Способ определения обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами пластовых и глубинных вод

Изобретение относится к области гидрогеологии и может быть использовано для изучения и оценки достаточности ресурсов подземных вод в условиях дополнительного притока глубинных вод для водообеспеченности водозаборного сооружения. Сущность: отбирают водные пробы из водозаборных скважин. Альфа-спектрометрическим методом определяют величину отношения альфа-активностей изотопов урана-234 и урана-238 (²³⁴U/²³⁸U=γ). Строят линии равных значений величины по площади и разрезу водоносного горизонта. По аномалиям на картах в горизонтальной плоскости и куполовидной конфигурации изолиний величины γ в вертикальной плоскости определяют в пределах водоносного горизонта очаги поступления глубинных вод. Определяют конфигурацию границ участка распространения глубинных вод. Затем по максимальным значениям величины γ выявляют участки поступления глубинных вод в пределы водоносного горизонта. Определяют величину изменения динамического уровня ΔH подземных вод в пределах этих участков относительно среднего уровня для изучаемого района. При положительном значении величины ΔH делают вывод о дополнительном восполнении запасов подземных вод в эксплуатируемом горизонте за счет притока глубинных вод; при отрицательном значении величины ΔH - о превышении суммарного водоотбора над суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод и необеспеченности водозаборных сооружений даже суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод; при ΔH=0 - о восполнении дефицита ресурсов собственно пластовых вод за счет дополнительного поступления глубинных вод. Технический результат: повышение эффективности и геологической информативности получаемых результатов при определении степени обеспеченности водоносных горизонтов ресурсами подземных вод в условиях неучитываемого гидрогеологическими способами дополнительного притока глубинных вод, уменьшение трудоемкости проведения работ. 3 ил.

 

Изобретение относится к гидрогеологии и может быть использовано для изучения и оценки достаточности ресурсов подземных вод в условиях дополнительного притока глубинных вод для водообеспеченности водозаборного сооружения на основе изучения динамики подземных вод.

Под водообеспеченностью водозаборного сооружения понимается отношение ресурсов подземных вод, которые могут быть привлечены к скважине при максимально возможном понижении в ней уровня воды к эксплуатационному дебиту скважины. При работе водозаборной скважины вокруг нее образуется депрессионная воронка поверхности уровня подземных вод, в пределах которой вода движется к скважине. Следовательно, для питания скважины привлекаются подземные воды со значительной площади распространения водоносного горизонта. Кроме того, в области влияния депрессионной воронки вода может поступать из других водоносных горизонтов. Ресурсы подземных вод, которые могут быть привлечены данной скважиной (или групповым подземным водозабором) без существенного ухудшения эксплуатационного режима и качества воды в течение расчетного срока ее работы, называются эксплуатационными. Ресурсы подземных вод обеспечиваются естественными (статическими) запасами и естественными (динамическими) ресурсами подземных вод. Естественные запасы определяются мощностью водовмещающих пород, их распространением и водоотдачей. Естественные ресурсы равны расходу воды, проходящей через поперечное сечение водоносного горизонта. Согласно методическим требованиям [1-3] при определении водообеспеченности проектируемой одиночной разведочно-эксплуатационной скважины нельзя рассматривать интересующий водоносный горизонт без связи его с другими водоносными горизонтами и поверхностными водами. Однако в настоящее время при оценке ресурсов подземных вод разведуемых водоносных горизонтов принято считать, что в них могут поступать дополнительные воды в основном только из вышележащих горизонтов. В последние годы многочисленными исследованиями одного из авторов предложенного изобретения [4] достоверно установлено, что в пределы водоносных горизонтов могут поступать по проницаемым зонам неотектонических нарушений земной коры глубинные воды, доля которых в образовании естественных ресурсов разведуемых горизонтов может достигать 25% и более. При этом в них обнаруживается повышенное содержание различных токсичных металлов и других химических элементов глубинного генезиса, поэтому не считаться с этим явлением нельзя, особенно учитывая их вредное воздействие на организм человека.

В этих условиях об обеспеченности естественными ресурсами подземных вод разведанного горизонта потребностей водозаборных сооружений в гидрогеологии в настоящее время судят по величине допустимого понижения уровня (ΔH_доп) подземных вод в процессе эксплуатации скважины:

ΔH_доп≤H_ст-H_дин,

где H_ст и H_дин - соответственно статический и динамический уровни подземных вод. Из приведенного уравнения следует, что если ΔН_доп>H_ст-H_дин, то это будет свидетельствовать о недостаточности естественных ресурсов подземных вод эксплуатируемого горизонта для обеспечения потребностей водозаборных скважин. Способ требует проведения постоянного мониторинга изменений уровня подземных вод при эксплуатации водозаборных сооружений, однако он трудоемкий и требует долголетнего постоянного наблюдения за изменениями уровня подземных вод и, кроме того, он не учитывает возможность притока глубинных вод в пределы водоносного горизонта.

