина, 1979, Р.С.Штенгелов, 1988, К.И.Сычев, 1968, А.Л.Степани-• щев, 1988, М.МЛерепанский, 1983, А.В.Федоров, 1984 и др.). Их

отличие состоит в объекте типизации и принципах, на основе которых проводится выделение таксономических единиц. Применительно к задачам оценки ЭЗ все типизации направлены на оптимизацию поисково-разведочных гидрогеологических работ.

Принимая за основу общую типизацию Б.В.Боревского (1986), в рамках типа I - МПВ в речных долинах, нами на основе особенностей строения и накопления аллювиальной толща выделен подтип 1В -МПВ в речных долинах мелкосопочника. Критерием для выделения видов выбран преобладающий источник формирования ЭЗ, что отражено в названия видов: 1В1 - периодического питания за счет потерь части поверхностного стока рек, 1В2 - сезонного питания за счет площадной инфильтрации атмосферных осадков и 1ВЗ - постоянного питания за счет попусков из каналов и водохранилищ (или техногенные ШВ). Эксплуатационный водоотбор ЫПВ первого вида обеспечивается, главным образом, привлекаемыми ресурсами, сработкой естественных запасов и в меньшей степени естественными ресурсами. Практически равноценные источники формирования ЭЗ ШВ второго вида - естественные запасы и естественные ресурсы. Водоотбор на МПВ третьего вида компенсируется питанием из каналов и регулирующих водохранилищ.

Разработанная типизация является логическим развитием типи-заций Б.В.Боревского (1986) и К.И.Сычева (1967) и в общих чертах отражает особенности ШВ, выделяемые А.Л.Степанищевым (1988). Предлагаемая типизация МПВ в речных долинах Центрального Казахстана по условиям формирования ЭЗ позволяет выделить факторы, подлежащие изучению с точки зрения возможного влияния эксплуатации на изменение гидрогеологических условий, а также целенаправленно и эффективно организовать постановку разведочных работ.

В соответствии с условиями формирования выделенннх типов ШВ требует корректировки постановка и интерпретация основных методов полевых гидрогеодинамических исследований с целью определения и картирования геофил^рационншс параметров.

Г л а в а 3. Методика проведения

гидрогеодинамических исследований

Основным методом оценки геофильтрационных параметров являются опытные кустовые откачки, которые в условиях речных долин Центрального Казахстана проводятся применительно к двум основным схемам откачки из безнапорного потока: неограниченного в плане и вблизи реки. Определяемые параметры - проводимость пласта (Т).гравитационная водоотдача ) и сопротивление ложа реки (Л L).

Формирование воронки депрессии при откачке из безнапорного (или двухслойного) пласта осложняется двумя факторами, приводящими к характерной форме кривых временного прослеживания, которые не отвечают уравнению Ч.Тейса. К этим факторам относятся наличие вертикальных фильтрационных сопротивлений и так называемая динамика водоотдачи, связанная с влагопереносом в осушаемой части пласта. В многочисленных публикациях до сих пор ведется дискуссия по поводу того, что же является главным фактором.

Первая математическая модель, достаточно хорошо описывающая процесс откачки предложена Н.Болтоном ( fl. boSton, 1963), физическое объяснение которой дал В.М.Шестаков (1967) в своей модели капиллярной каймы, основанной на замене реальной капиллярной зоны - полностью водонасыщенной эффективной капиллярной каймой. В.М.Шестаков и Т.Д.Стрельцова (1967), а позже Ш.Нейман (S. И гитан,1972) показали, что существенную роль в процессе откачки играют вертикальные фильтрационные сопротивления потока. Исследованиями В.Брутсэрта, Т.Д.Стрельцовой, Н.Мейера ( $, Неи-т.апД979), а также И.СЛашковского (1983) и С.П.Позднякова, В.М.Шестакова (1982) показана подчиненная роль насыщенного потока воздуха в процессе замедления водоотдачи. На основе анализа численных экспериментов на модели откачки с учетом влияния ненасыщенной зоны Р.Кулей, С.Кейз, У.Крожинский и Г.Дэгэн ( К.Ссо<?еу, С. Case f W3, U .Kxd^skc, W5)

¡лают вывод о слабом влиянии ненасыщенной зоны на режим снюхе-ш уровня и выделяют ведущую роль вертикальных сопротивлений, » основании чего Ш.Нейман (5. Неитап, 1979) заключил, что )лыиинс*гво исследователей пришли к единому выводу.

