Под водообеспеченностью водозаборной скважины следует понимать 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 образуются 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 депрессионной воронки вода может поступать из других водоносных горизонтов, а также из открытых водоемов, что могло не происходить при неизменном естественном режиме подземных вод в данном районе. Следовательно, в зависимости от местных гидрогеологических условий и величины понижения уровня воды работающую скважину могут питать различные источники. Так, например, скважина, расположенная недалеко от реки, при небольшом понижении уровня воды в ней питается только грунтовыми водами водоносного горизонта, на который она заложена, а при большем понижении уровня она, кроме захвата грунтовых вод, может еще подсасывать и речные воды.
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 по предложению Н. А. Плотникова (1959), называются эксплуатационными. Эти - ресурсы обеспечиваются естественными (статическими) запасами |и естественными (динамическими) ресурсами подземных вод.
Естественные запасы характеризуют объем воды, заключенный в водоносном горизонте. Вследствие сезонных и годовых колебаний уровня подземных вод естественные запасы изменяются. Однако эти изменения имеют существенное значение только при использовании водоносных горизонтов грунтовых вод небольшой мощности и ограниченного распространения.
Естественные запасы определяются мощностью водовмещающих пород, их распространением и водоотдачей. При прочих равных условиях рыхлые пористые песчаные породы содержат значительно больший объем воды (большие естественные запасы), чем трещиноватые скальные породы.
Естественные ресурсы равны расходу воды, проходящей через поперечное сечение водоносного горизонта, и зависят от интенсивности питания водоносного горизонта атмосферными осадками или водой из других водоносных горизонтов.
Естественные ресурсы также изменяются во времени в зависимости от интенсивности питания и дренирования водоносного горизонта.
Таким образом, при определении водообеспеченности проектируемой одиночной разведочно-эксплуатационной скважины нельзя рассматривать интересующий водоносный горизонт без связи его c другими водоносными горизонтами и поверхностными водами. Различные методы определения эксплуатационных ресурсов подземных вод в последние годы широко освещены в ряде отечественных работ (Н. А. Плотников, 1959; Ф. М. Бочевер и Н. Н. Веригин, 1961; Н. Н. Биндеман, 1963, СН 325-65 и др.).
Когда дебит скважины равен расходу привлеченных к ней естественных ресурсов воды, понижение уровня в ней при этом дебите остается постоянным, если не считать сравнительно небольших сезонных и годовых колебаний. Однако иногда эксплуатационный дебит скважины превышает привлеченные естественные ресурсы, тогда динамический уровень в скважине постепенно снижается.
Это явление наблюдается не только при эксплуатации грунтовых вод, когда пласт осушается, но и при использовании артезианских вод. В качестве примера приведем режим работы одной артезианской скважины в Московской области.
Скважина глубиной 300 м вскрыла водоносный горизонт известняков нижнего карбона, кровля которых находится на глубине 247 м от поверхности земли. Известняки покрыты толщей глин верейского горизонта, на которых залегают известняки и глины среднего и верхнего карбона, перекрытые верхнеюрскими глинами и четвертичными песками. После бурения скважины пьезометрический уровень воды в ней установился на глубине 39 м от поверхности земли. При пробной откачке, вызвавшей понижение уровня воды на 8 м, было получено 200 м3/ч, т. е. удельный дебит скважины оказался равным 25 м3/ч.
Скважина была оборудована воздушным водоподъемником и в первые годы эксплуатации давала 400 м3/ч воды при глубине динамического уровня около 55 м от поверхности земли. После нескольких лет эксплуатации было отмечено, что динамический уровень постепенно понижается и эксплуатационный расход уменьшается. За 15 лет эксплуатации скважины динамический уровень воды в ней понизился на 24 м до глубины 79 м, а дебит уменьшился при этом до 230 м3/ч.
Глубокая депрессия пьезометрического уровня воды распространилась на большую площадь. Так, по замерам в недействующей скважине, находящейся в 4 км от описанной, уровень воды в ней всего па 6 м выше динамического уровня действующей скважины.
Таким образом, несмотря на развитую открытую трещиноватость водоносных известняков нижнего карбона, обеспечивающую большой удельный дебит водозаборной скважины, водообильность лимитируется сравнительно небольшими естественными ресурсами горизонта вследствие глубокого его залегания и наличия в кровле мощных толщ водоупорных пород, затрудняющих его питание.
При ограниченных естественных ресурсах артезианского водоносного горизонта по сравнению с количеством получаемой воды (при небольшой водообеспеченности скважины) глубина депрессионной воронки и, следовательно, площадь ее увеличиваются. Это вызывает больший приток воды к работающей скважине.
