Прогнозная оценка изменения качества подземных вод Прибрежно-Челнинского месторождения методами аналогии и моделирования

Автор: Плугина Т.А., Сидоркин В.В., Закутин В.П.

Поисково-оценочные гидрогеологические исследования, ориентированные на выявление и оценку источников водоснабжения г. Набережные Челны, показали, что наиболее перспективным является выделенный на левобережье Нижнекамского водохранилища участок Прибрежный, где, по экспертной оценке, могут быть получены эксплуатационные запасы подземных вод в потребных количествах (150 тыс.м³/сут). В связи с этим участок получил название Прибрежно-Челнинского месторождения пресных подземных вод (МППВ).

Специфика условий формирования ресурсов подземных вод на рассматриваемом месторождении определяется особенностями строения геологического разреза и приуроченностью площади к прибрежной зоне Нижнекамского водохранилища. Абсолютные отметки уровня воды в водохранилище составляют 62-63 м с небольшой амплитудой колебаний не превышающей 1-2 метров (месторождение расположено чуть выше плотины).

Основные особенности месторождения сводятся к следующему:

1. Прибрежно-Челнинское месторождение представляет собой сложнопостроенную многоплановую гидравлическую систему (сформированную верхнепермскими – от татарских до шешминских - осадками), в разрезе которой водопроводящие пласты (трещиноватых песчаников, реже – известняков) разделены относительно водоупорными глинистыми пластами.

2. Наличие глубокой палеодолины, врезанной в пермский субстрат на глубину более 120 м и заполненной песчано-глинистыми осадками с незначительной проницаемостью, обусловило выделение в пределах площади месторождения двух относительно разобщенных фрагментов (блоков) – западного и восточного.

3. Наиболее проницаемыми в разрезе являются водоносные пласты, приуроченные к нижнеказанскому ярусу, поэтому водоносный комплекс этих отложений выделен в качестве продуктивного. На Прибрежно-Челнинском месторождении поисковыми работами целевой горизонт выявлен на глубине более 40 м (в интервале А.О. от 25 до 2 м).

4. Фильтрационные свойства продуктивных пластов не выдержаны по площади, наиболее высокая водопроницаемость характерна для прибрежной зоны месторождения, где, по всей вероятности, и должен быть размещен гипотетический водозаборный ряд и, применительно к такой схеме водоотбора, оценены эксплуатационные запасы.

5. Для прибрежной зоны, наиболее перспективной (по своим фильтрационным свойствам) для размещения водозаборного ряда, характерны восходящие перетоки подземных вод, что определяет существенный удельный вес в балансе ресурсов продуктивного комплекса некондиционных (с повышенной минерализацией и содержанием бора) вод, разгружающихся из шешминских отложений.

6. В условиях промышленного водоотбора по схеме «линейный ряд скважин вдоль береговой линии водохранилища» следует ожидать интенсивное привлечение к скважинам поверхностных вод из водохранилища. Эта предпосылка подтверждена опытом эксплуатации в г.Чистополе водозабора Грунтовый (с 1995 г.), приуроченного к западному флангу Прибрежно-Чистопольского месторождения и являющегося аналогом Прибрежно-Челнинского МППВ, что, в частности, видно при сопоставлении гидрогеологических разрезов (рис.1).

7. Опыт эксплуатации водозабора Грунтовый и оценки ЭЗПВ Прибрежно-Чистопольского месторождения, показывает, что при размещении линейного водозабора вдоль береговой линии при минимальном удалении от уреза могут быть достигнуты удельные нагрузки около 7-8 тыс.м³/сут на 1 км длины ряда.

8. Протяженность Прибрежно-Челнинского месторождения вдоль береговой линии (за исключением фрагмента, где палеоврез "впадает" в водохранилище) – около 21.5 км, следовательно здесь ожидаемая суммарная производительность водозабора может составить около 150 тыс.м³/сут.

Таким образом, дополнительные данные об условиях формирования ЭЗППВ Прибрежно-Челнинского месторождения были получены по месторождению Прибрежно-Чистопольскому, находящемуся в аналогичных условиях, и достаточно детально опоискованному к настоящему времени. Параметры гидродинамической модели, полученные при воспроизведении на модели результатов детальных исследований и анализа опыта эксплуатации централизованного водозабора, были использованы при создании модели Прибрежно-Челнинского месторождения. Поскольку оба месторождения находятся в весьма сложных гидрогеохимических условиях (II группа сложности) и характеризуются наличием в зоне формирования эксплуатационных запасов некондиционных вод, существенное внимание уделялось гидрогеохимическому моделированию. Весьма положительным фактором оказалось выявленное гидрогеохимическими исследованиями ежегодное уменьшение минерализации на 0.2 г/л в паводочный период (по сравнению с зимней меженью) в общем водоводе водозабора действующего водозабора месторождения Прибрежно-Чистопольское. Это свидетельствует о достаточно интенсивном взаимодействии поверхностных и подземных вод при эксплуатации и подтвердилось при моделировании: параметр перетекания K₀/M₀ дна водохранилища достаточно высок и составляет 0.1 1/сут. Воспроизведенный на модели опыт эксплуатации водозабора Грунтовый и результаты детальных исследований на Прибрежно-Чистопольском месторождении позволили достаточно надежно обосновать параметры исследуемой водовмещающей среды.