Вместе с тем многие исследователи отмечают, что коэффици-гт емкости, определяемый способом Джейкоба по этапу гравитади-шого режима увеличивается во времени и асимптотически прибли-¡ется к некоторому конечному значению, а ошты в высоких ко->ннах (О.Н.Косова, 1962, Б.М.Кивова, 1957, Н.З.Моркос, 1970) шдетельствуют о том, что замедление водоотдачи проявляется п одномерных потоках.

С целью выявления основных факторов, влияющих на ход филь-гационного процесса яри откачке и разработки методики досто-фной интерпретации опытных данных, проводилось численное моде-[рование откачек с учетом влагопереноса в зоне неполного насы-¡ния. При этом использовалась модель насыщенно-ненас:'.ценной [льтращш в квазидвумерной постановке, описывающая горизонталь-то осесимметричную фильтрацию и вертикальный влагоперекос З.П.Поздняков, С.Л.Степанищев, 1991).

Для оценки корректности выбранной модели проводилось чис-¡нное моделирование опытных откачек, проведенных в условиях [пичных схем строения безнапорного пласта: откачка из аллюви-сьных песчано-гравийных отложений, откачка из намывных средне-!Лкозернистых песков и откачка из среднезернистых Флювиогляш-ъных песков. Все опыты были грамотно организованы: включали ютаточное количество наблюдательных пьезометров с их дифферен-[ацией по вертикали и соп;-озо:.;;::.*;::сь лаборатор:и:ш и полевыми щрофизическими исследованиями. Результаты моделирования покатают хорошее совпадение натурных и модельных индикаторных зафиков, что свидетельствует о корректности выбранной модели.

В процессе моделирования опытных откачек проводилась оцен-1 чувствительности численной модели к изменению параметров

геофильтрации и влагопереноса, а также исследование процессов осушения и насыщения при откачке и восстановлении уровня для следующих типичных расчетных схем строения: I - однородный пласт (Ка = Кг ), 2а - однородный анизотропный пласт (Ка < К-, ), 26 - однородный анизотропный пласт с неглубоким залеганием У1В ( г < 31^), 3 - двухслойный пласт, 4 - двухслойный пласт с . неоднородным покровом. Результаты представлены в виде графиков зависимости относительной водоотдачи и безразмерных изменений уровня в основном пласте и на свободной поверхности от логарифма приведенного времени, анализ которых показывает:

- изменения уровня в основном плате и на свободной поверхности и динамика водоотдачи оказываются наиболее чувствительны к изменению параметров Ка/Кг и ;

- процессы влагоперноса в осушаемой зоне слабо влияют на ход формирования воронки депрессии в основном пласте, а, следовательно, и на определение проводимости. Поэтому этот параметр можно получить общепринятыми способами: по временному» комбинированному и площадному прослеживаниям, различными модификациями эталонных кривых и автоматизированным подбором параметров на основе схемы двухслойного пласта;

- в связи с неустановившимися процессами перераспределения влаги в зоне неполного насыщения при перемещении уровня СП водоотдача не сразу достигает предельных значений: время стабилизации (а и ее расчетное значение определяется в зависимости от гидрофизических характеристик и схем строения. Динамика водоотдачи проявляется и при восстановлении уровня. Гистерезис ^ и кривых изменения уровня при откачке-восстановлении наблюдается на модели при близком залегании УГВ (когда капиллярная кайма ока зывается срезанной) и неоднородном строении полова (слоистом строении водовмещающих отложений). В последнем случае динамика

р может иметь весьма сложный характер.

