МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЛЕКСНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТ ПО РАЗВЕДКЕ, ОЦЕНКЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ, ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ СКВАЖИННЫХ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Гуринович Анатолий Дмитриевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Водоснабжение и канализация» Белостокского технологического университета, Wiejska 45E, 15-351 Białystok, Poland, e-mail: a.gurinowicz@pb.edu.pl, +48797995963

Аннотация

Приведен анализ действующей в настоящее время организации работ по геологической разведке, оценке и переоценке эксплуатационных запасов подземных вод, проектирования и строительства крупных водозаборов, которая базируется на разработках 70-80 годов прошлого столетия. Предложены новые принципы по организации комплекса работ по изысканию (разведке), планированию, проектированию и строительству водозаборов, а также по реконструкции и (или) расширению водозаборов.

Ключевые слова: оценка эксплуатационных запасов; подземные водозаборы; реконструкция и восстановление водозаборов; строительство водозаборов; проектирование водозаборов.

Abstract

The subject of an investigation is the analysis of the existing organization activities on geological exploration, appraisal and revaluation of groundwater storage, design and construction of large water intake, which based on the work of 70-80 years of the last century. Proposed new principles in organization activities on research (exploration), planning, design and construction of water intakes, and reconstruction and (or) extension of water intakes.

Keywords: groundwater intakes; evaluation of operational reserves of groundwater; appraisal and revaluation of water intakes; design and construction of ground water intakes

Введение

Действующие в Беларуси и России технические нормативно-правовые акты (далее ТНПА) в области использования и охраны подземных вод носят практически одинаковый характер. Базируются ТНПА на исследованиях и разработках по оценке эксплуатационных запасов подземных вод, выполненных учеными-гидрогеологами Абрамова С.П., Веригина Н.Н., Бочевера Ф.Б., Плотникова Н.М. и других в 1960-1970 годах. Указанное обстоятельство диктует необходимость проведения анализа соответствия данных разработок современным требованиям. Необходимо также совершенствование организации работ по планированию развития систем водоснабжения с подземными водоисточниками и связанных с ними ТНПА.

1. Анализ работ по оценке эксплуатационных запасов подземных вод

При оценке эксплуатационных запасов подземных вод (ПВ) ведутся прогнозные расчеты производительности водозабора и снижения уровня на расчетный срок эксплуатации – 10000 суток. Под этим подразумевается, что уровень воды в водоносном пласте снизится до критического, ниже которого забор воды будет невозможен. Расчеты производятся в зависимости от гидрогеологических условий по формулам либо с использованием компьютерных программ, моделирующих процессы фильтрации в водоносном пласте.

Проведенные исследования действующих водозаборов подземных вод показали, что прогнозные расчеты не соответствуют фактическим данным. Так, к примеру, в Беларуси в 2013 году по 180 водозаборам истекли расчетные сроки, однако уровни воды в водозаборах оказались значительно меньше расчетных. Это свидетельствует о невысокой достоверности гидрогеологических данных.

На рисунке 1 приведены обобщенные графики, иллюстрирующие возможные ситуации с эксплуатационными запасами подземных вод.

Первая ситуация (рисунок 1, график 2Q и 2S). Прогнозные расчеты практически соответствуют фактическому водоотбору и снижению уровня воды. В этом случае необходимо до момента наступления расчетного срока эксплуатации (за 3-4 года) провести разведочные работы по поиску новых месторождений подземных вод либо искусственному восполнению сработавших эксплуатационных запасов водоносных горизонтов при условии наличия поверхностного водного объекта.

Вторая ситуация (типичная) (рисунок 1, график 2Q, 4Q и 4S). Водоотбор меньше или равен утвержденным эксплуатационным запасам подземных вод по промышленным категориям А+В, а снижение уровня воды значительно выше расчетного. В этом случае по данным эксплуатационной разведки и мониторинга необходимо провести расчеты по уточнению эксплуатационных запасов подземных вод с учетом фактического водоотбора и снижения уровня (рисунок 1, график 8Q и 8S) или с возможностью увеличения эксплуатационных запасов (рисунок 1, график 7Qи 7S) в последующие периоды.