Верхний питающий слой характеризуется достаточно высокой проводимостью: значения горизонтального и вертикального коэффициентов фильтрации получены равными 10, 5 и 2 м/сут; и 0.01, 0.004 и 0.001 м/сут. Неогеновые отложения имеют более низкие фильтрационные параметры: значения горизонтального и вертикального коэффициентов фильтрации составляют соответственно 0.1 и от 0.01 до 0.001 м/сут.

Наиболее водопроницаемая часть разреза, выделенная как целевой слой, характеризуется коэффициентами горизонтальной фильтрации от 30 до 2 м/сут и анизотропией в направлениях вдоль и вкрест берега водохранилища.

Шешминский ВК задан с коэффициентом горизонтальной фильтрации 3 м/сут. Проводимость слоя, разделяющего шешминский и нижнеказанский ВК, характеризуется коэффициентом вертикальной фильтрации 0.0001 м/сут.

Формирование химического состава подземных вод продуктивного нижнеказанского водоносного комплекса на Прибрежно-Чистопольском месторождении находится в зависимости от временных изменений условий его питания, обусловленных внутригодовыми колебаниями уровня воды в Куйбышевском водохранилище. Наиболее контрастно такие изменения проявляются в меженные и паводковые периоды, соответственно, при максимальном и минимальном удалении береговой линии от площади месторождения. Качество подземных вод продуктивного пласта на площади Прибрежно-Чистопольского месторождения в целом отвечает требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01, ГОСТ 2761-84 по комплексу нормируемых показателей. Исключение составляют значения минерализации и общей жесткости подземных вод, которые превышают установленные нормативы в определенных зонах месторождения с затрудненным питанием продуктивного водоносного комплекса поверхностными водами Куйбышевского водохранилища. В связи с этим величины минерализации и общей жесткости приняты в качестве приоритетных показателей качества подземных вод P₂kz₁ ВК.

Величины минерализации и общей жесткости подземных вод месторождения взаимосвязаны между собой, образуют прямую функциональную связь (значение парного коэффициента корреляции 0,92) и в пределах выделенных гидрогеохимических зон изменяются в достаточно ограниченных диапазонах значений. Это обусловливает возможность оценивать пространственно-временную изменчивость приоритетных показателей качества вод по величине минерализации и, на этом основании, опосредованно судить о соответствующем значении общей жесткости.

В «прибрежной» части Прибрежно-Чистопольского месторождения, вдоль береговой линии водохранилища, протягивается гидрогеохимическое поле пресных подземных вод, среднегодовое значение минерализации которых в период с 1998 по 2004 г.г. оценивается равным ~ 0,6-0,7 г/л.

В «тыловой», наиболее удаленной от береговой линии водохранилища, части месторождения, где поверхностные воды водохранилища практически не взаимодействуют с продуктивным водоносным комплексом, средние величины минерализации подземных вод в целом выше и варьируют в паводок (при минимальном удалении уреза) в диапазоне 0,8-0,9 г/л; в межень (при максимальном удалении уреза) – достигают 1,0-1,2 г/л.

Вертикальная гидрогеохимическая зональность выражается в том, что в верхнем водоносном пласте наиболее часто встречающиеся значения минерализации составляют 0,5-0,8 г/л ( ~ 0,6 г/л), в среднем пласте модальные величины этого показателя в весенне-летний паводковый период изменяются в интервале 0,7-0,8 г/л, а в меженный возрастают до 1 г/л. Подземные воды нижнего водоносного пласта, выведенные из каптирующих эту часть разреза скважин, характеризуются значениями минерализации 3,5-4,6 г/л при максимально зафиксированных 6,2 г/л.

