Методология изучения месторождений подземных вод на основе системного подхода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Методология изучения месторождений подземных вод на основе системного подхода

Специальность 25.00.07 - «Гидрогеология»

Аликин Эдуард Александрович

Пермь 2009

Работа выполнена в Пермском государственном университете на кафедре динамической геологии и гидрогеологии.

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Катаев Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Абдрахманов Рафил Фазылович

доктор геолого-минералогических наук, профессор Кудряшов Алексей Иванович

Ведущая организация: ОАО «Пермгипроводхоз», г. Пермь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Подземные воды являются полезным ископаемым, добыча которого обеспечивает хозяйственно-питьевое и производственно-техническое водоснабжение (пресные воды), санаторно-курортное лечение (минеральные воды), извлечение ценных компонентов (промышленные воды) и использование его, как теплоэнергетического сырья (термальные воды). Пресные подземные воды относятся к стратегическим видам полезных ископаемых, поскольку являются как приоритетными источниками хозяйственно-питьевого водоснабжения населения, так и единственным источником питьевого водоснабжения на период чрезвычайных ситуаций.

В соответствии с действующими законодательными актами Российской Федерации (закон «О недрах», Водный кодекс и др.) добыча подземных вод допускается только при оценке их эксплуатационных запасов (ЭЗПВ), которые должны пройти государственную геологическую экспертизу, а также наличии лицензии. Поэтому выявление и изучение месторождений подземных вод (МПВ) и оценка в их пределах эксплуатационных запасов является непременным условием использования подземных вод как полезного ископаемого. В этой связи весьма актуальна проблема повышения экономической эффективности поисково-разведочных работ, основанной на методологии изучения месторождений и оценке запасов подземных вод с использованием системного подхода, обеспечивающего позитивный характер взаимоотношений человека с окружающей средой.

Объект исследований - перспективные участки недр для выявления и разведки месторождений подземных вод.

Предмет исследований - принципы и критерии использования методических приемов системного подхода при изучении месторождений подземных вод.

Цель работы - разработка методологии изучения месторождений подземных вод, принципов стадийности поисково-разведочных работ и категорийности запасов подземных вод.

Основные задачи исследований:

- обосновать необходимость рассмотрения изучаемых месторождений подземных вод, стадийности поисково-разведочных работ и категоризации эксплуатационных запасов подземных вод как систем;

- установить цели системных исследований, состав, свойства и структуру систем, алгоритм их изучения;

- разработать классификацию месторождений подземных вод, исходя из классических подходов к изучению систем;

- разработать и обосновать оптимальность методологических принципов изучения месторождений подземных вод.

Фактический материал и методы исследований. В основу работы положены результаты практической деятельности автора (поисково-разведочные и тематические работы на подземные воды) в различных регионах страны (Прибайкалье, Западная Украина, Центрально-черноземный район, Прикамье) в качестве ответственного исполнителя, руководителя (главного гидрогеолога партии, экспедиции, директора предприятия) и эксперта (заместителя председателя ТКЗ при Пермгеолкоме) за период 1961-2008 гг. За это время автором разведано 6 месторождений подземных вод, запасы которых успешно прошли государственную экспертизу; оценены запасы по 7 действующим водозаборам; при его методическом руководстве было разведано 8 месторождений подземных вод; в ТКЗ прошли экспертизу более 15 отчетов по поисково-разведочным работам с оценкой запасов подземных вод.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней на современном уровне:

- обосновано использование методологии системных исследований в разведочной гидрогеологии;

- рассматриваются и исследуются как взаимосвязанные системы месторождения подземных вод, поисково-разведочные работы и категорийность эксплуатационных запасов подземных вод, где в роли объектов выступают месторождения подземных вод, в роли целей - эксплуатационные запасы подземных вод, а в роли средства достижения цели - поисково-разведочные работы; дана характеристика цели, состава, свойств и структуры этих систем и алгоритм их изучения;

- разработана классификация месторождений подземных вод, как альтернатива «Типизации месторождений подземных вод» Н.И. Плотникова (1959);

- разработаны методологические принципы изучения месторождений подземных вод.

Практическая значимость работы определяется возможностью оптимизировать методы разведочной гидрогеологии, сократить сроки и стоимость работ посредством:

- конкретизации целей и задач на всех уровнях изучения месторождений подземных вод;

- сокращения стадийности методов поисково-разведочных работ в результате обоснованного исключения или совмещения стадий.

