В то же время подобная система наблюдений мало эффектавна для условий, отвечающих второму режиму рассеяния. Для него ха­рактерно формирование объемных ореолов загрязнения, испытыва­ющих сильное влияние плановой и профильной фильтрационной дисперсии (см. разделы 6.3 и 6.4), за счет которой происходит замет­ное разбавление мигрирующих стоков. Сам процесс рассеяния тяго­теет к стационарности (квазистационарности), по крайней мере, в областях, прилежащих к бассейнам. В этих условиях первостепенное значение приобретает изучение пространственных закономерно­стей, обусловленных широким развитием процессов смешения. На­иболее надежно контролировать такое загрязнение будут площадные системы наблюдательных скважин, расположенные по линиям не только вдоль, но и вкрест направления основного переноса. Такой контроль будет оптимальным, так как он позволяет оценить:

|~Г] обеспеченность мигрирующими солями различных расчет­ных сечений потока-носителя, что является обязательным элемен­том эпигнозных, а затем и прогнозных построений (проводимых, в частности, для установления времени достижения ореолом своего квазистационарного положения);

|~2~| роль эффектов поперечного рассеяния, т.е. масштабы за­грязнения.

Специального подхода требует постановка наблюдений в усло­виях гравитационной дифференциации промышленных стоков в водоносных горизонтах, коща естественные гидродинамические гра­ницы пласта и структура фильтрационного течения (гидродинами­ческая сетка) слабо контролируют реальную геометрию ореола за­грязненных вод, претерпевающего значительную деформацию под влиянием плотностной конвекции (см. раздел 6.1.2). Кроме того, предсказание действительной конфигурации ореала загрязнения ус­ложняется и ввиду отсутствия в большинстве случаев данных о проф­ильной фильтрационной анизотропии и неоднородности водоносных пород.

Все это делает весьма неопределенным планирование гидрохи­мических наблюдений за миграцией разноплотностных жидкостей. Полезно поэтому отметить достаточно Типичные черты развития такого загрязнения, которые надо учитывать при выборе общей схе­мы гидрохимического контроля:

|Т] быструю стабилизацию границы раздела между разно- плотностными жидкостями в центральной части ореола, прилежа­щей к бассейну, из-за чего наблюдения за положением этой границы почти ничего не говорят о возможных масштабах процесса за преде- ламиданной области;

более активное продвижение тяжелых стоков по подошве

пласта в сравнении с интенсивностью их миграции в верхней его части;

плотностную конвекцию, резко усиливающую интенсив­ность межслоевого обмена в профильно-неоднородных толщах, поэ­тому неоднородность в разрезе поля действительных скоростей филь­трации может заметно сглаживаться, что приводит и к выравнива­нию профильного положения концентрационны фронтов по отдель­ным слоям;

|~4~| при весьма значительном превышении плотности сточных растворов над плотностью пластовых вод вблизи бассейна-накопите­ля и под его дном формируется интрузия рассолов, так что загрязне­ние водоносного горизонта может происходит в основном за счет сноса солей с ее поверхности огибающим естественным потоком под­земных вод. При этом размеры самого тела концентрированных рас­солов могут оставаться стабильными весьма длительное время. Для выявления контуров загрязнения в подобной ситуации могут, наряду с режимными наблюдениями по скважинам, с успехом использовать­ся плошадные геофизические методы, которые достаточно хорошо реагируют на изменение электропроводности пород, насыщающихся сильноминерализованными растворами.

В целом уже из самого общего анализа следует очевидный вывод о том, что всестороннее изучение процессов загрязнения подземных вод возможно только путем наблюдений концентрационных пблёй на достаточно большом расстоянии от бассейна: контроль по скважи­нам, расположенным вблизи источника загрязнения, которые очень быстро оказываются за фронтом переноса, не позволяет надежно установить характер миграции в пласте, поскольку для оценки фи­зико-химических и дисперсионных эффектов основной интерес пред­ставляют точки наблюдения в пределах переходной зоны. Отсюда мож­но сделать вывод о том, что требования к плотности и расположению скважин режимной сети с позиций гидродинамики, с одной стороны, и гидрохимии, с другой — существенно различаются.

