Идея стадийной организации работ очевидна - последовательное приближение к "истине". Результаты работ на каждой стадии анализируются и обсуждаются, после чего составляется проект работ на следующую стадию, учитывающий выявленные геолого-гидрогеологические особенности. Названия, количество стадий периодически пересматриваются, но логика постановки исследований, последовательностей целей не меняется.
Важным начальным этапом изучения территорий является РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА их потенциальных эксплуатационных возможностей (т.н. прогнозных ресурсов пресных подземных вод). Эта достаточно трудоемкая и затратная работа чрезвычайно полезна с точки зрения рационального управления использованием подземных вод. Конечно, по логике такой работой должно начинаться освоение перспективного, но малоизученного региона; фактически же такие работы чаще всего проводятся для интенсивно освоенных регионов, уже на фоне активно развитой системы многолетней эксплуатации подземных вод. Целями проведения региональной оценки (переоценки) прогнозных ресурсов являются:
а) выявление региональной неоднородности потенциальных возможностей использования подземных вод,
б) для малоизученных регионов - предварительная оценка абсолютных величин прогнозных ресурсов подземных вод, а для освоенных районов с действующими водозаборами - сопоставление потенциальных возможностей с фактическими величинами водоотбора, выявление "дефицитных" и "профицитных" площадей с целью упорядочения и оптимизации существующего и перспективного использования подземных вод.
Одна из последних работ такого назначения - региональная переоценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод центральной части Московского артезианского бассейна по состоянию на 2002 г. Переоценка выполнена, в основном, для каменноугольных водоносных горизонтов на площади около 60 тыс. кв.км; общее количество учтенных эксплуатационных скважин на территории Московской области и города Москвы составило почти 9000.
При ЛОКАЛЬНЫХ ОЦЕНКАХ принята такая последовательность стадийного изучения:
ПОИСКИ: чаще всего по фондовым материалам; в случае значительной заявленной потребности в малоизученных районах могут быть предприняты полевые работы регионального характера (напр., среднемасштабная гидрогеологическая съемка).
Цели ПРР на этой стадии:
- обоснование выбора основного водоносного горизонта (т.е. достаточного по своим свойствам для удовлетворения заявленной потребности, по возможности неглубоко залегающего, но при этом защищенного от поверхностных загрязнений),
- обосновать выбор перспективного района, т.е. такой площади в пределах области распространения основного водоносного горизонта, где наиболее вероятно могут быть выявлены месторождения подземных вод, достаточные для удовлетворения заявленной потребности,
- предварительно оконтурить одно из таких месторождений как "первоочередное".
Понятие "месторождение" для пресных подземных вод почти лишено абсолютного смысла, поскольку они распространены практически повсеместно. Оно используется довольно произвольно - главным образом, в учетных целях, для географической привязки участков оценки или эксплуатации подземных вод. Поэтому можно упрощенно определить месторождение подземных вод (далее МПВ) как участок, в пределах которого по совокупности ряда причин предлагается построить (или уже построен) водозабор. Объективности ради надо отметить, что большинство этих причин имеет "гидрогеологический характер": более высокие фильтрационные свойства водовмещающих пород по сравнению с окружающими площадями, оптимальное положение по отношению к гидрогеодинамическим границам, оптимально близкое положение по отношению к водопотребителю, наиболее благоприятные условия для сохранения качества воды при длительной работе водозабора и т.д.
ОЦЕНКА: на этой стадии работ, как правило, предпринимается некоторый комплекс полевых работ, целью которого является получение необходимых параметрических характеристик для ориентировочного (обычно балансового) подсчета - достаточно ли предварительно выявленного в результате поисков месторождения для удовлетворения заявленной потребности или следует расширить область поисков для выявления дополнительных участков (или самостоятельных месторождений).
РАЗВЕДКА: основная (по смыслу и по материальным и интеллектуальным затратам) стадия ПРР. В ее рамках реализуется самый широкий комплекс полевых гидрогеологических исследований в сответствии с особенностями гидрогеологического строения разведуемого МПВ. Цели работ на этой стадии:
- уточнение контура месторождения (точнее, площади, в пределах которой действуют, по мнению исполнителя, основные балансообразующие механизмы, обеспечивающие дебит будущего водозабора),
- получение достаточного комплекса гидрогеодинамических параметров, обеспечивающего адекватную балансовую, фильтрационную и миграционную схематизацию площади месторождения,
- обоснование выбора "водозаборного участка" (это локальная площадь "внутри" месторождения, где наиболее выгодно расположить водозахватные устройства),
- детальное изучение площади "водозаборного участка" для обоснования количества, конструкции и схемы размещения водозахватных устройств,
- окончательный подсчет ЭЗ, т.е. выполнение системы расчетов, обосновывающих возможность получения заявленной производительности с помощью предлагаемой схемы и конструкции водозабора (при соблюдении заданных ограничений по режиму эксплуатации).
