Оптимизация методологии поисково-разведочных работ на подземные воды

Аликин Э.А.; Alikin E.A.

Оптимизация методологии поисково-разведочных работ на подземные воды

Автор: Аликин Э.А.

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

Рубрика: Гидрогеология

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 | УДК: 551.49/556.3

Optimization of search methodology and exploration works on underground waters

In the article original concept of optimization of geological search and exploration works on underground waters is substantiated. The concept is grounded on system approach to learning of the underground waters deposits. Classification of the underground waters deposits and principles of realization of search and exploration works are resulted.

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.