Третья ситуация (рисунок 1, график 3Qи 3S). В связи с интенсивным водоотбором в результате возросшего водопотребления, превышающего утверждённые эксплуатационные запасы, снижение уровня воды в месторождении произойдет ранее, чем установлено расчетом (10000 суток). Указанное обстоятельство должно прогнозироваться на стадии мониторинга подземных вод с целью принятия соответствующих мероприятий по устранению возможных экологических и социальных последствий, как и в первой ситуации.

1Q и 5Q - утвержденные эксплуатационные запасы по  категориям A+B+C соответственно до и после переоценки;  2 Q и 2 s   соответственно: утвержденные  эксплуатационные запасы по  категориям A+B  и расчетное  снижение уровня воды; 3 Q и 3 s  соответственно: забор подземных вод и снижение уровня воды при росте водопотребления; 4 Q и 4 s  соответственно: забор подземных вод и снижение уровня воды при уменьшении водопотребления; 6 Q и 6 s  соответственно: забор подземных вод и снижение уровня воды при уменьшении водопотребления; 7 Q и 7 s  соответственно: забор подземных вод и снижение уровня воды при уменьшении; 8 Q и 8 s  соответственно: забор подземных вод и снижение уровня воды при уменьшении.

2. Организация работ по разведке, проектированию и строительству водозаборов.

Сложившиеся в Беларуси вышеописанные ситуации с подземными водозаборами обусловили необходимость проведения отдельных работ по переоценке эксплуатационных запасов подземных вод. При этом в основе работ по переоценке лежат устаревшие методики и подходы в организации их проведения. На рисунке 2 приведен в виде структурной схемы действующий порядок этапов организации работ по разведке, проектированию и строительству водозаборов.

Рисунок 2. – Действующий порядок этапов организации работ по разведке, проектированию и строительству водозаборов

Источник: собственная разработка

Для существующих этапов организации работ по разведке, проектированию и строительству водозаборов характерны следующие недостатки:

̶ разведочные работы и расчеты по оценке и переоценке эксплуатационных запасов подземных вод производятся без учета требований оптимального проектирования, строительства и эксплуатации водозабора на разведываемом месторождении;

̶ отсутствует технико-экономическое обоснование схемы водозабора (количество скважин, расстояние между ними, плановое расположение);

̶ не учитываются технические факторы (конструкция скважины, размер, тип и конструкция фильтра, методы бурения, тип водоподъемного оборудования, необходимости сооружений водоподготовкии т.д.);

̶ не учитываются экологические ограничения и ограничения, которые накладываются на схему водозабора в конкретных условиях (лесопосадки, дороги, населенные пункты, газопровод и т.д.).

Кроме того, действующие ТНПА и НПА в области недропользования содержат некоторые положения геологического характера, несвойственные для подземных вод. Так, к примеру, понятия «горный отвод», «границы месторождений полезных ископаемых» ни в коей мере не могут относиться к водозаборным сооружениям.

Особо следует выделить экономическую сторону оценки работ по разведке, оценке и переоценке эксплуатационных запасов подземных вод. Необходимо определить, в какую статью затрат следует отнести стоимость работ по разведке, оценке, переоценке запасов подземных вод, по составлению актов горного отвода и др. На сегодняшний день отсутствует понятие «стоимость месторождений подземных вод», которое существует в практике добычи нефти и газа.

Одной из задач действующей в Беларуси системы мониторинга подземных вод должна быть постоянная ежегодная корректировка параметров месторождений подземных вод. По данным мониторинга необходимо производить анализ сложившейся водохозяйственной и экологической обстановки, а также уточнение эксплуатационных запасов по категориям А и В.

Отсутствие технико-экономических обоснований (ТЭО) инвестиций при планировании строительства новых или реконструкции (развитии) уже существующих водозаборов подземных вод может наносить существенный экономический ущерб. Применяемые же в настоящее время устаревшие методы расчета экономической эффективности, действующие при плановой экономике, не отвечают современным требованиям экономики в части учета процессов инфляции, роста стоимости энергетических и материальных ресурсов, заработной платы, ухудшения экологической обстановки.