Защищаемые положения:

1. Месторождения подземных вод являющиеся сложными динамическими системами, объективно изучаются только с учетом подвижности и возобновляемости запасов подземных вод.

2. Классификация месторождений подземных вод являющаяся основой подбора наиболее оптимальных и эффективных методов поисково-разведочных работ.

3. Методология изучения месторождений подземных вод, основанная на системном анализе, повышает теоретическую обоснованность и практическую рациональность комплекса методов разведочной гидрогеологии.

Апробация работы и публикации. Несмотря на новизну подходов к решению данных проблем и дискуссионность предлагаемых решений, к настоящему времени часть научных разработок автора в том или ином виде нашла отражение в действующих нормативно-методических документах МПР РФ, регламентирующих процесс поисково-разведочных работ и категоризацию запасов подземных вод:

1. Из «Классификации эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод» исключена «Типизация месторождений подземных вод» Н.И. Плотникова после ее критики в статье автора (1987).

2. Во «Временное положение о порядке проведения геологоразведочных работ по этапам и стадиям (подземные воды)» (1998):

- введен принцип адекватности стадийности поисково-разведочных работ и категорийности эксплуатационных запасов, реализуемый варьированием структурой поисково-разведочных работ, т.е. количеством стадий, предложенный автором (1990);

- включено совмещение разведки и эксплуатационной разведки (опытно-промышленная эксплуатация) в качестве самостоятельного вида поисково-разведочных работ, предложенное автором (1990).

По теме диссертации автором опубликовано 8 работ, из них 4 в журналах, поименованных в списке ВАК и рекомендованных экспертным советом по наукам о Земле. Результаты диссертационного исследования докладывались на научно-практических конференциях «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (1997, 2007, 2009).

Достоверность результатов исследований. Разработанные автором принципы системного подхода применительно к методологии разведочной гидрогеологии были использованы при проведении поисково-разведочных работ на подземные воды для водоснабжения гг. Осы и Соликамска, ОАО «Пермнефтеоргсинтез», ОАО «АВИСМА», ОАО «Сильвинит», а также при экспертизе отчетов с подсчетом запасов подземных вод в Пермском филиале государственной комиссии по запасам полезных ископаемых МПР России. Их применение при поисково-разведочных работах позволило существенно сократить стоимость работ и сроки их выполнения, а при экспертизе - указать на методические недоработки, связанные с некорректным использованием существующей методики работ и оценки эксплуатационных запасов подземных вод.

Использование принципов системного подхода подтверждает необходимость корректировки существующей методологии поисково-разведочных работ посредством конкретизации целей и задач каждого уровня изучения месторождений подземных вод, осмысленной разработки алгоритма их стадийности.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и библиографического списка, включающего 24 наименования. Объем диссертации 98 страниц машинописного текста, содержащего 3 рисунка и 7 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору В.Н. Катаеву; благодарит за полезные советы, критические замечания и практическую помощь преподавателей и сотрудников кафедры динамической геологии и гидрогеологии Пермского государственного университета.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Анализ нормативно-методических документов

Существование неразрывной связи между системами месторождений подземных вод (МПВ) - поисково-разведочных работ (ПРР) - эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) позволяет утверждать, что оптимальность достижения цели зависит от уровня адекватности структур этих систем на всех этапах изучения месторождения (1990). Анализируя состояние каждого элемента структуры, находящегося во взаимодействии с другими элементами, составляющими взаимоувязанный комплекс, необходимо отметить разнопорядковость разработки указанных систем. Если для систем ЭЗПВ и ПРР разработаны, утверждены и функционируют: «Классификация запасов и прогнозных ресурсов подземных вод» и «Временное положение о порядке проведения геолого-разведочных работ по этапам и стадиям (подземные воды)», то для МПВ такого нормативно-методического документа еще не создано.

Использованная для этих целей «Типизация месторождений подземных вод» Н.И. Плотникова (1959) в настоящее время не фигурирует в официальных нормативно-методических документах, поскольку утратила свое позитивное назначение, ввиду расширения и углубления знаний о формировании месторождений. Именно по этой причине в конце XX века оптимизация ПРР на некоторых «не стандартных» месторождениях достигалась в значительной степени эмпирическим путем (1987).

«Временное положение о порядке проведения геологоразведочных работ по этапам и стадиям (подземные воды)» узаконило дифференциацию ПРР на этапы и стадии, определило их цели и задачи. Однако следует констатировать, что в этом документе перечисляются виды полевых работ каждой стадии без учета специфики конкретного месторождения и обоснования методики оценки ЭЗПВ. С позиций системного подхода такая концепция представляется недостаточной, так как в ней по существу игнорируются, хотя и декларируются специфические особенности изучаемых месторождений, относящихся к различным группам сложности по гидрогеологическим условиям согласно критериям, изложенным в «Классификации …».