Особо следует остановиться на специфике требований к разме­щению точек гидрохимического контроля по вертикали. С учетом; профильной фильтрационной неоднородности и анизотропий, а Так-?” же важного фактора гравитационной дифференциации загрязнен­ных и естественных вод основное загрязнение часто можетйдти лишь в пределах ограниченной по мощности зоны водоносного'пласта. Поэтому пробы из скважин, фильтры которых расположены вне зоны преобладающего загрязнения или, наоборот, заметно превышают их мощность, оказываются здесь непредставительными. Отсюда выте­кает необходимость детального опробования фильтрующей толщи по всей ее мощности, что не увязывается с существенно менее жесткими требованиями к гидродинамическим наблюдениям по пьезометрам в условиях плановой фильтрации . Для вертикальной дифференциа­ции проб воды, отбираемых на участке загрязнения, необходимо либо увеличение объемов бурения, либо применение пьезометров с секционными фильтрами, поинтервально изолируемыми перед цро- качкой скважины и отбором пробы.

Одним из наиболее ответственных моментов в системе режим­ных наблюдений является отбор представительных проб, состав ко­торых может быть искажен физико-химическими процессами, про-т текающими в скважинах. Поэтому отбору проб должна обязательно предшествовать прокачка скважин, причем обычно ее минимальный объем нельзя определить заранее. Наиболее надежными показателя­ми необходимой интенсивности прокачки можно считать, по-види­мому, параметры, непосредственно отражающие свойства воды. Сю­да, например, следует отнести удельную электропроводность, pH, Eh и температуру. Стабилизация этих параметров при прокачке может служить критерием для допустимости Отбора гидрохимической про­бы на анализ. Если контроль перечисленных параметров по каким- либо причинам невозможен, то минимальный объем прокачки дол­жен быть не менее пяти обводненных объемов скважины, причем пробы всегда желательно отбирать на уровне фильтра.

Пренебрежение требованиями, обеспечивающими качествен­ный отбор проб из наблюдательных скважин, может привести на практике к совершенно неверным выводам о тенденциях изменения химического состава подземных вод во времени. Так, в результате предварительного анализа материалов гидрогеологических изыска­ний, проводившихся в одном из горнодобывающих районов КМЛ [21 ], было установлено, что минерализация подземных вод, отбира­емых дренажными скважинами карьеров, в целом заметно выше минерализации вод тех же горизонтов, но охарактеризованных про­бами из пьезометров региональной режимной сети. Такая ситуация ставила под сомнение возможность использования дренажных вод для питьевого водоснабжения, поскольку напрашивался вывод о про­грессирующем ухудшении качественных показателей воды в резуль­тате резкого нарушения общей гидрогеологической обстановки. На самом же деле, более детальные исследования указали на малую представительность гидрохимического опробования, проводившего­ся большей частью без предварительной прокачки пьезометров. По­следнее и повлекло за собой повсеместное проявление процессов деминерализации воды в стволах наблюдательны скважин - эту тен­денцию, в сущности, и отражали выполненные наблюдения. 6 то же время вода из эксплуатационных скважин, отвечавшая истинному составу подземных вод, практически не претерпела изменений в процессе дренажа месторождения и вполне соответствовала требова­ниям, предъявляемым к питьевым водам. Сказанное иллюстрирует­ся данными опробования (рис. 7.5) гидрокарбонатно-кальциевых вод района, ще уменьшение общей минерализации М в наблюдательных скважинах связано с выпадением из раствора карбоната кальция (содержание кальций-иона дается по оси ординат графика).

6 целом гибкий и целенаправленный гидрогеологический конт­роль, основанный на глубоком понимании особенностей гидродина­мических и миграционных процессов и всесторонне учитывающий информацию о фильтрационных и миграционных параметрах, пол­ученную режимными наблюдениями (наряду с опытными работа­ми) , позволяет эффективно управлять ресурсами и качеством под­земных вод.

2. Общие принципы гидрогеологической схематизации в связи с постановкой опытных работ и наблюдений

Под гидрогеологической схематизацией (ГГС) понимается сово­купность операций, с помощью которых реальная гидрогеологиче­ская обстановка на конкретном объекте упрощается до уровня неко­торой расчетной модели. При этом упускаются малозначащие дета­ли, но сохраняются принципиальные черты изучаемого процесса, определяющие условия функционирования природного и (или) ин­женерного объекта. Надежная схематизация подразумевает эффек­тивное использование накопленной гидрогеологической информа­ции. В частности, ГГС обеспечивает стыковку между общим гидро­геологическим анализом, проводимым на качественном уровне, й математической моделью процесса. Связывая геологическую основу с ее механическим описанием, ГГС является важнейшим звеном гидрогеологических прогнозов, во многом предопределяющим их точность и надежность.