Для условий безнапорных анизотропных (К, /К,, «г 0,5 - 0,1) водоносных горизонтов с коэффициентами фильтрации 10 - 100 м/сут

фвмя стабилизации водоотдачи соизмеримо с временем проведения юыта. Это обстоятельство позволяет определять /4 в процессе ткачки. В качестве альтернативных вариантов достоверного опре-.еления ^ при откачке из безнапорного пласта следует рассмат-|ивать автоматизированный способ на основе схемы двухслойного ласта и объемно-балансовый метод (ОБМ). В последнем случае ин-егральное значение ц рассчитывается как отношение суммарного бъема извлеченной воды ((} • ) к объему воронки депрессии (V"), ормирующейся в процессе откачки за время t : ¡л = Ч^/У . реимуществом СЕМ является то, что он на требует априорного ис-ользования какой-либо расчетной геофильтрационной: модели откач-и.

Перспективной модификацией ОШ, разрабатываемой автором, вляется предварительная аппроксимация кривой площадного проезживания аналитической зависимостью с последующим интегрирова-ием для определения объема воронки депрессии. Принимая во вни-ание осесидаетричннй характер фильтрации при откачке в качестве цобннх-кривых аппроксимирующих зависимость понижения от 'радиаль-зй координаты нами (С.ПЛоздняков, С.Л.Степанищев, 1991) прелагается использовать функции Тейса V/ ( м ) и Бесселя Ко( 1 ), зязанные с соответствующими фундаментальными решениями задач зории скважин. При этом целесообразно в каждый расчетный момент эемени по экспериментальным точкам подбирать зависимость пони-эния свободной поверхности от расстояния в виде: Э"( ^ ) = V/ ( Л Iх ) или 8°( * ) = АКо (<¿10» где А и Л - эмпирические )эффициантн, определение которых возможно либо автоматизировании, либо графическим способом. Объем воронки депрессии V , лисляемый как будет соответственно равен г Ал

2.x Ах 1 , а формулы для расчета гравитационной водоотдачи 'дут иметь следующий вид: р * Ч**/* А и ц = (Н^/азгА • »зможность применения предлагаемой версии СИЛ обоснована расче-1ми водоотдачи на различные моменты времени по данным численно-

го моделирования откачек.

Ход фильтрационного процесса при откачках вблизи реки, помимо динамики гравитационной водоотдачи и вертикальных сопротивлений потока осложняется профильной неоднородностью водоносного пласта. В результате сложного взаимодействия этих факторов этапы упругого, ложностационарного и гравитационного режимов откачки оказываются сглаженными, а уверенное выделение стационара может быть осложнено влиянием колебаний уровня воды в реке. Игнорирование этих факторов приводит к грубым ошиб1р< при оценке геофильтрационных параметров. В качестве примера, подтверждающего это положение, в работе приводится интерпретация и моделирование откачки вблизи реки Нуры на специально организованном опытном кусте скважин.

Принципиальный момент при интерпретации нестационарного реж! ма откачки у реки - соответствие способов определения параметров пришлой расчетной схеме. Геолого-гидрогеологические особенности современного состояния речных долин обуславливают отклонение хода фильтрационного процэсса от схемы изолированного напорного пласта, в связи с чем применение способов временного, комбинированного прослеживания и эталонных кривых для оценки проводимости пласта не корректно.

Опыт интерпретации откачек у реки с целью получения проводи' мости пласта и сопротивления ложа реки показывает, что следует ориентироваться на обработку стационарного режима автоматизированными способами - итеративным или явно-итеративным (И.К.Невечера» В.М.Шестаков, 1991) на основе точного или приближенного решений. Причем вследствие низких значений А А (первые метры и десятки метров), получаемых при интерпретации откачек, оценка этого параметра становится второстепенной задачей.

Учет колебаний уровня воды в реке целесообразно проводить по скважине-аналогу, расположенной вне зоны влияния откачки, но в идентичных гидрогеологических условиях, что и опытный куст.

Основой для внесения корректив являются режимные наблюдения до и в процессе откачки, по которым устанавливаются необходимые корреляционные связи.

Для учета всех возможных -факторов, осложняющих проведение и интерпретацию опытных откачек в долинах рек Центрального Казахстана необходимо тщательное планирование полевых экспериментов. В опытном кусте следует задавать не менее трех совершенных наблюдательных скважин для определения Т (д А ), а для оценки нужно предусмотреть 4-5 пьезометров на СП. Расстояние до наблюдательных точек будет пропорционально мощности пласта (11 =

... 15= (8 - 10) &<,), а продолжительность откачки составит 3-5 суток.

