Оптимизация методологии поисково-разведочных работ на подземные воды

Автор: Аликин Э.А.

Журнал: Вестник Пермского университета. Геология @geology-vestnik-psu

Статья в выпуске: 1 (10), 2011 года.

Бесплатный доступ

Обосновывается оригинальная концепция оптимизации поисково-разведочных работ на подземные воды, основанная на системном подходе к изучению их месторождений. Приведена классификация месторождений подземных вод и принципы реализации поисково-разведочных работ.

Системный подход, поисково-разведочные работы, месторождение подземных вод

Короткий адрес: https://sciup.org/147200752

IDR: 147200752

Текст научной статьи Оптимизация методологии поисково-разведочных работ на подземные воды

Цель поисково-разведочных работ -выявление и разведка различных типов месторождений подземных вод (МПВ). Согласно исследованию [2] месторождения подземных вод представляют системы, поскольку при естественном или искусственном формировании приобретают эмерджентное свойство, отсутствующее у их элементов и подсистем. Этим свойством является наличие эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ). Изучение МПВ как систем базируется на использовании пяти универсальных подходов: таксономического, структурного, внутри-функционального, внешнефункционального и генезисного.

Учитывая необходимость изучения месторождения как сложной системы, поисково-разведочные работы (ПРР) тоже следует рассматривать как своеобразную систему, сложность которой определяется ее стадийностью.

Основным методом изучения этой системы является метод последовательных приближений, который заключается в постепенной детализации изучения геологогидрогеологических условий потенциального месторождения наряду с параллель- ной разработкой на его основе модели эксплуатируемого МПВ. В конечном итоге эта модель приближается к отображению реальных условий эксплуатации месторождения. Последовательная разработка моделей (от модели потенциального МПВ к модели эксплуатируемого) обеспечивает прогнозную оценку условий формирования и количества ЭЗПВ, достоверность которой отвечает требованиям соответствующих категорий запасов [4].

Эффективность метода последовательных приближений определяется следующими критериями:

- уровнем разработки классификации МПВ и соответствием этого уровня специфике формирования месторождений и методам оценки ЭЗПВ;
- адекватностью видов и методов ПРР и оценки запасов специфике разведуемого месторождения;
- дифференциацией целей и задач стадий и в соответствии с принципом блокировки возможностью их сокращения или объединения.

Оптимальный учет специфики месторождения как системы возможен при соблюдении следующих принципов:

- использование «большой пятерки» универсальных подходов к изучению МПВ: таксономического (его пространственное положение в недрах и степень изученности за предшествующий период), структурного (форма, состав и свойства его подсистем и элементов), внешнефунк-цонального (связи с сопредельными природными системами, соседними участками недр, поверхностной гидросферой и атмосферой), внутрифункционального (обеспечивающего условия формирования ЭЗПВ), генезисного (источники формирования запасов);
- учет иерархичности месторождения как системы: от МПВ в естественных условиях до месторождения в условиях его эксплуатации (реализация принципа блокировки);
- рассмотрение промежуточных уровней изученности месторождения в рамках ПРР как синтеза универсальных подходов к исследованию системы, каждому из которых соответствуют запасы определенной категории.

Авторский вариант классификационного комплекса месторождений подземных вод представлен ниже в табл. 1-5.

Таблица 1. Таксономия

Гидродинамическая зона

Изучаемое МПВ

МПВ в нераспред. фонде недр (законсервирован.)

Эксплуатируемое МПВ

не выявленное

выяв лен

ное

оце

ненное

не подготовл. к эксплуатации

подгот. к эксплуатации

на неутв. запасах

на утв. запасах

Активного водообмена

(преимущ. пресные

ПВ)

Затрудненного водообмена (преимущ.

минер. воды)

Весьма затрудненного водообмена (пром. и

теплоэнерг. воды)

CQ О й

g О се

g о И О

се

3 о

CQ се

РЦ

с о

s о

о S

8 2 m к

CQ 3

се

CQ се рц

се

CQ се рц

к се

о S у

се

§ и

D CQ

Таблица 2А. Морфология (форма МПВ)

Иерархия МПВ	II-А - в плане			II-Б - в разрезе
Иерархия МПВ	11-А-1 Условно неограниченные	11-А-2 Ограниченные	II-А-З Неясно выраженные	И-Б-1 Открытые	И-Б-2 Перекрытые	II-Б-З Изолированные
МПВ в естественном состоянии	—	а) эрозией б) литологией в) тектоникой	а) площадное б)линейное	а) с зоной аэрации б) с водовмещающими пор одами	а)водоупором б) слоистой водовмещающей толщей	а) региональным выдержанным водоупором
Модель эксплуатируемого МПВ	а) неограниченный пласт б) пласт-круг	а) полуограни-ченный пласт б) пласт-полоса в) круговой пласт и др.	не схемати зируемая	а) однослойный пласт б) двухслойный пласт	а) однослойный пласт б) многослойный пласт	однослойный пласт