Авторами предлагаемого изобретения установлено, что поступление глубинных вод в пределы водоносного горизонта в некоторых случаях может привести даже к повышению динамического уровня в районе водозаборных сооружений, что отражается куполовидной конфигурацией гидроизогипс. Это нередко относится гидрогелогами к погрешностям измерений уровня.

Известен способ определения обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами подземных вод эксплуатируемого горизонта, приведенный в [1], заключающийся в определении статического уровня подземных вод путем построения гидроизогипс, суждении об обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами пластовых вод по величине понижения уровня. Недостатки этого способа: не учитывается возможность влияния на количество определяемых ресурсов подземных вод разведуемого водоносного горизонта дополнительного притока в проницаемых зонах тектонических нарушений глубинных вод, что искажает надежность и эффективность получаемых результатов.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ индикаторного моделирования взаимосвязи водоносных горизонтов (Патент РФ №2458365, G01V 9/02, опубл. 10.08.2012) [5], основанный на открытии советских ученых [6], позволяющий выявлять очаги поступления глубинных вод в пределы водоносных горизонтов, заключающийся в отборе водных проб из водозаборных скважин, очистке природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория, электролитическом осаждении урана на диск из нержавеющей стали, альфа-спектрометрическом определении величины наиболее стабильного природного индикатора - отношения альфа-активностей изотопов урана-234 и урана-238 (²³⁴U/²³⁸U=γ), построении линий равных значений этого индикатора по площади и разрезу водоносного горизонта, при котором по аномалиям на картах в горизонтальной плоскости и куполовидной конфигурации изолиний γ в вертикальной плоскости определяют наличие в пределах водоносного горизонта месторождения очагов поступления глубинных вод, затем прослеживают линию равных значений

γ_гр=γ_гл-(γ_гл+γ_пл)/3,

где γ_гл, γ_гр и γ_пл - величина γ=²³⁴U/²³⁸U соответственно в центральной части очага (γ_гл) и на границах участка (γ_гр) поступления глубинных вод, а также средняя для собственно пластовых вод (γ_пл), определяют конфигурацию границ участка распространения глубинных вод. Однако в прототипе не предусмотрена возможность определения степени обеспеченности водоносных горизонтов ресурсами подземных вод в условиях неучитываемого гидрогеологическими способами дополнительного притока глубинных вод.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа определения обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами пластовых и глубинных вод, позволяющего проводить изучение и давать объективную оценку достаточности ресурсов подземных вод в условиях дополнительного притока глубинных вод для водообеспеченности водозаборного сооружения на основе изучения динамики подземных вод.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности и геологической информативности получаемых результатов при определении степени обеспеченности водоносных горизонтов ресурсами подземных вод в условиях неучитываемого гидрогеологическими способами дополнительного притока глубинных вод с одновременным уменьшением трудоемкости и стоимости проведения этих работ.

Технический результат достигается тем, что способ определения обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами пластовых и глубинных вод заключается в отборе водных проб из водозаборных скважин, очистке природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория, электролитическом осаждении урана на диск из нержавеющей стали, альфа-спектрометрическом определении величины наиболее стабильного природного индикатора - отношения альфа-активностей изотопов урана-234 и урана-238 (²³⁴U/²³⁸U=γ), построении линий равных значений этого индикатора по площади и разрезу водоносного горизонта, при котором по аномалиям на картах в горизонтальной плоскости и куполовидной конфигурации изолиний γ в вертикальной плоскости определяют наличие в пределах водоносного горизонта месторождения очагов поступления глубинных вод, затем прослеживают линию равных значений

γ_гр=γ_гл-(γ_гл+γ_пл)/3,

где γ_гл, γ_гр и γ_пл - величина γ=²³⁴U/²³⁸U соответственно в центральной части очага (γ_гл) и на границах участка (γ_гр) поступления глубинных вод, а также средняя для собственно пластовых вод (γ_пл), определяют конфигурации границ участка распространения глубинных вод, по максимальным значениям отношения γ_max=²³⁴U/²³⁸U выявляют участки поступления глубинных вод в пределы водоносного горизонта, определяют величину изменения динамического уровня подземных вод ΔH=H_ст-H_ср-ст в пределах этих участков относительно среднего уровня ΔH для изучаемого района и при +ΔH судят о дополнительном восполнении запасов подземных вод в эксплуатируемом горизонте за счет притока глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)>Q_в, где Q_пл, Q_гл и Q_в - соответственно ресурсы собственно пластовых и глубинных вод и суммарный отбор подземных вод, при -ΔH - о превышении суммарного водоотбора над суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод и необеспеченности водозаборных сооружений даже суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)<Q_в а при ΔH=0 - о восполнении дефицита ресурсов собственно пластовых вод за счет дополнительного поступления глубинных вод, т.е. в этом случае (Q_пл+Q_гл)=Q_в.