Для выявления закономерностей пространственного изменения фильтрационных свойств с целью обоснования геофильтрационной схемы участка помимо результатов 0£Р полезным шагом оказывается привлечение данных литологической съемки (бурения) и наземной геофизики (вертикальных электрических зондирований). Основой-для этого являются корреляционные связи между коэффициентом фильтрации (К), эффективным диаметром частиц () и удельным электрическим сопротивлением пород ( / ).

Существует довольно много предложений по определению коэффициента фильтрации песков по их гранулометрическому составу, основанных на моделях идеального (попытка найти теоретическое описание состояния грунта-модель Козени) или фиктивного грунта (попытка представить реальный грунт фиктивным с эффективным диаметром частиц). Для установления корреляционных связей использовались результаты 18-ти наиболее представительных кустовых опытов с необходимым комплексом сопутствующих работ, выполненных при гидрогеологических исследованиях в долинах Центрального Казахстана. Анализ эмпирических зависимостей показывает, что наилучшая связь (коэффициент корреляции * = 0,88) для условий речных . долин Центрального Казахстана получается при использовании

de = ejj7, а уравнение регрессии имеет вид К = 530 d , где К измеряется в м/сут, d ^ - в мм.

Уравнение регрессии, характеризующее связь между коэффициентом фильтрации, определенным по кустовым опробованиям и удельным электрическим сопротивлением пород,имеет следующий вид: игК = 0,9 + 0,8&ir , а коэффициент корреляции, равный 0,85, свидетельствует о тесной взаимосвязи между рассматриваемыми параметрами. Теоретическое обоснование вида этой связи получено с позиций электрохимии (М.Г.Латылова, 1955).

Многие исследователи (Н.Н.Шарапанов, Г.Я.Черняк, 1973, , В.В.Кормильцев, 1976, В.А.Комаров, 1980) отмечают, что взаимосвязь между параметрами имеет многомерный характер и для обоснования требует множественной корреляции. Однако зависимости такого типа пока не получили широкого практического использования.

Совместное использование параметров dj^ и f позволяет оценить проницаемость водоносного горизонта более достоверно, чем при оценке К только по d ^ или по У . Так, при отборе проб водонасыщенных отложений на грансостав обычно вымывается глинистая фракция, которая во многом определяет проницаемость водоносного горизонта. Но эта же фракция учитывается в суммарных значениях J> . С другой стороны, значения J> оказываются неустойчивыми по отношению к минерализации подземных вод, чего нельзя сказать об эффективном диаметре частиц грунта и т.д.

Проведенные численные эксперименты по выявлению корреляционной связи на модели множественной регрессии показали, что наибольшее значение коэффициента множественной корреляции ( 1 = 0,92) достигается, если связь меаду параметрами представляется в виде: I

U к = а. ♦ <*л * аг in. d1T f откуда можно получить: a

К = % d^ , 6 = 370 + 120 & diT f

С = 1,14 - 1,6;

где ао,1(2 ~ численные коэффициенты.

Предполагалось, что устойчивая связь между эффективным диаметром и сопротивлением отсутствует. Заметим, что могут быть и другие пути решения этой задачи.

Г л а в а 4. Гиотюгеодлнамические расчеты водозаборов подземных вод

Оценка ЭЗ в долинах рек с периодическим стоком выполняется аналитическим способом на основе реализации заведомо жесткой ресчетной схемы (Ф.М.Бочевер, Е.А.Кожевникова, 1957, Ф.М.Боче-вер, 1968, Н.Н.Биндеман, Л.С.Язвин, 1970): сработка емкостных запасов в течение максимально возможного маловодного периода с последующим их полным возобновлением за ряд многоводных лет. Расчет выполняется, исходя из допущения, что предстоящий многолетний период будет аналогичен прошедшему, а маловодными считаются те годы, когда среднегодовые значения объемов стока не превышают среднемноголетнего. На участках долин с постоянным стоком за счет попусков из канала Иртш-Караганда расчеты проводятся по уравнению стационарной фильтрации с контуром постоянного напора (И.Н.Биндеман, Л.С.Язвин, 1970, В.М.Шестаков, 1979). При этом не учитываются плановая неоднородность водоносного горизонта, сложные условия питания (возможность отрыва уровня, многолетняя изменчивость естественных и привлекаемых ресурсов), возможность подтягивания некондиционных вод к водозабору, а также площадное расположение водозаборных скважин. Все это приводит к упрощенной и излишне жесткой схематизации гидрогеологических условий, а опыт эксплуатации, действующих водозаборов в речных долинах показывает, что существуют значительные резервы для увеличения водо-отбора. Это положение раскрывается на примере типичных ШВ в долинах рек Центрального Казахстана, выбору которых предшествовал

специальный анализ их представительности.