Таким образом, как показывают результаты регулярных гидрогеохимических наблюдений, для площади Прибрежно-Чистопольского месторождения свойственны пространственно-временные вариации величин минерализации (и, соответственно, общей жесткости) подземных вод. В связи с этим оценку изменчивости качества подземных вод продуктивного водоносного комплекса при изменении условий его питания поверхностными водами   целесообразно проводить на основании данных о составе смеси вод в суммарном водоводе водозабора, т.е. на основании интегральной величины минерализации подземных, характеризующей всю площадь водозабора на момент проведения гидрогеохимического опробования.

В рамках настоящих работ гидрогеохимическое моделирование базировалось на результатах регулярных натурных наблюдений за изменением состава подземных вод по скважинам, размещенным в зоне влияния водозабора «Грунтовый». Целенаправленными исследованиями в период паводочного подъема уровня воды в Куйбышевском водохранилище однозначно фиксируется уменьшение минерализации подземных вод практически во всех наблюдательных скважинах. В суммирующем водоводе водозабора это уменьшение, как было указано, составляет порядка 0.2 г/л.

Гидрогеохимические прогнозы, рассматриваемые в данной статье, выполнены методом моделирования с использованием ППП МТЗD в составе VISUAL MODFLOW. В расчете рассмотрено смешение поверхностных и подземных вод без учета взаимодействий в системе "вода-порода".

Адекватность гидрогеохимических моделей месторождений-аналогов природным условиям подтверждена при воспроизведении на модели Прибрежно-Чистопольского месторождения процесса выявленного снижения минерализации при прохождении паводка. Расчеты выполнены в 3-х вариантах. Были воспроизведены естественные стационарные условия при среднегодовом уровне воды в водохранилище без задания водоотбора на месторождении и получено расчетное распределение минерализации. Далее был задан постоянный водоотбор и получено распределение минерализации на десятитысячные сутки при среднегодовом уровне воды в водохранилище (51.3 м). Окончательный этап моделирования сводился к расчету изменения минерализации за паводковый период (140 суток): был задан средний максимальный уровень воды в водохранилище за паводочный период (52.6 м) при том же самом постоянном водоотборе.

Минерализация воды в водохранилище задана равной 500 мг/л при среднегодовом варианте расчетов и 300 мг/л при варианте задания максимального уровня водохранилища. Реки в обоих вариантах заданы (с некоторым "запасом") с минерализацией 1500 мг/л. Граничные условия I рода в слоях 3 и 5 заданы с минерализацией, соответственно, 1500 и 5000 мг/л также одинаковыми в обоих вариантах расчетов. В шешминском ВК была выделена зона постоянной минерализации в юго-восточной части модели (углубленная зона неогеновой палеодолины) со значением минерализации 5000 мг/л. Инфильтрация при среднегодовом варианте расчета задана с минерализацией 700 мг/л; при решении с максимальным уровнем рассмотрено два значения варианта задания минерализации инфильтрации – 500 и 200 мг/л.

При воспроизведении естественных условий (без задания водоотбора) было задано следующее распределение начальных условий по минерализации. Выделено три зоны: под водохранилищем; промежуточная (прибрежная) площадь и водораздел. Для выделенных зон в слое 1 заданы, соответственно, значения минерализации (мг/л) 500, 700 и 1500; в слоях 2 и 3 – 600, 1200 и 1500 и в слоях 4 и 5 – 800, 2000 и 5000. Полученное на модели естественных условий пространственное распределение минерализации использовано в качестве начальных условий для расчета значений минерализации при задании реального водоотбора.

Выполненный на модели Прибрежно-Чистопольского месторождения гидрогеохимический прогноз изменения минерализации показал, что качество подземных вод при эксплуатации намечаемого водозабора в воспроизведенном на модели режиме улучшится. Средневзвешенная минерализация для всего водозаборного ряда на расчетные 10 тысяч суток от начала водоотбора составит 0.96 г/л при исходной, рассчитанной на модели до начала водоотбора, минерализации, 1.29 г/л.

При решении для периода 140 суток в качестве начального принято распределение минерализации, полученное для периода 10 тысяч суток (при среднегодовом уровне воды в водохранилище). При подъеме воды в водохранилище до максимального уровня за паводочный период (принят равным 140 сут) средневзвешенная минерализация составит 0.81 г/л (при минерализации инфильтрации 500 мг/л) и 0.79 г/л (при задании инфильтрации с минерализацией 200 мг/л), т.е. уменьшение минерализации на водозаборе по расчетам составит 0.15 и 0.17 г/л, что соответствует фактически наблюдаемым изменениям на водозаборе. Таким образом, полученное при расчетах прогнозное улучшение качества добываемых подземных вод, соответствующее наблюдаемому закономерному изменению, свидетельствует о достаточной надежности полученной модели месторождения пресных подземных вод. Вероятно, то же самое, т.е. улучшения качества в условиях эксплуатации, следует ожидать и на Прибрежно-Челнинском месторождении.