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется полученными результатами обработки данных, представленными на Фиг.1-3.

На Фиг.1 изображены схемы изменения динамического уровня подземных вод (ΔH) при различных соотношениях разведанных запасов подземных вод (Q_з) и объема водозабора (Q_в) в случае поступления (а) и отсутствия (б) притока глубинных вод.

Приведенная на Фиг.1а-1 схема показывает, что в отличие от случая отсутствия притока глубинных вод, когда при длительной работе водозаборного сооружения наблюдается только понижение динамического уровня, при существовании очага поступления глубинных вод уровень воды в скважинах даже может подниматься. Это свидетельствует не только об обеспеченности водозаборного сооружения за счет собственно пластовых вод, но и увеличении ресурсов подземных вод в результате дополнительного поступления глубинных вод. Однако в этом случае может начаться принудительное подтягивание глубинных вод с высоким содержанием токсичных химических элементов (бор, литий и др.) и ухудшиться качество подземных вод.

На Фиг.2 и 3 приведены примеры изменения динамического уровня подземных вод при длительной эксплуатации водозаборных скважин на участках поступления глубинных вод в пределы верхнепермского водоносного комплекса на территории юго-западных районов Республики Татарстан.

Фиг.2 показывает, что в пределах изученной территории площадью около 3800 км² повсеместно наблюдается внедрение глубинных вод. Всего выделено 15 очагов поступления глубинных вод.

На Фиг.3 приведена схематическая карта, показывающая, что в пределах большинства (9) участков внедрения глубинных вод наблюдается понижение динамического уровня относительно среднего регионального статического уровня (-ΔH). Это свидетельствует о недостаточности ресурсов подземных вод для обеспечения потребностей существующих водозаборных скважин даже суммарных собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)<Q_в, и возможности необратимого ухудшения экологического состояния подземных вод на таких участках в результате принудительного подтягивания глубинных вод. В пределах 6 участков поступления глубинных вод можно видеть даже повышение уровня подземных вод (+ΔH) в процессе водоотбора, что свидетельствует о превышении суммарных собственно пластовых и глубинных вод над потребностями водозаборных сооружений на этих участках, т.е. (Q_пл+Q_гл)>Q_в. Только в пределах одного участка уровень подземных вод остался на прежнем уровне, т.е. ΔН=0.

Результаты апробирования предложенного способа приведены в таблице.

Таблица
Гидродинамические особенности (параметры) подземных вод на участках поступления глубинных вод в пределы верхнепермского водоносного комплекса на территории юго-западных районов Республики Татарстан
№ п/п	Номер аномального участка	234U/238U=γ	Местоположение	Балансовое уравнение	ΔH=Hст-скв.-Hср-ст м
1	2	3	4	5	6
1	I	7,17±0,16	д.д. Н. и Ст. Ишли	Qв=(Qп+Qгл)	0
2	II	10,5±0,23	д. Ст Чукалы	Qв<(Qп+Qгл)	+70
3	III	18,1±0,51	Бассейн р. Карлы	Qв<(Qп+Qгл)	+30
4	IV	20,1±2,00	д. Кайрево	Qв>(Qп+Qгл)	-30
5	V	8,73±0.21	д. Убей	Qв>(Qп+Qгл)	-40
6	VI	5,94±0,08	д. Б. Цильна	Qв>(Qп+Qгл)	-80
7	VII	8,23±0,27	д. Шаймурзино	Qв<(Qп+Qгл)	+30
8	VIII	3,31±0,15	д. Черки-Гришино	Qв>(Qп+Qгл)	-20
9	IX	3,64±0,08	д. Адав-Тулумбаево	Qв>(Qп+Qгл)	-20
10	X	3,80±0,07	д. Немчиновка	Qв<(Qп+Qгл)	+10
11	XIа	7,86±0,17	д. Вожжи	Qв>(Qп+Qгл)	-20
12	ХIб	9,18±0,27	д. Тат. Беденьга	Qв<(Qп+Qгл)	+30
13	XII	4,57±0,16	д. Чув. Черепаново	Qв<(Qп+Qгл)	+20
14	XIII	6,57±0,13	д. Ниж. Тарханы	Qв>(Qп+Qгл)	-70
15	XIV	5,37±0,07	д. Иоково	Qв>(Qп+Qгл)	-5
16	XV	5,01±0,10	д. Кильдюшево	Qв>(Qп+Qгл)	-10