Из изложенного следует, что оптимизировать ПРР, а, следовательно, повысить их эффективность, возможно только при разработке классификации месторождений подземных вод с использованием системного подхода.

Осознанная формулировка проблематики и основных понятий методологии системного подхода возникла в 30-х годах прошлого века. В предшествующий период господствовали аналитический и организмический подходы к объектам научных исследований.

Первый не учитывает, что кроме свойств частей существует еще структура целого, выступающая как совокупность взаимосвязей частей, влияющая как на поведение частей, так и на функционирование целостного объекта; второй же не учитывает, что свойства целого в определенной степени зависят от свойств частей и их взаимоотношений.

В поисках средств, характеризующихся высокой эффективностью, современная наука пришла к системному подходу, который получает все большее распространение.

Под системой целесообразно понимать совокупность объектов, определенным образом связанных между собой и образующих некоторую целостность. Объекты, образующие систему, называются элементами или подсистемами.

Изучение объекта материального мира как системы сопряжено с необходимостью использования «большой пятерки» возможных подходов к таким объектам: изучение таксономии, структуры, истории, внутреннего функционирования, внешних связей. При каждом подходе изучается своя линия, свое основание существования и развития объекта. Необходимая степень целостности представлений об объекте может быть достигнута лишь на основе совместного использования данных, полученных при каждом из подходов в отдельности.

Таким образом, основная задача системных исследований - анализ, конструирование и управление функционированием любых объектов, которые можно рассматривать как системы.

Решающее значение системный подход придает внутренней организации, структуре системы. Совокупность элементов или подсистем, принадлежащих одному горизонтальному ряду системной иерархии, называется уровнем иерархии.

Знание структуры системы - это знание закона, по которому порождаются элементы (подсистемы) и отношения между ними (в пространстве, времени или в любых других координатах). Структура любой системы выступает как взаимосвязь, взаимодействие элементов и подсистем, вступающих друг с другом в определенные отношения не вообще, а в связи с определенным процессом, с решением конкретной задачи, с определенным способом взаимодействия с окружающей средой.

Для понятия сущности системы и ее функционирования существует способ связи элементов; наиболее общими характеристиками являются: эмерджентность, координация, субординация и корреляция.

В сложности геологических объектов как систем необходимо различать три основных аспекта: множественность оснований развития как источник сложности, множественность уровней строения (иерархическое строение) как форма существования сложности и множественность уровней значений свойств (геологическая неоднородность) как форма проявления сложности.

В общей теории систем сформулирован закон, который гласит, что о любом уровне иерархической организации природного объекта можно узнать столько, сколько позволяет имеющееся знание о двух соседних уровнях - более высоком и более низком. Этот закон носит название принципа блокировки.

Системы, способные к адаптации, обучению называются целенаправленными, а не обладающие такими способностями - целеустремленными. При изучении первых целью называется состояние системы, носящее форму природно-естественной целесообразности; при изучении второй - цель - это конечный, заранее запрограммированный результат, она является исходным пунктом процесса управления, выдвигается и осуществляется людьми.

Глава 3. Месторождение подземных вод как сложная система

Отличительной и главной особенностью месторождений является возобновляемость их запасов. Подземные воды - единственное полезное ископаемое, в процессе эксплуатации которого происходит не только расходование, но, во многих случаях, и дополнительное формирование их, вызванное усилением питания подземных вод при их отборе (привлекаемые ресурсы). Другая существенная особенность связана с подвижностью и тесной взаимосвязью с окружающей средой. Эта взаимосвязь проявляется в граничных условиях месторождения в плане и разрезе. Эти условия, изучающиеся как естественные, могут изменяться в процессе эксплуатации МПВ и во многом определяют возможность использования подземных вод. Еще одна важная особенность формирования запасов подземных вод заключается в том, что их рациональный отбор зависит не столько от количества находящихся на участке недр или поступающих в него в естественных условиях подземных вод, сколько от фильтрационных свойств водовмещающих пород, определяющих сопротивление движению воды к водозаборным сооружениям.