Оценка эффективности инвестиционных проектов должна базироваться на современных методах расчета таких показателей эффективности инвестиций, как срок окупаемости, индекс рентабельности (IR), чистый приведенный эффект (NPV), внутренняя норма доходности (IRR), стоимость жизненного цикла LCC (Syczewa 2013, s.68).

Кроме того, все расчеты на этапе оценки и переоценки подземных вод проводятся без достаточной инженерной проработки различных вариантов строительства будущего водозабора.

3. Предлагаемая методика по комплексной организации работ по планированию строительства водозаборов подземных вод.

На рисунке 3 представлена предлагаемая схема организации работ по планированию работ по разведке, проектированию, строительству новых водозаборов подземных вод.

Рисунок 3. – Предлагаемая методика по организации комплекса работ по изысканию (разведке), планированию, проектированию и строительству водозаборов

Источник: собственная разработка

Основные требования, которые должны соблюдаться на каждом этапе организации работ, следующие:

– водозабор подземных вод должен быть оптимальным в технико-экономическом и геологическом отношении;

– понижение уровней подземных вод в водозаборных скважинах на конечный срок эксплуатации не должно превышать критической величины, определяемой по гидрогеологическим и экологическим условиям;

– водозабор должен рассчитываться на определенный срок непрерывной работы при заданной производительности;

– качество воды в течение всего срока работы водозабора должно отвечать нормативам для питьевого водоснабжения.

При проектировании скважинных водозаборов необходимо учитывать решения, принятые в утвержденной градостроительной документации, – региональных планах, генеральных планах поселений и территорий, детальных планах части поселений, промышленных и других функциональных зон. Кроме этого, необходимо учитывать условия, изложенные в программах и генеральных схемах комплексного использования и охраны водных ресурсов в целом.

Проектирование новых и расширение существующих водозаборов осуществляется при наличии решения соответствующего органа исполнительной власти о предварительном согласовании места размещения. При выборе места расположения  водозаборов  подземных вод должны учитываться особенности гидрогеологических условий; санитарные требования, исключающие загрязнение подземных вод; экономические требования, обеспечивающие максимальное приближение водозаборных  скважин к потребителю и компактное их размещение в пределах скважинного водозабора; геологические  и гидрогеологические требования с учетом допустимого взаимодействия проектируемых скважин с действующими; условия рельефа местности, исключающие затопление водозабора паводковыми водами.

При проектировании водозаборов подземных вод должен учитываться прогноз изменения гидрогеологических и других природных условий. В отличие от поверхностных водных источников признаки загрязнения и истощения подземных вод обнаруживаются значительно медленнее, спустя продолжительное время.

В условиях эксплуатации водозаборов нередко наблюдается ухудшение состава отбираемой воды, поэтому при разведочных работах и проектировании водозаборов подземных вод необходимо ориентироваться не только на показатели качества воды, определенные на участке водозабора в период изысканий, но и на данные прогноза возможного изменения качества воды во времени. Это особенно важно для районов с неоднородным химическим составом подземных вод, а также для районов с наибольшей вероятностью загрязнения подземных вод.

Прогноз качества воды во времени необходим для определения оптимального режима эксплуатации и срока службы водозабора, а также размеров зон санитарной охраны (ЗСО). Возможность загрязнения подземных вод различна в зависимости от того, находятся ли они в области питания или в районах дренирования водоносного горизонта.

К комплексным задачам проектирования скважинных водозаборов можно отнести следующие:

– выбор и обоснование места размещения водозабора;

– выбор типа, состава и схемы размещения элементов системы водоснабжения объекта;

 – выбор наиболее рациональных методов выполнения работ по сооружению водозабора;

– расчет производительности и понижений уровня подземных вод на начальный и конечный сроки эксплуатации водозабора;

– расчет зоны влияния проектируемого водозабора и взаимодействия с ближайшими проектируемыми и существующими водозаборами;

– оценка влияния водозабора на окружающую природную среду и разработка природоохранных мероприятий;

– оценка и прогноз качества подземных вод и при необходимости разработка проектов сооружений водоподготовки для питьевых целей, очистки и подготовки подземных вод;

– расчет зон санитарной охраны (ЗСО) и разработка мероприятий по защите подземных вод от загрязнения и истощения;

– разработка технических регламентов эксплуатации, ремонта и технического обслуживание скважин водозабора.