Способ реализуется следующим образом. Из водозаборных скважин, выбранных по оптимальной сети для равномерного изучения всей территории месторождения, отбирают водные пробы в чистые емкости, отметив перфорированные интервалы в скважинах, расположение их на топографической карте местности, в полевых условиях в водные пробы в стеклянных 20-л бутылях добавляют метилоранж для контроля кислотности среды, а также соляную кислоту до получения pH 1-2 (до розовой окраски раствора) для перевода урана в ионную форму. После этого при перемешивании в воду постепенно добавляют насыщенный раствор буфера - уротропина до перехода окраски воды из розового в желтый цвет, т.е. до pH 4.5-5.5. Далее в обрабатываемую пробу добавляют активированный уголь для сорбирования урана из водной пробы. После отстаивания раствора и осаждения угля на дне посуды проводят декантирование осветленной части раствора и фильтрование угольного осадка на воронке Бюхнера под вакуумом, осадок сушится и отправляется в стационарную радиохимическую лабораторию, где проводят очистку природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория. При этом уран вымывается из угля карбонатным раствором и собирается в колбе Бунзена. Затем соосаждением на гидроокиси железа очищают уран от других альфа-излучающих нуклидов. Уран экстрагируется трибутилфосфатом и переходит в органическую фазу. Из органической фазы уран реэкстрагируется дистиллированной водой, высушивается и растворяется соляной кислотой. Затем проводится электролитическое осаждение урана на диск из нержавеющей стали и после промывки дистиллированной водой и сушки готовый урановый препарат отправляют в альфа-спектрометрическую лабораторию, где измеряют изотопное отношение и концентрацию урана в ионизационной камере. С помощью специальной компьютерной программы регистрируются импульсы от альфа-частиц, сохраняются полученные спектры и рассчитывается величина отношения активностей изотопов урана ²³⁴U/²³⁸U=γ, стандартное и относительное среднеквадратичное отклонение, концентрация урана и его химический выход. На основе полученных данных составляется карта распределения величины γ - наиболее стабильного природного индикатора подземных вод путем построения линий равных значений γ в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При этом по максимальным значениям γ на картах в горизонтальной плоскости и куполовидной конфигурации изолиний γ в вертикальной плоскости определяют наличие в пределах водоносного горизонта месторождения очагов поступления глубинных вод.

Затем прослеживают линию равных значений

γ_гр=γ_гл-(γ_гл+γ_пл)/3,

где γ_гл, γ_гр и γ_пл - величина γ=²³⁴U/²³⁸U соответственно в центральной части очага (γ_гд) и на границах участка (γ_гр) поступления глубинных вод, а также средняя для собственно пластовых вод (γ_пл), определяют конфигурацию границ участка распространения глубинных вод.

Далее по максимальным значениям отношения γ_max=²³⁴U/²³⁸U выявляют участки поступления глубинных вод в пределы водоносного горизонта, определяют величину изменения динамического уровня подземных вод ΔH=H_ст-H_ср-ст в пределах этих участков относительно среднего уровня для изучаемого района и при +ΔH судят о дополнительном восполнении запасов подземных вод в эксплуатируемом горизонте за счет притока глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)>Q_в, где Q_пл, Q_гл и Q_в - соответственно ресурсы собственно пластовых и глубинных вод и суммарный отбор подземных вод, при -ΔH - о превышении суммарного водоотбора над суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод и необеспеченности водозаборных сооружений даже суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)<Q_в, а при ΔH=0 - о восполнении дефицита ресурсов собственно пластовых вод за счет дополнительного поступления глубинных вод, т.е. в этом случае (Q_пл+Q_гл)=Q_в.