Резюмируя изложенное, необходимо акцентировать внимание на следующих факторах: эксплуатационные запасы подземных вод не только формируются естественным путем, но могут формироваться в процессе эксплуатации месторождений (привлекаемые ресурсы); поскольку ЭЗПВ могут возобновляться и формироваться в процессе их эксплуатации, то количественная оценка определяется в соответствии с заявленной потребностью в воде и на определенный срок эксплуатации месторождений.

Учитывая взаимосвязь изучаемого МПВ с сопредельными участками недр или поверхностной гидросферой и атмосферой, а также возможность трансформации естественных граничных условий при вводе месторождения в эксплуатацию, необходимо составление, как его природной гидрогеологической модели, так и модели эксплуатируемого месторождения, обеспечивающих количественную оценку ЭЗПВ и соответствие качества добываемых подземных вод их целевому назначению на весь срок его эксплуатации. При вводе месторождения в эксплуатацию осуществляется изменение естественно сложившихся связей и отношений между ним и сопредельными участками окружающей среды путем включения природных тел в новые связи и отношения, в т.ч. и такие, в которые они сами по себе, стихийно, не включаются. В недрах естественным путем реализуется лишь часть тех возможных связей и отношений между материальными объектами, которые в принципе допускаются их свойствами и объективными природными закономерностями, формируя месторождения различных типов подземных вод.

В результате воздействия на недра в процессе поисково-разведочных работ возникают специфические объекты, представляющие собой участки инженерного воздействия на геологическую среду. Структура таких участков складывается, прежде всего, из элементов геологического и технического происхождения, которые объединяются специфическим образом. По существу это геолого-технические комплексы (ГТК), которые обладают всеми теми особенностями, которые присущи разрабатываемым месторождениям. Для того, чтобы обеспечить функционирование ГТК, нужно применить или изменить его естественные свойства, т.е. так организовать «естественное», чтобы получить наперед заданные характеристики «искусственного» (удовлетворение заявленной потребности в подземных водах). Целенаправленно изменяя естественные условия, сочетая различные, соответствующим образом подобранные процессы, человек реализует в практике то, что в естественной природе лишь может произойти.

Таким образом, познавательный подход к месторождению, направленный на его изучение как некоторой целостности допустим только на начальной стадии изучения. При выходе же на уровень практического освоения оно должно изучаться как некоторая достаточно обширная совокупность подсистем. В начальный период целью является изучение естественного состояния системы, имеющей форму природно-естественной целесообразности; в последующем цель - это конечный заранее запрограммированный результат (оценка запасов промышленных категорий). С позиций принципа блокировки изучение системы в начальном (естественном) состоянии, есть ни что иное, как получение знаний о ней на более низком уровне системной иерархии. Но согласно тому же принципу, для полного познания системы еще необходимы сведения о более высоком уровне иерархии, т.е. знание о той большой системе, которая возникает при вовлечении месторождения в эксплуатацию. При изучении месторождения на нижнем уровне иерархии получаемое знание будет характеризовать его преимущественно в статике, в то время как изучение с позиций более высокого уровня (составление модели эксплуатируемого МПВ) характеризует его преимущественно в динамике.

Глава 4. Методологические принципы изучения месторождений подземных вод

Основным методом изучения месторождений является метод последовательных приближений, который заключается в постепенной детализации изучения геолого-гидрогеологических условий потенциального месторождения наряду с параллельной разработкой на его основе модели эксплуатируемого месторождения. В конечном итоге эта модель приближается к отображению реальных условий эксплуатации месторождения. Последовательная разработка моделей (от модели потенциального месторождения до модели эксплуатируемого) обеспечивает соответствующую прогнозную оценку условий формирования и количества запасов подземных вод, достоверность, которой отвечает требованиям соответствующих категорий запасов («Классификация …» (2007).

Эффективность метода последовательных приближений определяется следующими критериями:

- уровнем разработки классификации месторождений и соответствием этого уровня современным представлением о ее принципах для целей изучения МПВ и оценки ЭЗПВ;

- адекватностью видов и методов ПРР и оценки запасов специфике изучаемого месторождения;

- дифференциацией целей и задач стадий и в соответствии с принципом блокировки возможностью их сокращения или объединения.

Разработка предлагаемого варианта классификации месторождений базируется на системном подходе, основными принципами которого в данной постановке являются:

1. Использование пяти универсальных подходов («большой пятерки») к изучению месторождения как системы: таксономии (пространственного положения его в недрах), внутреннего строения (форма, состав и свойства его подсистем и элементов), внешних связей с сопредельными системами, внутреннего функционирования, обеспечивающего условия формирования запасов, генезиса (источников формирования запасов).