На рисунке 4 представлены этапы организации работ по реконструкции (расширению) действующих водозаборов подземных вод. Предлагается создание постоянно действующей математической модели водозабора.

Рисунок 4. – Предлагаемая методика по организации комплекса работ по реконструкции и (или) расширению водозаборов

Источник: собственная разработка

4. Поэтапное развитие скважинного водозабора подземных вод

В связи с тем, что  гидрогеологические параметры водозабора при оценке запасов подземных вод, как правило, завышены и требуют уточнения на стадии эксплуатации водозабора, а на начальной стадии ввода в эксплуатацию не требуется  производительность, предлагается производить оценку эксплуатационных запасов  и проектировать водозабор с учетом его поэтапного развития на сроки, кратные 10, 20, 30 годам, при заданном общем водоотборе. (Гуринович 2004, s. 103). 

Поэтапное развитие водозабора с изменением его размеров и режимов работы во времени  позволяет значительно сократить затраты на его строительство и эксплуатацию и более обоснованно производить после каждого последующего этапа эксплуатации расчет изменения производительности водозабора (переоценку запасов подземных вод).

Расчетная зависимость понижений от дебитов скважин для неустановившегося режима и напорной фильтрации в соответствии с формулой Тейса для различных периодов будет иметь вид:

где Spi - понижение уровня в i-ой скважине в p-ый период, м;

Qti- дебит i-ой скважины t - го периода, м3/сут.;

ri радиус i-ой скважины, м;

km- водопроводимость пласта, м/сут,;

a- коэффициент пьезопроводности, м2/сут.;

tt-продолжительностьt - го периода , сут.;

Qtj- дебиты взаимодействующих скважин работающих в t - ый период, м3/сут.;

lij - расстояния до взаимодействующих скважин, м;

р – количество периодов;

n – количество скважин;

Ei– интегральная показательная функция.

На рисунке 5 представлена схема изменения параметров водозабора по методике поэтапного ввода в эксплуатацию.

Рисунок 5. – Схема поэтапного развития скважинного водозабора подземных вод

Источник: собственная разработка

Выводы и предложения

  1. Существующая система планирования организации работ по геологической разведке, оценке эксплуатационных запасов, проектированию и строительству водозаборов подземных вод не отвечает современным требованиям в части их оптимизации.
  2. Предлагаемые методики позволяют сократить сроки выполнения всего комплекса работ от разведки до эксплуатации водозаборов подземных вод и снизить стоимость инвестиций и эксплуатационные затраты с учетом временного фактора.
  3. Внедрение методологии поэтапного развития скважинного водозабора подземных вод на водозаборе г. Минска позволила сократить на 1,2 млн. долларов расходы на строительство и на 30% снизить эксплуатационные затраты.

Список литературы

  1. Гуринович А.Д. Системы питьевого водоснабжения с водозаборными скважинами. // Минск: Технопринт, 2004. – 247 с.
  2. Syczewa E., Hurynovich A. The methodology in estimation of cost of life cycle of deep wells of underground waters intakes. Białystok: Polish Division. Journal of the European Association of Environmental and Resource Economists. 2013. – с.67-76.
  3. Syczewa E., Hurynovich A., Bednarczyk C. Optimization of water wells design and construction. Warszawa: Water supply and sewage systems inside buildings - design, construction and operation. Vol.1 Seidel-przywecki. 2013. – s.109-119.
  4. Hurynovich A., Lorenc B. Analiza efektywności eksploatacji ujęć wód podziemnych. Białystok: Polish Division. Journal of the European Association of Environmental and Resource Economists. 2013. – с.85-89.