Таблица 2Б. Структура (состав и свойства подсистем и элементов)

Иерархия

MПB

Геологическая компонента (подсистема)

Техническая компонента (подсистема)

II-A - водовмещающие породы

II-Б - подземные воды

II-B - водозаборные сооружения

II-A-1 - состав

II-A-2 - фильтрационные свойства

П-Б-1 - состав

П-Б-2 -кондиционные свойства

II-B-1 -вертикальные (скважины)

II-B-2 -горизонтальные (дрена)

§ о к к

S Н

° о

Я о

Я К

3 ° й S s 2 и и Й О d S & & 5 «65 я ? 6 « о Я

ё £ м s § Ния о

S а 8

Ной о 5 К

5 &

Д d cd

6 а а Я Я Я

а S & g « ? g < а д 8

36 о сЗ

36 о

сЗ

3 3

^ 5

о cd

— S

Д д

5 о о о

« 5

о д

о о о

= § о

и о д

W 3

Д ®

о д

й ю О

д о

о д

S о о

S о

Л Л ч

CQ о

^ 3 < S й ^ ^w S ю

Н и

S 2 ■ом

< 3

д S

< Д

Д 4)

7 О

о cd 4)

Е 3

^w к

CQ О

ч о

cd О

^ g

~ н 2

о о

ч о

ю В

II-B-1-а

Система размещения

II-B-1-б Конструкция

II-B-1-в Режим эксплуатации

М g Я g м S И я

ю а (N CQ Д д н н

я В S g к я

о о д

я В к

К о

5 и

я В к

cd g 5

20_______________________________________________________________________ Э. А. Аликин

Таблица 3. Внутреннее функционирование

X В и X - я 8 ® й я S 8 § о о CQ	IV-А - структура и форма МПВ обеспечивают формирование ЭЗПВ за счет внутренних ресурсов				IV-Б - структура и форма МПВ обеспечивают потенциальную возможность формирования ЭЗПВ за счет внешних ресурсов (в процессе эксплуатации)
	IV-A-1 - за счет транзита подземных вод по латерали		IV-A-2 - за счет транзита подземных вод по вертикали		IV-Б-1 - за счет привлечения подземных вод		IV-Б-2 - за счет привлечения поверхностных вод
О О S в и m	IV-А - оптимизация перехвата транзита подземных вод за счет				IV-Б - реализация привлечения внешних ресурсов за счет
	IV-A-1 - обоснование схемы размещения водозаборных сооружений с учетом природоохранных ограничений	IV-A-2 - обоснование конструкции водозаборных сооружений		IV-А-З - обоснование режима эксплуатируемых водозаборных сооружений с учетом природоохранных ограничений	IV-Б-1 - обоснование схемы размещения водозаборных сооружений с учетом природоохранных ограничений	IV-Б-2 - обоснование конструкции водозаборных сооружений	IV-Б-З - обоснование режима эксплуатации водозаборных сооружений с учетом природоохранных ограничений

Таблица 4. Внешние связи (взаимосвязь с определенными системами)

Иерар

хия

МПВ

III-А - подземная гидросфера

III-Б - поверхностная гидросфера

III-В - атмосфера

iii-a-1

Питание

111-А-2

Разгрузка

III-А-З

Связь отсутствует

111-Б-1

Питание

111-Б-2

Разгрузка

III-Б-З

Связь отсутствует

111-В-1

Питание

111-В-2

Разгрузка

III-В-З

Связь отсутствует

Я К

й о

И О о

111-А-1-а

Боковой приток Ш-А-1-б

Нисходящая или восходящая фильтрация

111-А-2-а

Боковой отток 111-А-2-б Нисходящая или восходящая фильтрация

—

111-Б-1-а

Нисходящая фильтрация

111-Б-2-а Боковой отток

111-Б-2-б Восходящая фильтрация

—

111-В-1-а

Инфильтрация

111-В-2-а

Родниковый сток

111-В-2-б

Испарение

—

о о

111-А-1-а

Перехват потока 111-А-1-б

Перетекание из смежных горизонтов

111-А-2-а

Уменьшение или прекращение бокового оттока 111-А-2-б Прекращение фильтрации в смежные горизонты