2. Иерархичность месторождения как системы: от месторождения в естественных условиях до месторождения в условиях его эксплуатации.

3. Эксплуатационные запасы подземных вод по существу являются эмерджентным свойством месторождения как системы, достоверность которых адекватна степени изученности месторождений.

4. Промежуточные уровни изученности месторождения в рамках ПРР рассматриваются как синтез универсальных подходов изучения системы, каждому из которых соответствуют запасы определенной категории.

Использование в табл. 2-6 кодировки каждого из универсальных подходов позволяет характеризовать уровень изученности МПВ посредством дроби: в числителе помещаются данные о нем в естественном состоянии через дефис; в знаменателе - прогнозные в условиях эксплуатации (аналогично широко известной формулу Курлова).

Глава 5. Методология поисково-разведочных работ

Учитывая необходимость изучения месторождения как сложной системы, ПРР следует рассматривать как своеобразную процессуальную систему, сложность которой определяется ее стадийностью. Она

Таблица 1

I. Таксономия

Гидродинамические зоны	Подземные воды
	Пресные	Минеральные	Промышленные	Теплоэнергетические
Зона активного водообмена	+	- +	-	-
Зона затрудненного водообмена	-	+	-	-
Зона весьма затрудненного водообмена	-	- +	+	+

Таблица 2

II. СТРУКТУРА

II а. Морфология (форма МПВ)

Иерархия МПВ	Форма месторождения подземных вод
	II-А - в плане	II-Б - в разрезе
	II-А-1 условно неограниченные	II-А-2 ограниченные	II-А-3 неясно выраженные	II-Б-1 открытые	II-Б-2 перекрытые	II-Б-3 изолированные
МПВ в естественном состоянии	-	а) эрозией б) литологией в) тектоникой	а) площадная б) линейная	а) с зоной аэрации б) с водовмещаю-щими породами	а) водоупором б) слоистой водовмещающей толщей	а) региональным выдержанным водоупором
Модель эксплуатируемого МПВ	а) неограниченный пласт б) пласт-круг	а) полуограниченный пласт б) пласт-полоса в) круговой пласт	не схематизируемые	а) однослойный пласт б) двухслойный пласт	а) однослойный пласт б) многослойный пласт	однослойный пласт

Таблица 3

II б. Состав и свойства подсистем и элементов

МПВ в естественном состоянии

Морфология	Иерархия МПВ
Геологическая компонента (подсистема)	II-А - Водовмещающие породы	II-А-1 - Состав	II-А-11-а - Поровые (пески, песчано-гравийные, валунно-галечные)
			II-А-11-б - Трещинные (осадочные, метаморфические, интрузивные)
			II-А-11-в - Трещинно-жильные и карстовые (брекчии и карстовые породы)
		II-А-2 - Фильтрационные свойства	II-А-21-а - Однородные
			II-А-21-б - Неоднородные
			II-А-21-в - Весьма неоднородные
	II-Б - Подземные воды	II-Б-1 - Состав	II-Б-11-а - Химический состав
			II-Б-11-б - Микробиологический состав
			II-Б-11-в - Микрокомпонентный состав
		II-Б-2 - Кондиционные свойства	II-Б-21-а - Однородные по качеству
			II-Б-21-б - Неоднородные по качеству
Техническая компонента (подсистема)	II-В - Водозаборные сооружения	II-В-1 - Вертикальные (скважины)
		II-В-2 - Горизонтальные (дрена)
Геологическая компонента (подсистема)	II-А - Водовмеща-ющ. породы	II-А-1 - Состав	II-А-11-а - Стабильный состав
			II-А-11-б - Изменяющийся состав (выщелачивание, суффозия)
		II-А-2 - Фильтрацион-ные свойства	II-А-21-а - Расчетные значения
			II-А-21-б - Усредненные значения
			II-А-21-в Интеграционные значения
	II-Б - Подземные воды	II-Б-1 - Состав	II-Б-11-а Стабильный состав
			II-Б-11-б Смешение с другими типами вод
		II-Б-2 - Кондиционные свойства	II-Б-21-а Не требующие водоподготовки
			II-Б-21-б Нуждающиеся в водоподготовке
Техническая компонента (подсистема)	II-В - Водозаборные сооружения	II-В-1 - Вертикальные (скважины)	II-В-1-а Система размещения	Одиночный
				Групповой
			II-В-1-б Конструкция	Фильтровые
				Безфильтровые
			II-В-1-в Режим эксплуатации	Водоотбор	Постоянный
					Периодический
				Уровень подз. вод	Стационарный
					Не стационарный
		II-В-2 - Горизонтальные (дрена)	II-В-2-а Одиночные
			II-В-2-б Лучевые