Далее отчет о ПРР проходит процедуру защиты (с экспертизой на территориальном или федеральном уровне); протокол утверждения подсчета эксплуатационных запасов является основанием для выполнения проектирования водозаборного сооружения, его строительства и передачи в эксплуатацию.
Эксплуатация водозаборного сооружения в течение расчетного срока рассматривается в организационном смысле как очередная стадия разведочных работ - ОСВОЕНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ (эксплуатационная разведка). Методически работы на этой стадии заключаются в осуществлении многолетних наблюдений на специально организованной системе мониторинга действующего МПВ; целью исследований является пересчет ЭЗ (т.е. оптимизация системы водоотбора) на основе опыта эксплуатации водозаборного сооружения.
Надо понимать, что изложенная логическая схема стадийной организации ПРР (примерно так она закреплена и в действующих инструктивных документах) является в определенной мере идеальной и в полном виде выполняется редко. Для большинства регионов отсутствуют пригодные к практическому использованию данные региональных оценок; огромное количество действующих водозаборов работают "на неутвержденных запасах", т.е. не имеют должного гидрогеодинамического и гидрогеохимического обоснования. Следует также иметь в виду, что по мере появления новых данных (в первую очередь - параметрических) на любой стадии работ гидрогеолог постоянно должен выполнять комплекс доступных расчетов, позволяющих корректировать содержание и направленность текущих исследований.
Вернемся теперь к общей постановке задачи оценки эксплуатационных запасов подземных вод. По определению, к эксплуатационным запасам может быть отнесено только то количество воды, при отборе которого выполняется ряд исходных условий (ограничений). Эти условия таковы:
- водозаборное сооружение должно быть рациональным в геологическом и технико-экономическом отношении;
- понижение уровней подземных вод в водозаборных скважинах не должно превышать допустимой величины;
- водозабор должен рассчитываться на определенный срок непрерывной работы;
- качество воды (с учетом возможной водоподготовки) в течение всего срока работы водозабора должно отвечать нормативам для хозяйственно-питьевого водоснабжения;
- экологические последствия водоотбора должны быть минимальными (точнее, допустимыми, приемлемыми).
Рассмотрим подробнее смысл и содержание этих условий.
Из курса "Инженерные сооружения" студентам уже известны основные типы водозаборов подземных вод и их принципиальное устройство. В нашем курсе всегда будем предполагать, что водозабор устроен из вертикальных скважин с насосным водоподъемом (эта система технологически наиболее разработана и широко применяется во всем мире). Необходимыми элементами схемы такого водозабора (рис.1.1) являются: а) собственно водозаборные скважины (станции I подъема), б) сборный водовод в пределах водозаборного участка, в) сооружения водоподготовки и регулирования подачи воды, г) магистральный водовод к объекту водоснабжения (со станциями II, III... подъемов для поддержания энергии потока).
|
| Рис.1 |
РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВОДОЗАБОР предполагает минимум затрат:
- Капитальные затраты (стоимость сооружения) - в основном, определяются длиной магистрального водовода (от водозабора до объекта водоснабжения); в меньшей степени - количеством скважин, их глубиной и конструкцией.
- Эксплуатационные затраты (стоимость эксплуатации) включают:
1) энергозатраты на I подъем, поэтому важно количество скважин и глубина динамического (пониженного) уровня;
2) затраты на водоподготовку, зависящие от суммарного дебита и необходимых технологий водоподготовки;
3) энергозатраты на перегон воды по магистральному водоводу (II, III... подъемы), зависят от длины водовода, рельефа по его трассе и суммарного дебита.
Видно, что рациональный водозабор должен быть расположен как можно ближе к водопотребителю и содержать минимальное количество эксплуатационных скважин.
Минимизация количества скважин достигается за счет максимальной нагрузки на каждую из них. От чего зависит возможный дебит скважин? Например, при квазистационарном режиме в неограниченном изолированном пласте
т.е. максимальный дебит достигается при расположении скважины в области с наиболее высокой проводимостью пласта 
и, напротив, низкими величинами уровне(пьезо)проводности 
(т.е. при высокой водоотдаче). Кроме того, имеет значение и радиус фильтра скважины 
, поэтому в практике строительства водозаборных скважин применяют различные методы увеличения проницаемости прифильтровой зоны - простреливание, торпедирование, гидроразрыв, соляно-кислотная обработка и т.п., чтобы увеличить расчетный радиус 
.