Два объекта выбраны в средней части долины р.Нуры ("Верхний бъеф" и Нижнекиевское ШВ) на участке с интенсивными техногенными изменения, обусловленными постоянными попусками из канала в русло реки, промышленным и естественным загрязнением и мощным эксплуатационным водоотбором. На этих объектах решалась задача оптимизации водоотбора и охраны подземных вод от истощения и загрязнения. Решение поставленных вопросов осуществлялось при помощи математического моделирования. При обосновании геофильтрационных схем ШВ использовались методы гидрогеодинамичес-ких исследований, рассмотренные выше.

На основе разработанной региональной постоянно-действующей модели ШВ "Верхний бъеф" показано, что достигнутый водоотбор является далеко не предельным. Имеется реальная возможность его увеличения почти в два раза при сохранении существующей схемы водозаборного сооружения за счет приобретения р.Нурой практически постоянного стока, увеличения и перераспределения нагрузок на скважины, учитывающих неоднородность водоносного горизонта и возможность отрыва уровня от реки.

Обоснованию возможности водоотбора на Нижнекиевском ШВ предшествовал внимательный анализ качества подземных и поверхностных вод. Анализ различных схем расположения берегового водозабора относительно границ некондиционных вод позволил на основе решения серии геофильтрационных и геомиграционных задач обосновать оптимальную схему водозабора. При этом равноценными осложняющими эксплуатацию водозабора факторами являются возможность подтягивания некондиционных вод из реки и со стороны бортов.

Верхненуринское и Теребутакское Г,"ИВ располагаются соответственно в верховьях рек Нуры и Теребутака и характеризуются естественными условиями .формирования, а эксплуатация водозаборов направлена на сработку естественных запасов водоносного горизон-

та. Увеличение водоотбора на этих участках возможно за счет более внимательного учета источников форг.стрования ЭЗ, к кото-рил относится ежегодное минимальное питание за счет привлекаема л естественных ресурсов в течение маловодного периода.

Частичное ежегодное восполнение подземных вод при оценке запасов £ долинах рек с периодическим стоком можно учитывать расчетом оптимальной продолжительности периода сработки запасов (А.Л.Степанищев, С.Л.Степанжцев, 1987). Последний рассчитывается как отношение дефицита питания в засушливый период к проектному водоотбору. Такой методический ход позволил получить прирост запасов на Верхненуринском МПВ на 10>% по сравнению с утвержденными ранее.

Другой дополнительный источник питания - инфильтрация атмосферных осадков, ежегодно формирующихся на площади месторождения. При описании этого процесса необходимо учитывать трансформацию и передвижение влаги в системе "атмосферные осадки -воды зоны аэрации - подземные воды", а также многолетнюю изменчивость естественных ресурсов. Учет всех составляющих баланса обосновывается с применением вероятностно-детерминированной модели (С.П.Поздняков, 1991) на примере Теребутакского МПВ. В результате проведенного численного моделирования среднемного-летняя величина интенсивности инфильтрации на площади месторождения составила Ю-4 м/сут, а величина расхода инфильтрации Ъ% обеспеченности оказалась равной 5 тыс.м /сут. Это значение, на наш взгляд, может с достаточной степенью надежности рассматриваться как дополнительный источник формирования ЭЗ. Полученная величина расхода инфильтрации оказалась соизмеримой с проектным эксплуатационным водоотбором в пределах участка (15 тыс. м3/сут).