Таблица 4

III. Внутреннее функционирование

Сопредельные системы Иерархия МПВ	III-А - подземная гидросфера	III-Б - поверхностная гидросфера	III-В - атмосфера
	III-А-1 Питание	III-А-2 Разгрузка	III-А-3 Связь отсутствует	III-Б-1 Питание	III-Б-2 Разгрузка	III-Б-3 Связь отсутствует	III-В-1 Питание	III-В-2 Разгрузка	III-В-3 Связь отсутствует
Естественное состояние МПВ	III-А-1-а Боковой приток III-А-1-б Нисходящая или восходящая фильтрация	III-А-2-а Боковой отток III-А-2-б Нисходящая или восходящая фильтрация	-	III-Б-1-а Нисходящая фильтрация	III-Б-2-а Боковой отток III-Б-2-б Восходящая фильтрация	-	III-В-1-а Инфильтрация	III-В-2-а Родниковый сток III-В-2-б Испарение	-
Модель эксплуатируемого МПВ	III-А-1-а Перехват потока III-А-1-б Перетекание из смежных горизонтов	III-А-2-а Уменьшение или прекращение бокового оттока III-А-2-б Прекращение фильтрации в смежные горизонты	-	III-Б-1-а Фильтрация поверхностных вод	III-Б-2-а Прекращение или сокращение бокового оттока III-Б-2-б Прекращение восходящей фильтрации	-	III-В-1-а Питание подземных вод	III-В-2-а Прекращение или уменьшение родникового стока III-В-2-б Прекращение испарения	-

Таблица 5

IV. Внешние связи (взаимосвязь с определенными системами)

МПВ в естественных условиях	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-А-1 - за счет транзита подземных вод по латерали	IV-А-2 - за счет транзита подземных вод по вертикали	IV-Б-1 - за счет привлечения подземных вод	IV-Б-2 - за счет привлечения поверхностных вод
Модель эксплуатируемого МПВ	IV-А - оптимизация перехвата транзита подземных вод за счет	IV-Б - реализация привлечения внешних ресурсов за счет
	IV-А-1 - обоснование схемы размещения водозаборных сооружений с учетом природоохранных ограничений	IV-А-2 - обоснование конструкции водозаборных сооружений	IV-А-3 - 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-3 - обоснование режима эксплуатации водозаборных сооружений с учетом природоохранных ограничений

Таблица 6

V. Генезис месторождений подземных вод

Иерархические уровни МПВ	Источники формирования эксплуатационных запасов подземных вод
	V-А-естественные и искусственные запасы и ресурсы подземных вод	V-Б-привлекаемые ресурсы подземных вод
	V-А-1 естественные запасы	V-А-2 естественные ресурсы	V-А-3 искусственные запасы и ресурсы	V-Б-1 за счет подземных вод	V-Б-2 за счет поверхностных вод
МПВ в естественных условиях	полные потенциальные возможности	прогнозируемые
	V-А-1-а гравитационные	V-А-1-б упругие	V-А-2-а инфиль- трационные	V-А-2-б стоковые	V-А-3-а постоянного питания	V-А-3-б периоди-ческого питания	V-Б-1-а перетекание из смежных горизонтов	V-Б-2-а постоянное питание	V-Б-2-б периодич. питание
Модель эксплуатируемых МПВ	обоснованная доля участия (бi) в ЭЗПВ, исходя из:
	- объема осушения водовмещающих пород; - коэффициента водоотдачи водовмещающих пород	- объема депрессии напора; - коэффициента упругой водоотдачи пород	- объемаинфильтрационного питания; - площади воронки депрессии	- приведения к 90% обеспеченности; - доли использования (по аналогии)	- объема инфильтрационного питания; - качества инфильтрационных вод	- фильтрационных свойств раздельного слоя; - качества привлекаемых вод	- гидравлического сопротивления ложа реки; - качества привлекаемых вод

Заключается в дифференциации процесса на ряд последовательных промежуточных этапов познания МПВ соответствующего уровня с синхронной им и возрастающей по достоверности оценкой ЭЗПВ.