Наконец, важно, чтобы строение гидрогеологического разреза позволяло при необходимости создавать достаточные понижения уровня в водозаборных скважинах. Однако, величина возможного понижения уровня имеет определенные ограничения.
ДОПУСТИМОЕ ПОНИЖЕНИЕ УРОВНЯ В ВОДОЗАБОРЕ 
. Ограничение величины понижения уровня в водозаборных скважинах преследует две цели:
- Во-первых, при эксплуатации грунтовых водоносных горизонтов происходит уменьшение их мощности и, следовательно, уменьшение проводимости горизонта. Чтобы не допустить прогрессирующего, "обвального" перепонижения уровней, рекомендуется сохранять в зоне водозаборной скважины не менее 30-50% начальной проводимости.
- Во-вторых, в водозаборной скважине всегда должен оставаться столб воды, достаточный для размещения насоса и отстойника (обычно 3-10 м).
Для безнапорных горизонтов принимают расчетную величину допустимого понижения порядка 
, где 
- начальная, ненарушенная мощность потока в зоне эксплуатационных скважин (рис.1.2, а). Однако, такой подход допустим только для однородных по вертикали горизонтов, когда кумулята проводимости имеет вид прямой линии (рис.1.2, б). Более вероятно, что водоносные пласты имеют неоднородное (и достаточно контрастное) строение по вертикали - слоистость в рыхлых четвертичных отложениях, карстовые коллекторы и др. В таких случаях величина допустимого понижения должна обосновываться на основе разведанной формы кумуляты проводимости - из условия, чтобы остаточная проводимость пласта в зоне скважины составляла не менее (0.3 ÷ 0.5) 
(рис.1.3 а,б).
|
| Рис. 2. Допустимое понижение уровня (a) и форма кумуляты проводимости (б) в однородном по вертикали безнапорном пласте |
|
| Рис. 3. Допустимое понижение уровня (a) и форма кумуляты проводимости (б) в неоднородном по вертикали безнапорном пласте |
|
| Рис. 4. Допустимое понижение уровня для межпластовых водоносных горизонтов |
Для напорных горизонтов гарантированной является величина допустимого понижения до кровли пласта (не вызывающая изменения проводимости эксплуатируемого пласта); если же эта величина недостаточна, то допускается переход к безнапорному режиму с использованием еще (0.5 ÷ 0.7) 
(рис. 1.4).
РАСЧЕТНЫЙ СРОК ЭКСПЛУАТАЦИИ - это время, в течение которого водозабор должен работать непрерывно с дебитом 
. Обычно (если не оговорено иное) используют так называемый амортизационный срок (27.4 года, что соответствует "круглой" расчетной величине 10 000 суток). Однако, могут быть заданы и особые варианты: временные водозаборы (например, строительные - 3÷5 лет), периодические водозаборы (оросительные - 3÷ 4 месяца в году; пиковые с внутригодовой, внутринедельной и даже внутрисуточной периодичностью).
Если при разведке доказана возможность стационарного режима фильтрации при эксплуатации, то такой водозабор может работать неограниченно долго.
СОХРАНЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫв пределах действующих нормативов в течение всего расчетного срока - вполне понятное требование, не требующее комментариев. Его содержание будем рассматривать подробнее позже.
Наконец, особенно в последние годы, пристальное внимание уделяется ограничениям по ВОЗДЕЙСТВИЮ ВОДООТБОРА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ. Формы и масштабы этого воздействия различны в разных условиях; назовем, например:
- нарушения геомеханического характера (просадка земной поверхности, возникновение суффозии, активизация карста),
- нарушение влажностного режима приповерхностных слоев земной коры (иссушение сельхозземель, развитие ветровой эрозии, "пыльные бури"),
- нарушение общего водного баланса территорий, особенно в районах массированного водоотбора (уменьшение водности рек, осушение озер, болот),
- сопутствующие изменения ландшафтов (растительные и животные сообщества),
- переформирование криогенной обстановки в районах развития многолетней мерзлоты
- и т.п.
Таким образом, собственно гидрогеологическое содержание проблемы оценки ЭЗ подземных вод может быть сведено к необходимости количественного обеспечения трех прогнозных положений:
1) обоснование связи между дебитом водозабора и понижениями уровней в нем;
2) обоснование тенденции изменения показателей качества извлекаемой воды за расчетный срок;
3) обоснование возможных изменений условий взаимосвязи эксплуатируемого водоносного горизонта со смежными элементами окружающей среды.