Со * *^г/л

13*

U0

10*1

90

75

«О

45

Зо

6

.А

А

А

А

"Г~Т "ГТ"

340 420 506

М,*%

А* *. *• ,

-::.а*а*да

• •••** ^

А.

т— ~Г~ 590 йбЬ

и*

Рис. 7.5. Результаты химических анализов проб воды, отобранных из эксплуатационных (1) и наблюдательных скважин без прокачки (2)

Вместе с тем положение ГГС на стыке геологического и механи­ческого анализов делает ее сложнейшим элементом гидрогеологиче­ских исследований, и именно здесь наиболее полно проверяется ком­петентность специалиста-гидрогеолога, призванного представлять в одном лице и геолога, и инженера. А последнее, конечно, немыслимо без глубокого понимания теории ДПВ. Более того, только такое по­нимание создает объективную основу для практической реализации эффективных принципов ГГС, предопределяющих и методы Схёма-

тизации, и ее надежность, и связь ее с решением другой важной проблемы - обеспечением полноты и качества исходной гидрогеоло­гической информации при проведении гидрогеологических изыска­ний: здесь имеются в виду принципы непрерывности, адаптации и обратной связи.

1. Принцип непрерывности ггс

Это — наиболее очевидный из упомянутых принципов, предпо­лагающий последовательное проведение схематизации на всех ста­диях освоения объекта, на основе преемственности от первых до последних стадий разведки, далее — к проекту и, наконец, к гидро­геологическим наблюдениям при строительстве и эксплуатации ин­женерного сооружения. В соответствии с этим принципом ГГС рас­сматривается как непрерывный многоэтапный процесс построения гидрогеологической модели объекта, уровень точности и надежности которой возрастает от этапа к этапу. Необходимость принципа не­прерывности не нуждается в аргументах: он прямо вытекает из при­нятой на практике последовательности гидрогеологических работ (в частности, разведки) и стадийности накопления информации. Здесь же уместно скорее поговорить о тех сложностях получения и интер­претации этой информации, которые делают непрерывный подход к ГГС единственно эффективным.

Прежде всего, в основе упомянутых сложностей лежит сильное проявление различных масштабных (пространственно-временных) эффектов, часто делающих невозможным определение достоверной информации по данным сравнительно мелкомасштабных экспери­ментов, обычно характерных для периода разведки месторождения. К тому же такие эксперименты нередко сильно искажены влиянием трудно учитываемхы технических факторов. Во избежание повторе­ния достаточно сослаться на все рассмотренные в гл. 5 ограничения и недостатки опытно-фильтрационных работ, особенно одиночных от­качек и экспресс-опробований. Наиболее типичным примером, где недостатки такого рода проявляются особенно резко, могут служить месторождения, приуроченные к массивам закарстованных карбо­натных пород.

Добавим к этому возможность коренных изменений в гидрогео­логической ситуации при строительстве и эксплуатации инженерно­го объекта, трудно учитываемых или вообще не прогнозируемых по данным разведки. Упомянем в этой связи инверсию поверхностных водотоков, которые из областей разгрузки часто превращаются в контура питания; резкое усиление взаимосвязи пластов в результате перетекания или поступления воды из разделяющих слоев; интен­сивное питание и загрязнение подземных вод за счет вновь возника­ющих технических водоемов, причем характер граничных условий на контуре такого водоема, часто зависящий от наличия в его ложе слабопроницаемых техногенных грунтов, остается неопределенным; техногенные изменения проницаемости в результате деформаций горных пород над подземными выработками (см. раздел 8.1.4).

Отсюда следует, что в довольно широком круге условий гидроге­ологические изыскания практически неспособны выявлять с необхо­димой полнотой и достоверностью исходные данные, требуемые для построения расчетной модели объекта. В подобных ситуациях схема­тизация результатов разведки на первых этапах должна быть на­правлена на обоснование самого факта существования неизучен­ных параметров и на их выявление, на доказательство их важности для конечной расчетной модели изучаемого объекта. На базе анализа фактического материала схематизация должна констатировать принципиальную невозможность оценки этих параметров применяв емыми методами, вовремя ограничить наращивание объемов соот­ветствующих (с этой точки зрения — бесполезных) видов изысканий и дать доказательную основу для составления программы последую­щего изучения упомянутых параметров путем более крупномасш­табных экспериментов или (что чаще) посредством гидрогеологиче­ских наблюдений.