Если рассматривать работы как систему, то их внешние связи можно представить совокупностью воздействий на систему, а также совокупностью выходов («воздействий») системы на изучаемое месторождение. При этом факторы воздействия подлежат дифференциации: контролируемые, но не регулируемые (их можно измерять, но не изменять) - мощность водовмещающих пород, качество подземных вод; контролируемые и регулируемые (количество и качество добываемых подземных вод); не контролируемые и не регулируемые (находящиеся вне контроля и измерения) - конфигурация границ МПВ третьей группы сложности. Частными выходами системы являются: стадийность ПРР, их методика.

Сложность ПРР как системы находит свое отражение в способе их реализации; именно таким способом является системное моделирование, в результате которого создается взаимоувязанная, иерархически организованная совокупность частных моделей изучаемого месторождения. Ядром системы моделирования является базовая концепция ГТК, включающая изучение во взаимосвязи трех компонент: геологической, технической и управленческой.

Следует помнить, что модели могут быть не только математическими, но и качественными, вербальными (мыслительными), и в них должны быть выделены все основные предпосылки, гипотезы, на которых они основаны.

На стадии поисков необходимо вскрыть внутренние резервы перспективного участка недр, позволяющие выявить его потенциальные возможности для удовлетворения заявленной потребности в воде целевого назначения. В зависимости от приуроченности перспективного участка к бассейну или потоку подземных вод, критериями перспективности являются:

- мощность водовмещающих пород, их водоотдача и величина напора подземных вод (бассейн);

- площадной или линейный модуль подземного стока (поток).

При возможности удовлетворения потребности в воде, последующие работы не выходят за пределы изучаемого месторождения, в противном случае необходимо определить источники формирования привлекаемых ресурсов подземных вод, что предопределяет расширение площади и увеличение изучаемого разреза, разнообразие их видов с формированием МПВ за счет обоснованного выбора технической компоненты (подсистемы).

На стадии оценки требуется разработать методику перевода месторождения из естественного состояния в состояние эксплуатации, т.е. выявить его иерархическую структуру. Для этого целесообразно использование метода «черного ящика», заключающегося в выявлении его содержания по реакции на внешние воздействия (разработке различных методов для постижения основных закономерностей изменения свойств, структуры, граничных условий, источников формирования ЭЗПВ). Приоритетным фактором, определяющим методику работ данной стадии, является обоснование методики оценки ЭЗПВ (гидродинамические или гидравлические методы).

Интерпретация материалов оценочных работ позволяет обосновать методологию разведочной стадии: разведка месторождения стандартными методами или методами опытно-промышленной эксплуатации. Выбор того или иного метода определяется сложностью гидрогеологических условий разведуемого МПВ. Если условия позволяют оценить ЭЗПВ как сумму составляющих их источников формирования, то применяются стандартные методы; если из-за длительности формирования ЭЗПВ за счет привлекаемых ресурсов или низкой эффективности определения морфологии месторождения и прогноза качества извлекаемых вод оценка ЭЗПВ возможна только интеграционным путем - применяются методы опытно-промышленной эксплуатации.

Исходя из определения стадийности ПРР, в рамках системного подхода необходимо соблюдать следующие разработанные автором методики, принципы ее реализации:

1. Принцип выбора цели. Эффективность ПРР достигается лишь в том случае, когда возможно четкое формулирование локальных целей как результатов 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 (эксплуатации 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.

Глава 6. Методология оценки эксплуатационных запасов подземных вод

Познание достоверности ЭЗПВ изучаемого месторождения является сложной системой, где категории запасов (C₂, C₁, В и А) ни что иное, как иерархический ряд, отражающий их разнопорядковость (достоверность). В этом случае в пределах каждой категории как простой подсистемы ее элементами являются составляющие источников формирования ЭЗПВ. Набор элементов для каждого уровня (категории) не является постоянным, а как правило, видоизменяется (усложняется) при переходе от низшего уровня к высшему.

Каждый слой (категория) не может существовать без предыдущего, составляющего его фундамент. Нижний слой представляет собой совокупность естественных, искусственных и привлекаемых ресурсов и запасов подземных вод перспективного участка гидрогеосферы, средний слой - ЭЗПВ различной достоверности, верхний - водоотбор эксплуатируемого месторождения. Таким образом, существование «лестницы оснований» означает, что низшая по уровню организации система является исходным пунктом, предпосылкой и основанием более высокой.