—

111-Б-1-а

Фильтрация поверхностных вод

111-Б-2-а

Прекращение или сокращение бокового оттока 111-Б-2-б

Прекращение восходящей фильтрации

—

Ш-В-1-а

Питание подземных вод

111-В-2-а

Прекращение или уменьшение родникового стока 111-В-2-б

Прекращение испарения

—

Оптимизация методологии поисково-разведочныхработ на подземные воды ______ 21

Таблица 5. Генезис месторождений подземных вод

Иерархические уровни MПB	V-A - естественные и искусственные запасы и ресурсы подземных вод						V-Б - привлекаемые ресурсы подземных вод
	V-A-1 Естественные запасы	V-A-2 Естественные ресурсы		V-A-3 Искусственные запасы и ресурсы			V-Б-1 За счет подземных вод		V-Б-2 За счет поверхностных вод
в к X _m S § н Й И CQ	Полные потенциальные возможности						Прогнозируемыe
	V-A-1-a Гравитационныe	V-A-1-б Упругиe	V-A-2-a Инфильтра-ционныe	V-A-2-б Стоковыe	V-A-3-a Постоянного питания	V-A-3-б Периоди-чeского питания	V-Б-1-a Пepeтeканиe из смeжных горизонтов	V-Б-2-a Постоянноe питаниe		V-Б-2-б Периодиче-скоe питаниe
S	Обоснованная доля участия (и , ) в ЭЗПВ, исходя из:
	- Объема осушения водовмещающих пород; - Коэффициента водоотдачи водо-вмeщающих пород	- Объема дeпpeссии напора; - Коэффици-eʜта упругой водоотдачи пород	- Инфильтра-ционноe питание; - Площадь воронки депрессии	- Приведение к 90% обeспeчeнности - Доля использования (по аналогии)	- Инфильтрационное питание; - Качество инфильтрационных вод		- Фильтраци-онныe свойства раздельного слоя; - Качество привлeкaeмых вод	- Гидравлическое сопротивлeʜиe ложа реки; - Качество привле-кaeмых вод

22 _______________________________________________________________________ Э. А. Аликин

Использование в указанных таблицах кодировки каждого из универсальных подходов позволяет характеризовать уровень изученности МПВ посредством дроби: в числителе - сведения о его естественном состоянии (через дефис), в знаменателе - о прогнозном в условиях его эксплуатации (аналогично широко известной формуле Курлова).

С позиций системного подхода ПРР -это процесс целенаправленного изменения состояния участка недр (объекта изучения). Его целью является разработка оптимальных методов перевода месторождения из естественного состояния в устойчивое функционирование всей природно-технической системы (эксплуатируемое МПВ). Функция управления поисково-разведочными работами состоит в обеспечении работоспособности геологотехнического комплекса, под которой понимается возможность месторождения как системы поддерживать стабильность структуры и элементного состава в течение требуемого времени, сохранять характеристики параметров (количество ЭЗПВ и качество извлекаемых подземных вод) в требуемых пределах в течение заданного времени эксплуатации МПВ.

Таким образом, ПРР представляют совокупность геологической, технической и управляющей компонент, образующих единую систему целенаправленного поведения, связанных единством выполняемой функции и локализованных в пределах площади МПВ.

Сложность месторождения и реализуемого технологического процесса его изучения (ПРР) находит свое отражение в способе их описания. Именно таким способом является системное моделирование, в результате которого создается взаимоувязанная, иерархически организованная совокупность частных моделей. Эта совокупность создается путем последовательного перехода в описании сложной системы от одного фактора к другому и с одного иерархического уровня на другой. Обращая внимание на системное моделирование, следует понимать, что модели мо гут быть не только математическими, но и вербальными (мысленными), при этом в них обязательно должны быть выделены все основные предпосылки, гипотезы, на которых они основаны. Эффективность ПРР зависит в первую очередь от правильности основных предпосылок моделей разведуемого месторождения. При этом в центре внимания должно быть содержание изучаемых событий (перевод МПВ из естественного состояния в состояние эксплуатации).

Латентный характер изменений внутреннего функционирования, внешних связей и качества подземных вод при переводе месторождения в эксплуатацию предо -пределяет использование в ПРР метода «черного ящика». Он заключается в том, что на вход модели целенаправленно подаются определенные воздействия (опытно-фильтрационные и геофизические работы), а на выходе снимаются последствия как реакция объекта (разведуемое месторождение) на эти воздействия (формирование воронки депрессии определенной конфигурации, изменение параметров различных геофизических полей). Этот метод позволяет более обоснованно и однозначно составить прогнозную модель эксплуатируемого МПВ на основе эмпирического опыта.