ВЫВОДЫ

1. Сравнительное исследование формирования аллювиальных отложений горных и равнинных рек позволило выделить переходный тип аллювия - так называемый аллювий мелкосопочника, закономерности накопления которого обуславливают возможность формирования в аллювиальных коллекторах месторождений подземных вод и их важные гидрогеологические особенности. К особенностям, определяющим строение геофильтрационного разреза и изменчивость фильтрационных свойств в плане, относятся малая мощность водоносного горизонта и незакономерная смена фаций - преобладание руслового и старичного аллювия, редуцированность пойменного. Это обстоятельство приводит к тому, что на фоне хорошопроницае-мых песчано-гравийно-галечных водоносных отложений наблюдаются невыдержанные слабопроницаемые прослои. Изменение фильтрационных свойств в плане, за исключением общей тенденции уменьшения проницаемости в бортах, не отвечает никаким закономерностям.

2. Формирование естественного гидродинамического и гидрохимического режимов МПВ в речных долинах происходит за счет площадной инфильтрации атмосферных осадков и потери части поверхностного стока рек. При этом характерными гидролого-гидрогеологическими особенностями являются: совершенный характер взаимосвязи подземных и поверхностных вод, многолетняя и внутриго-довая изменчивость естественных ресурсов, обусловленная чередованием многоводных и маловодных периодов.

Существенное влияние на формирование 33 оказывают техногенные факторы, которые в рассматриваемых условиях могут иметь позитивный (увеличение объемов стока р.Нуры за счет постоянных попусков из КИК) и негативный характер (сбросы загрязненных промыпленных стоков в русло р.Нуры).

Взаимодействие всех факторов обуславливает особенности формирования ЭЗ различных типов ШВ и требуют учета при поста-

новке разведочных работ^

3. Разработанная типизация МПВ в речных долинах Центрального Казахстана по условиям формирования 33 определяет различные подходы к методике разведки месторождений. Согласно общей типизации Б.В.Боревского в рамках типа I - МПВ в речных долинах нами на основе особенностей строения и накопления аллювиальных отложений выделяется подтип 1В - МПВ в речных долинах мел-косопочника. Критерием для выделения видов является преобладающий в структуре запасов источник формирования, что отражено в названии видов: 1В1 - периодического питания за счет потерь части поверхностного стока рек, 1В2 - сезонного питания за счет площадной инфильтрации атмосферных осадков и ТВ£ - постоянного питания за счет попусков из каналов и водохранилищ (или техногенные МПВ).

4. Постановка и интерпретация опытных откачек в условиях речных долин Центрального Казахстана проводится применительно к двум основным схемам безнапорного потока - неограниченного в плане и вблизи реки. В первом случае определение проводимости целесообразно проводить по схеме двухслойного пласта, а водоотдачу оценивать объемно-балансовым способом. При этом как показывают результаты численного моделирования определение полной водоотдачи за время откачки оказывается реальным. В схеме опытного куста помимо совершенных наблюдательных скважин следует предусмотреть 4-5 пьезометров на СП для достоверного картирования распространения воронки депрессии.

Для второй схемы проводимость пласта и сопротивление ложа реки надежно определяется по стационарному режиму фильтрации. При этом с целью возможности учета геолого-гидрогеологических особенностей, осложняющих ход фильтрационного процесса при откачке, наблюдательные скважины в опытных кустах следует оборудовать на всю мощность водоносного горизонта, а также предусмотреть режимную скважину-аналог, пьезометры на урезе

реки и противоположном берегу.

5. Впервые динамика водоотдачи при откачке и восстановлении уровня изучена путем целенаправленного численного эксперимента, что позволило выявить целый ряд особенностей этого процесса. Изучение закономерностей процессов осушения и насыщения при откачке и восстановлении уровня на численной модели насыщенно-ненасыщенной фильтрации с учетом влагопереноса показывает, что гистерезис динамики водоотдачи и графиков временного прослеживания изменения уровней проявляются при близком расположении УГВ от поверхности зег.ии, а также при слоистом строении водоносного пласта.

Процессы в осушаемой зоне пласта, обусловленные изменением параметров влагопереноса, слабо влияют на ход формирования воронки депрессии в основном пласте, а, следовательно, и на определение проводимости.