В соответствии с принципом блокировки достоверность (категорийность) ЭЗПВ на любом промежуточном уровне зависит от того, в какой степени изучены структура и свойства элементов на 2-х крайних уровнях. Если начальный уровень доступен для изучения, то методика рационального изучения конечного уровня определяется группой сложности изучаемого месторождения и заключается в познании иерархической структуры ЭЗПВ (установления закономерностей при переходе его из естественного состояния в состояние эксплуатации).

При этом, исходя из необходимости оценки полных потенциальных возможностей выявляемого МПВ, количественно величина ЭЗПВ начального уровня является максимальной, а по достоверности - минимальной (С₂); последующие категории как бы «вложены» в предшествующие и количественно меньше их, но выше по достоверности.

На последующих стадиях ПРР обосновывается доля участия (б₁) каждого из составляющих источников формирования ЭЗПВ и производится их композиция (при стандартных методах разведки) или ЭЗПВ оцениваются интегрально всеми источниками их формирования (опытно-промышленная эксплуатация).

Исходя из определения категорийности ЭЗПВ, в рамках системного подхода необходимо соблюдать следующие принципы ее реализации:

1. Принцип эмерджентности. Изучение МПВ как системы характеризуется такими связями между элементами и подсистемами, вследствие которых структура превращает систему в конкретную целостность, т.е. порождает эмерджентные свойства, отсутствующие у составляющих ее элементов. Поэтому участок недр может называться МПВ только в том случае, если в его пределах естественным или искусственным путем созданы условия для формирования ЭЗПВ.

2. Принцип целенаправленной оценки ЭЗПВ. После выявления МПВ и выяснения специфики формирования ЭЗПВ необходимо обосновать методику их оценки. Если структура и морфология изучаемого месторождения позволяет оценить в процессе работ долю каждого источника формирования ЭЗПВ, то предпочтение отдается гидродинамическому методу с различными модификациями. Если оценка ЭЗПВ возможна только интеграционным путем, то следует использовать гидравлический метод. Поскольку методики оценки ЭЗПВ при разном подходе принципиально различны, целенаправленность ПРР предопределяет их рациональность и требуемую достоверность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

месторождение подземный вода стадийность

Творческое осмысление опыта изучения месторождений, базирующегося на аналитическом подходе, показало его ограниченность и необходимость поиска альтернативного подхода, позволяющего оптимизировать методологию их изучения, ведения ПРР и оценки ЭЗПВ.

Использование системного подхода позволило по-новому интерпретировать фундаментальный для наук о Земле метод последовательных приближений, охарактеризовать МПВ, ПРР и ЭЗПВ как сложные системы, взаимоувязанные в логическую триаду.

Системный анализ позволил установить состав, свойства и структуру этих взаимосвязанных систем, определить цели и дифференцировать задачи системных исследований, разработать алгоритм их решения.

Системный подход обеспечил разработку классификации месторождений, базирующейся на пяти классических подходах к их познанию и принципе блокировки.

Таким образом, разработанная на основе системного подхода методология позволяет повысить теоретическую обоснованность методических принципов организации ПРР и оценки ЭЗПВ и, как следствие, оптимизировать процесс изучения месторождений путем снижения стоимости и повышения качества поисково-разведочных работ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аликин Э.А. Принципы классификации месторождений пресных подземных вод // Разведка и охрана недр. 1987. № 9. С. 38-43.

2. Аликин Э.А. Обоснование сложности гидрогеологических условий месторождений пресных подземных вод // Разведка и охрана недр. 1989. № 4. С.51-53.

3. Аликин Э.А. Принципы стадийности разведки подземных вод // Разведка и охрана недр. 1990. № 9. С.41-44.

4. Аликин Э.А. Месторождения подземных вод в рамках системного подхода // Разведка и охрана недр. 2008. № 3. С. 46-48.

5. Минерально-сырьевые ресурсы Пермского края. Энциклопедия / Под редакцией А.И. Кудряшова. Пермь: Книжная площадь, 2006 // Оскотский А.М., Аликин Э.А. Пресные подземные воды Пермского края. С. 245-249.

6. Аликин Э.А. Состояние питьевого водоснабжения городов Пермской области и перспективы ее улучшения // Геология и минеральные ресурсы Западного Урала. Пермь, 1993. С. 56.

7. Аликин Э.А. Оценка использования ресурсного потенциала пресных подземных вод Пермского края // Современные проблемы науки и образования. 2007. № 2. С. 7-11.

8. Аликин Э.А., Бурковская А.В. Обоснование выбора перспективного участка с целью организации водозабора для водоснабжения СКРУ-3 // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. Пермь, 2007. с. 181-185.

Размещено на Allbest.ru

...