Зависимость дебита Q (в, м3/сутки) водозаборной скважины от основных параметров притока воды к ней выражается известными уравнениями Дюпюи:
для совершенных скважин, питающихся грунтовыми (ненапорными) водами
В этих уравнениях k — коэффициент фильтрации пород эксплуатируемого водоносного горизонта в м/сутки; Н — мощность грунтового водоносного горизонта в м; m — мощность артезианского водоносного горизонта в м; S — понижение уровня воды в скважине от статического в м; R — радиус питания скважины в м; r0 — радиус скважины в м.
Из всех величин, входящих в уравнения Дюпюи, наиболее сложно получить величину радиуса питания скважины R. Когда водозаборная скважина получает воду из идеального артезианского горизонта, не имеющего дополнительного питания из вышележащих или нижележащих водоносных горизонтов, то, согласно существующим теоретическим представлениям, радиус питания увеличивается во времени. Следовательно, в указанных условиях приток воды к скважине является процессом неустановившимся, т. е. при одном и том же понижении уровня воды S дебит скважины Q постепенно уменьшается или, наоборот, при постоянном Q наблюдается увеличение значения 5 (Н. Н. Биндеман, 1963).
По предложению В. Н. Щелкачева (1959), для решения практических задач величина радиуса питания скважины R может быть заменена величиной приведенного радиуса влияния RП, которая равна
где t — время от начала работы водозаборной скважины;
а — коэффициент пьезопроводности (аП) при использовании артезианских вод и коэффициент уровнепроводности (aу) при использовании грунтовых вод. Коэффициент пьезопроводности (в м2/сутки) зависит от упругих свойств подземных вод и водоносных пород и, согласно В. Н. Щелкачеву (1959), равен
где ρ — общая пористость пород водоносного горизонта;
βВ — коэффициент объемной упругости воды, характеризующий способность воды изменять объем при изменении давления на 1 м вод. ст.;
βС — коэффициент объемной упругости пород, слагающих водоносный горизонт, характеризующий способность - пород изменять объем при изменении давления на 1 м вод. ст.
Коэффициенты βВ и βС имеют размерность 1/м. По данным В. Н. Щелкачева, коэффициент объемной упругости воды изменяется от 2,7·10-6 до 5·10-6 1/м, а коэффициент объемной упругости пород от 3·10—7 до 2·10-6 1/м.
Коэффициент уровнепроводности aу (в м2/сутки) пропорционален коэффициенту фильтрации k и мощности грунтового водоносного горизонта H и обратно пропорционален активной пористости водоносных пород этого горизонта μ:
Таким образом, при отсутствии местного питания водоносного горизонта работа водозаборных скважин обеспечивается сработкой только естественных запасов вод этого горизонта. Когда скважина получает воду из артезианского горизонта, то естественные запасы формируются за счет разгрузки упругих свойств воды и включающих ее водоносных пород. При использовании грунтовых вод естественным запасом является объем воды, заключенный в осушаемой части водоносного горизонта в пределах депрессионной воронки.
Однако в практике работы водозаборных скважин для водоснабжения, когда используются водоносные горизонты, находящиеся в зоне активного водообмена, подобного положения не наблюдается. Через сравнительно небольшой промежуток времени дебит скважины и понижение в ней уровня воды стабилизируются, и приток подземных вод к этой скважине становится установившимся.
При использовании грунтовых вод стабилизация притока воды к водозаборной скважине преимущественно обеспечивается местной инфильтрацией атмосферных осадков, а также часто подсасыванием воды из открытых водоемов.
В артезианских горизонтах стабилизация депрессионных воронок и установление постоянного дебита скважины при устойчивом положении уровня воды в ней происходят вследствие поступления в используемый артезианский горизонт воды из других, в основном из вышележащих водоносных горизонтов. Гидрогеологические исследования последних двух десятилетий показывают, что толщи глинистых пород, залегающих в кровле и подошве артезианских горизонтов, не являются абсолютно водоупорными, даже в ненарушенных естественных условиях вода перетекает по ним из одного горизонта в другой. Это перетекание усиливается в окружении работающей водозаборной скважины вследствие понижения уровня воды в используемом артезианском горизонте в пределах депрессионной воронки.
Следовательно, если не рассматривать особые случаи (получение воды из замкнутых емкостей водоносных пород или из линз пресных вод, залегающих среди минерализованных вод и др.), то питание водозаборных скважин обычно обеспечивается использованием естественных ресурсов подземных вод. Роль же естественных запасов в большинстве случаев невелика. В водоносных горизонтах грунтового типа, приуроченных к рыхлым породам — пескам, они имеют значение в основном в первый период работы водозаборных скважин, а в дальнейшем являются фактором, регулирующим постоянство режима работы водозаборных скважин при сезонных и годовых изменениях интенсивности питания этих горизонтов. Упругие же естественные запасы артезианских горизонтов, содержащих пресные воды и обычно залегающих на сравнительно небольшой глубине (до 300—500 м), как показал Б. И. Куделин на примере Московского и Днепровско-Донецкого артезианских бассейнов (1958, 1960), практического значения в питании водозаборных скважин не имеют. Эти запасы имеют большое значение при разработке нефтяных месторождений, приуроченных к большим глубинам (более 1000 м), когда добыча нефти ведется с большой разгрузкой пластового давления, достигающей нескольких сотен метров (В. Н. Щелкачев, 1959). В связи с этим при определении эксплуатационных ресурсов водозаборных скважин упругие запасы обычно не учитываются и коэффициент а в уравнении (III.3), как и для грунтовых вод, принимается равным произведению коэффициента фильтрации k и мощности водоносного горизонта m, деленному на водоотдачу водоносных пород μ («Указания по проектированию сооружений для забора подземных вод», СН 325-65).