Роль наблюдений в обеспечении непрерывности и преемствен­ности схематизации трудно переоценить. Во-первых, в их результа­тах обычно исключается или сводится к минимуму влияние масштаб­ного фактора. Во-вторых, значения наблюдаемых возмущений (по­нижений напоров, изменений концентрации вещества й т.п.), как правило, имеют один порядок с ожидаемыми при эксплуатации соо­ружения, что позволяет избежать серьезных погрешностей прогноза, связанных с недоучетом возможной нелинейности процессов (напри­мер, в проявлении емкостных свойств пород - см. раздел 5.3). В- третьих, в результатах наблюдений находит отражение влияний тех­ногенных факторов, в том числе и тех из них, которые практически не могут быть учтены по результатам предварительных изысканий. Мощным методом схематизации, базирующимся на результатах на­блюдений, является решение обратных задач, направленное на оп­ределение и корректировку исходных параметров фильтрации (см. раздел 7.2) или миграции (см. раздел 7.4).

В непрерывности схематизации заложены предпосылки для ре­ализации следующих двух принципов.

2. Принцип адаптации

Этот пренцип предполагает тесную взаимосвязь схематизаций с ростом объема и качества гидрогеоогической информации, причем важнейшим в таком определении является именно взаимный харак­тер этой связи. С одной стороны, в процессе непрерывной схематиза­ции проводится постоянное обновление и перестраивание расчетной модели объекта в соответствии с новой инофрмацией, поступающей на каждой стадии изыскании и наблюдений. С другой стороны, схе­матизация управляет процессом наращивания информации при гидрогеологических изысканиях и наблюдениях, которые, в свою очередь, приспосабливаются к требованиям модели, «самообучают­ся» через посредство модели. Короче говоря, модель помогает пол­учить новую информацию, через нее осуществляется руководство разведочным процессом, его оптимизация. Уровень такой взаим­ной адаптации постепенно повышается по мере проведения изыска­ний и наблюдений. Проследим это на примере опытно-фильтрацион­ных исследований.

На первом этапе схематизация обычно позволяет включить изу­чаемый водоносный комплекс в типовые классификационные рамки (см. раздел 5.2). На следующем этапе этот первый вариант расчетной модели используют уже для уточнения целесообразных видов опыт­ных опробований и методики их проведения (см. подробнее гл. 5 и раздел 7.1), причем главный упор пока делают на сравнительно не­дорогие мелкомасштабные и кратковременные опробования (напри­мер, пробные и одиночные откачки). Оценка данных первой серии таких опробований (в частности, по сопоставлению с единичными контрольными экспериментами более крупного масштаба) позволя­ет охарактеризовать их достоверность и наметить их целесообразные объемы. Для этого используют различные статистические оценки, отражающие изменение совокупности расчетных параметров (на­пример, среднеквадратичного отклонения) по мере роста числа одно­типных опробований . Новый этап опытных работ характеризуется гораздо более широким привлечением крупномасштабных и более длительных опробований (кустовых откачек), причем и выбор уча­стков их проведения, и планы этих экспериментов отталкиваются от расчетных моделей, обоснованных предшествующими опробования­ми. Дальнейшая адаптация проводится непосредственно по ходцу экспериментов с использованием текущих индикаторных графиков (более подробно см. раздел 7.1).

Понятно, что подобное оперативное планирование стратегии изысканий требует от специалиста достаточно ясного понимания теоретических основ фильтрационных процессов при опытных опро­бованиях: проводя схематизацию, он должен все время ориентиро­ваться на возможную в данных условиях расчетную модель процесса. И, наоборот, адаптация расчетной модели проводится наиболее эф­фективно при привлечении к анализу различного рода аналогий, базирующихся прежде всего на личном опыте специалиста, на его умении комплексно оценить и увязать в единой модели разнородную информацию.

Наконец, высший уровень адаптации отвечает проектированию и проведению гидрогеологических наблюдений в соответствии с тре­бованиями расчетной модели, полученной на последних этапах изы­сканий. В таком варианте реализация принципа адаптации особенно тесно связана с необходимостью соблюдения принципа обратной свя­зи, хотя и во многих рассмотренных примерах эта связь также пред­полагалась.