6. Для обоснования геофильтрационной схемы ГШ целесообразно привлечение данных литологической съемки и наземной геофизики, основанное на внутренних физических взаимосвязях между коэффициентом фильтрации, эффективным диаметром частиц и удель ным электрическим сопротивлением пород. Совместное использование информации о грансоставе и электрических свойствах горных пород на основе уравнения множественной регрессии позволяет эффективно применять результаты литологической съемки и наземной геофизики для исследования пространственной изменчивости фильтрационных свойств аллювиальных водоносных горизонтов для целей оценки ЭЗ. На основе такого подхода при помощи процедуры стохастической интерполяции - универсального кригинга построены карты проводимости водоносного пласта для ряда объектов.

7. На конкретных объектах обоснованы возможности увеличения водоотбора в условиях позитивного и негативного влияния техногенеза. В последнем случае равноценными источниками за-

гряз нения подземных вод, получаемых береговыми водозабораш, являются промышленные сбросы н некондиционные воды бортовых частей долин. Это обстоятельство требует специального учета при проведении разведки.

Для МПВ, находящихся в естественных условиях формировашш показано, что прирост запасов возможен на основе учета ежегодной инфильтрации атмосферных осадков на площади месторождения в засушливый период (когда расчет водозабора ориентирован на сработку естественных запасов), а также за счет обоснования оптимальной расчетной продолжительности маловодного периода. При этом в качестве основного метода расчета целесообразно использование вероятностно-детерлинированного моделирования.

список работ, опубликованных: по теме диссертации

1. Особенности разведки и оценки запасов подземных вод для оазисного орошения в долинах рек "Казахстанского типа": -В сб.: Использование подземных вод для орошения. Тезисы докладов на республиканской школе передового опыта. М.: УГТ ССР, . 1987, с.60-33. (В соавторстве с А.Л. Степанищевым).

2. Особенности оценки эксплуатационных запасов подземных вод в долинах рек с периодическим стоком. - Разв. и охр.. недр, 1987, й 12, с.43-46. (В соавторстве с А.Л.Степанищевым).

3. Определение оптимальной расчетной продолжительности маловодного периода при-оценке запасов подземных вод в речных долинах Центрального Казахстана. - В сб.: Актуальные вопросы гидрогеологии. М.. ВСЕГИНГЕО, 1988. (Рукопись депонирована в ВИНИТИ 02.02.88. Деп. 881-В88), сЛ5-23. (В соавторстве с А.Л. Огепанищевым).

4. Прогноз эксплуатации аллювиальных вод в условиях загрязнения поверхностного стока. - В сб.: Проблемы техногенного загрязнения подземных вод и прогноз изменения геологической среды. Тезисы докладов республиканского совещания. Алма-Ата: КазИМС, IS89, с.70-72. (В соавторстве с А.Л. Отепанищевым).

5. Загрязнение подземных вод аллювиальных отложений долины реки Буры промышленными стоками. - В сб.: Проблемы техногенного загрязнения подземных вод и прогноз изменения геологической среды. Тезисы докладов республиканского совещания. Алма-Ата: КазИМС, IS89, с.72-74. (В соавторстве с А.Л.Отепанищевым) .

6. Определение гравитационной водоотдачи безнапорного пласта объемно-балансовым методом по данным опытных откачек.-В сб.: Гидрогеол. Материалы ХУ1 научн.конф.мол.ученых геол. фак. МГУ, Москва, 10 апреля, 1989, ГЛ., 1989. (Рукопись депонирована в ВИНИТИ 3.05.90. Деп. 2320-В90), с.73-86.

7. Опыт определения геойильтрационных параметров по откачкам вблизи pera. - В сб.: Материалы конференции молодых специалистов ПНИИИСа. Моста, 23.10., 1989, М., 1989, в печати. (В соавторстве с Н.А.Морозовой).

8. Особенности формирования аллювиальных отложений речных долин Центрального Казахстана. - В сб.: Гидрогеол.Материалы ХУЛ научн.конф.мол.ученых геол. фак. МГУ, Москва, 16 апреля, 1990, М., 1990. (Рукопись депонирована в ВИНИТИ 10.08.90 Деп. 4569-В90), с.38-53.

9. Определение водоотдачи объемно-балансовым методом при откачке из безнапорного пласта. - Вестн. Моск.ун-та. Сер. геол., в печати. (В соавторстве с С.П.Поздняковым).