Таким образом, в отличие от прототипа предложенное техническое решение с приведенной совокупностью отличительных существенных признаков, а именно заключающееся в том, что определяют величину изменения динамического уровня подземных вод ΔH=H_ст-H_ср-ст в пределах участков поступления глубинных вод относительно среднего уровня ΔН для изучаемого района и при +ΔH судят о дополнительном восполнении запасов подземных вод в эксплуатируемом горизонте за счет притока глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)>Q_в, где Q_пл, Q_гл и Q_в - соответственно ресурсы собственно пластовых и глубинных вод и суммарный отбор подземных вод, при -ΔH - о превышении суммарного водоотбора над суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод и необеспеченности водозаборных сооружений даже суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)<Q_в, а при ΔН=0 - о восполнении дефицита ресурсов собственно пластовых вод за счет дополнительного поступления глубинных вод, т.е. в этом случае (Q_пл+Q_гл)=Q_в, позволяет повысить эффективность и геологическую информативность получаемых результатов при определении степени обеспеченности водоносных горизонтов ресурсами подземных вод в условиях не учитываемого гидрогеологическими способами дополнительного притока глубинных вод, а также позволяет одновременно уменьшить трудоемкость и стоимость проведения работ по сравнению с гидрогеологическими способами. В предложенном изобретении для достижения технического результата используются новые формулы, выведенные авторами заявленного технического решения, что снижает трудоемкость и стоимость проведения работ для достижения заявленного технического результата. Предложенное техническое решение явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, следовательно, оно удовлетворяет условию патентоспособности "изобретательский "уровень". В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Апробирование способа экспериментальным путем подтверждает его реализуемость с достижением заявленного технического результата, в связи с этим изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Бочевер Ф.М., Веригин Н.Н. Методическое пособие по расчетам эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения. Госстройиздат, 1961.

2. Водообеспеченность скважины/http://www.geoda.ru/library/drilling_11/.

3. Плотников Н.А. Оценка запасов подземных вод. Госгеолтехиздат, 1959.

4. Тихонов А.И. Неравновесный уран в условиях активного водообмена и его использование в геологиии и гидрогеологии. - Чебоксары: Изд-во Л.А. Наумова, 2009.

5. Тихонов В.П., Тихонов А.И., Васильев А.В. и др. Способ индикаторного моделирования взаимосвязи водоносных горизонтов // Патент на изобретение Российской Федерации №2458365, G01V 9/02, опубл. 10.08.2012 г. в Гос. реестре изобретений РФ, бюл. №22.

6. Чердынцев В.В., Чалов П.И. Естественное разделение урана ²³⁴U и ²³⁸U // Открытия в СССР (Сборник кратких описаний открытий, внесенных в Государственный реестр СССР). - М.: ЦНИИПИ, 1977.

Способ определения обеспеченности водозаборных сооружений естественными ресурсами пластовых и глубинных вод, заключающийся в отборе водных проб из водозаборных скважин, очистке природного урана от альфа-активных изотопов радия и тория, электролитическом осаждении урана на диск из нержавеющей стали, альфа-спектрометрическом определении величины наиболее стабильного природного индикатора - отношения альфа-активностей изотопов урана-234 и урана-238 (²³⁴U/²³⁸U=γ), построении линий равных значений этого индикатора по площади и разрезу водоносного горизонта, при котором по аномалиям на картах в горизонтальной плоскости и куполовидной конфигурации изолиний γ в вертикальной плоскости определяют наличие в пределах водоносного горизонта месторождения очагов поступления глубинных вод, затем прослеживают линию равных значений: γ_гр=γ_гл-(γ_гл+γ_пл)/3, где γ_гл, γ_гр и γ_пл - величина γ=²³⁴U/²³⁸U соответственно в центральной части очага (γ_гл) и на границах участка (γ_гр) поступления глубинных вод, а также средняя для собственно пластовых вод (γ_пл), определяют конфигурацию границ участка распространения глубинных вод, отличающийся тем, что по максимальным значениям отношения γ_max=²³⁴U/²³⁸U выявляют участки поступления глубинных вод в пределы водоносного горизонта, определяют величину изменения динамического уровня подземных вод ΔH=H_ст-H_ср-ст в пределах этих участков относительно среднего уровня ΔН для изучаемого района и при +ΔH судят о дополнительном восполнении запасов подземных вод в эксплуатируемом горизонте за счет притока глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)>Q_в, где Q_пл, Q_гл и Q_в - соответственно ресурсы собственно пластовых и глубинных вод и суммарный отбор подземных вод, при -ΔH - о превышении суммарного водоотбора над суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод и необеспеченности водозаборных сооружений даже суммарными ресурсами собственно пластовых и глубинных вод, т.е. (Q_пл+Q_гл)<Q_в, а при ΔH=0 - о восполнении дефицита ресурсов собственно пластовых вод за счет дополнительного поступления глубинных вод, т.е. в этом случае (Q_пл+Q_гл)=Q_в.