Эффективность ПРР проявляется в оптимизации решения задач каждой стадии и обеспечивается следующими условиями:

- уровнем разработки теоретических основ методологии ПРР;
- качеством интерпретации материалов предшествующих работ на объекте;
- выбором рациональных методов поисково-разведочных работ, их последовательностью и комплексированием;
- соблюдением технологии и регламента выполняемых работ;
- уровнем квалификации исполнителей.

«Временное положение о порядке проведения геологоразведочных работ по этапам и стадиям (подземные воды)» [3] узаконило дифференциацию ПРР на этапы и стадии, определило цели и задачи промежуточных стадий. Однако следует констатировать, что в данном нормативнометодическом документе ошибочно сужено решение проблемы до вопроса увязки стадийно сти ПРР с категоризацией ЭЗПВ и перечнем видов работ, рекомендуемых к выполнению на конкретной стадии. С позиций системного подхода такая концепция представляется недостаточной, так как в ней, по существу, игнорируются, хотя и декларируются, специфические особенности изучаемых месторождений, определяющие конкретный комплекс поисково-разведочных работ и метод оценки запасов подземных вод в пределах каждой стадии.

Если изучаемое месторождение является объектом познания, оценка запасов -целью, то поисково-разведочные работы -это средство ее достижения. В природе естественным путем реализуется лишь часть тех возможных связей и отношений между материальными объектами, которые в принципе допускаются их свойствами и объективными природными закономерностями (формирование МПВ в естественных условиях). Целенаправленно изменяя условия, сочетая различные, соответствующим образом подобранные процессы (ПРР), гидрогеолог реализует в практике то, что в естественной природе лишь может произойти (формирование МПВ под влиянием искусственных факторов).

В начальный период целью поисковоразведочных работ является познание естественного состояния МПВ, имеющего форму естественно-природной целесообразности, в последующем цель - это конечный, заранее запрограммированный результат (оценка запасов промышленных категорий), на достижение которого направлены поисково-разведочные работы, выполняющие в данном случае функцию управления.

Исходя из определения стадийности ПРР в рамках системного подхода необходимо соблюдать следующие разрабо- танные автором принципы ее реализации и;

1. Принцип выбора цели. Эффективность ПРР достигается лишь в том случае, когда возможно четкое формулирование локальных целей как результат познавательных или конструктивных действий в пределах каждого промежуточного этапа.
2. Принцип иерархии и группировки. При реализации стадийности следует опираться на концепцию уровней организации системы, согласно которой ПРР состоят из этапов, находящихся в иерархической соподчиненности, при обосновании оптимальности выделения этапов следует учитывать принцип блокировки, т. е. возможность объединения или исключения этапов.
3. Принцип моделирования и управления. Системное моделирование представляет собой последовательно создаваемую цепочку усложняющихся моделей изучаемого месторождения, которые обеспечивают выявление прямых и обратных связей между объектами ПРР и их целью. Процесс формирования этих моделей на основе выявленных взаимосвязей является, по существу, процессом управления, цель которого - последовательный перевод изучаемого МПВ из естественного состояния в некоторое желаемое (эксплуатация с определенными параметрами).
4. Принцип адекватности. Существование неразрывной связи между системами МПВ-ПРР-ЭЗПВ позволяет утверждать, что оптимальность достижения конечной цели ПРР зависит от уровня адекватности структур этих систем на всех этапах изучения месторождений. Поскольку сложность гидрогеологических условий изучаемого объекта, определяющего его структуру, - познаваемая данность, а соблюдение требований к оценке ЭЗПВ различных категорий - неизменное условие достижения цели, то важнейшим механизмом взаимоувязки их структур, обеспечивающим принцип адекватности, является варьирование структурой ПРР, т. е. количеством стадий.

Список литературы Оптимизация методологии поисково-разведочных работ на подземные воды

Аликин Э.А. Месторождения подземных вод в рамках системного подхода//Разведка и охрана недр. 2008. № 3. С.46-48.
Аликин Э.А. Методология изучения месторождений подземных вод на основе системного подхода: автореф. дис. к.г.-м.н. Пермь, 2009. 22 с.
Временное положение о порядке проведения геологоразведочных работ по этапам и стадиям/(подземные воды)/МПР РФ. М., 1998. 27 с.
Классификация эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод МПР РФ. М., 2007. 10 с.

Статья научная