Типичное изменение структуры формирования притока воды к работающим водозаборным скважинам может быть показано на рис. 2, заимствованном из работы Ф. М. Бочевера и Н. Н. Веригина (1961). На рисунке видно, что подсасывание вод из поверхностных источников начинается не сразу, а с некоторого момента времени tП, когда депрессионная воронка распространится до поверхностного водоема.
Основываясь на теоретических исследованиях И. Хантуша (1956) и Ф. М. Бочевера (1960), Н. Н. Биндеман показал, что при перетекании вод из вышележащего и нижележащего водоносных горизонтов в эксплуатируемый артезианский горизонт приведенный радиус влияния RП равен
Величина В является коэффициентом, учитывающим водопроницаемость и мощность эксплуатируемого водоносного горизонта и слабопроводимых слоев, залегающих в его кровле и подошве
где k и m — коэффициент фильтрации и мощность пород эксплуатируемого водоносного горизонта; k1 и m1 — коэффициент фильтрации и мощность пород слабопроводимого слоя, залегающего в кровле эксплуатируемого горизонта; k2 и m2 — коэффициент фильтрации и мощность пород слабопроводимого слоя, залегающего в подошве эксплуатируемого горизонта.
Если вода перетекает в эксплуатируемый артезианский горизонт только через слабопроводимые породы его кровли, то коэффициент В равен
Хантушем и Бочевером было принято, что перетекание через слабопроводимые породы происходит с постоянным напором воды :в вышележащем и нижележащем водоносных горизонтах. В естественной обстановке при работе одиночных водозаборных скважин это условие обычно соблюдается особенно в тех случаях, когда вышележащим водоносным горизонтом являются грунтовые воды.
Практически в природных условиях приведенные радиусы влияния одиночных водозаборных скважин, питающихся грунтовыми водами рыхлых средне- и крупнозернистых пород (песков и гравийно-галечниковых отложений), составляют от нескольких десятков до нескольких сотен метров. В артезианских горизонтах эти радиусы составляют сотни метров, а когда артезианский горизонт сложен хорошо проницаемыми крупнообломочными, трещиноватыми или закарстованными породами, то величины их достигают нескольких километров.
Особенно необходимо учитывать водообеспеченность при проектировании разведочно-эксплуатационных скважин, из которых предполагается получать большие количества воды. Вскрытые водоносные породы могут иметь значительную проницаемость, обеспечивающую большие удельные дебиты, но если ресурсы используемого водоносного горизонта ограничены, то динамический уровень в скважинах, заложенных в таких условиях, будет постепенно снижаться, что может уменьшить их эксплуатационный дебит.
Как известно, по степени изученности эксплуатационные ресурсы (запасы) подземных вод разделяются на четыре категории — А, В, C1 и C21.
К категории А относятся эксплуатационные запасы подземных вод, определенные в интересуемом участке по данным эксплуатации существующих подземных водозаборов или по данным опытных откачек из специально пробуренных скважин.
К категории В могут быть отнесены эксплуатационные запасы подземных вод, когда на участке проектируемого водозабора они определены, исходя из допустимой экстраполяции данных опытных откачек скважин, находящихся на этом участке.
К категории C1 относятся эксплуатационные запасы подземных вод, которые определены по данным пробных откачек из единичных разведочных выработок, а также по аналогии с существующими водозаборами или примыкающими участками, где запасы подземных вод того же горизонта определены по категориям А или В.
К категории C2 относят эксплуатационные запасы подземных вод, установленные на основании общих геолого-гидрогеологических данных, подтвержденных опробованием водоносного горизонта в отдельных точках или по аналогии с изученными участками в пределах выявленных благоприятных структур и комплексов водовмещающих пород.
Из приведенной классификации видно, что по степени гидрогеологической изученности целесообразность проектирования и сооружения одиночных разведочно-эксплуатационных скважин в преобладающем большинстве случаев обосновывается эксплуатационными запасами подземных вод по категории С2 и реже по категории C1.
Cледовательно, водообеспеченность этих скважин при их проектировании обычно может быть оценена весьма приближенно.
1 Инструкция по применению классификации эксплуатируемых запасов подземных вод. Госгеолтехиздат, 1962.
Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения.
Белицкий А.С., Дубровский В.В., Издательство "Недра", 1968