Прогнозными гидродинамическими расчетами на модели Прибрежно-Челнинского месторождения показано, что при проектируемой эксплуатации произойдет закономерное изменение условий формирования ЭЗППВ. Проанализирован достаточно большой диапазон изменения прогнозного водоотбора при сохранении проектной длины водозаборного ряда: от 12 тыс.м³/сут (удельная нагрузка на единицу длины водозаборного ряда составляет 0.4 (тыс.м³/сут)/км) до 150 тыс.м³/сут (7.0 (тыс.м³/сут)/км). При этом отток за границу модели по шешминскому ВК практически не изменяется: сокращается всего лишь на 2.7 тыс.м³/сут – с 18.2 до 15.5 тыс.м³/сут. Отток в реки практически полностью прекращается: от 15.1 до 1.6 или на 13.5 тыс.м³/сут. Основная доля приходится на изменение условий взаимодействия системы «поверхностные воды водохранилища – подземные воды». При увеличении нагрузки на единицу длины водозаборного ряда до 7.0 (тыс.м³/сут)/км происходит полная замена разгрузки подземных вод в объеме 66.3 тыс.м³/сут на приток из водохранилища в объеме 67.5 тыс.м³/сут в зоне влияния водоотбора. Т.о. изменение этой балансовой составляющей формирует 133.8 тыс.м³/сут или 89 % проектируемого максимального объема эксплуатационного водоотбора в количестве 150.0 тыс.м³/сут.

Следовательно, интенсификация водоотбора изменяет условия формирования потока подземных вод в благоприятную сторону. С ростом водоотбора происходит сокращения разгрузки подземных вод в реки и водохранилище, которая преобразуется при водоотборе 2.7 тыс.м³/сут на километр длины водозаборного ряда в приток поверхностных вод из водохранилища в подземные воды. При водоотборе 150.0 тыс.м³/сут и общей длине водозаборного ряда 21.5 км, т.е. при нагрузке ~ 7 тыс.м³/сут на 1 км ряда (что сопоставимо   с результатами, полученными на Прибрежно-Чистопольском месторождении) создается принципиальная возможность для привлечения воды из водохранилища и, таким образом, для обеспечения улучшения качества добываемых вод, что и было подтверждено в процессе прогнозного гидрогеохимического моделирования.

Как уже было отмечено, приоритетным показателем качества подземных вод продуктивного водоносного горизонта на площади Прибрежно-Челнинского месторождения является также бор (ПДК 0.5 мг/л).

Судя по имеющимся данным, содержания бора в подземных водах месторождения варьируют в значительных пределах. Так, в водах четвертичных образований средняя концентрация В составляет 0.1 мг/л. Подземные воды плиоценового водоносного горизонта (в пределах глубоких палеоврезов) содержат от 0.7 до 1.1 мг/л бора.

Распределение бора в подземных водах P₂kz₁ ВК, циркулирующих на глубинах 40-60 м, характеризуется изменениями его модальных концентраций в интервале 0.8-1.5 мг/л (при среднем содержании 1.2 мг/л), а на глубинах 60-70 м вариациями от 2 до 3.7 мг/л (Х 2.7 мг/л).

Концентрации бора в подземных водах шешминского водоносного горизонта в целом выше и изменяются в диапазоне 2.2-6.9 мг/л при значении среднеарифметической концентрации ? 4 мг/л.

Формирование таких содержаний бора в подземных водах продуктивного P₂kz₁ ВК происходит вследствие природных гидрогеохимических взаимодействий в системе "вода-порода".

Содержания В в водных вытяжках, полученных из образцов пород нижнеказанской свиты составляют в песчаниках и глинах 0.4-3.15 мг/кг (среднее для песчаников 1.2 мг/кг, для глин – 1.5 мг/кг), в известняках 0.3-2.15 мг/кг (средняя концентрация 1 мг/кг).

Поровые воды, формирование химического состава которых происходит в условиях длительных процессов растворения минералов водовмещающих отложений, характеризуются содержаниями В 2.4-3.1 мг/кг.

В экспериментах по взаимодействию образцов пород с дистиллированной водой и модельными растворами (Na₂SO₄, NaHCO₃ с соленостью 0.25 и 0.5 г/л) переход бора из пород в воду при соотношении Т:Ж 1:5 осуществлялся в течении первых суток, что свидетельствует о простых легкорастворимых формах элемента в водоносных отложениях.

В общем виде меньшие концентрации бора в водных вытяжках характеризуют присутствие в породах более устойчивых к растворению борных минералов. Из геохимии бора известно, что такими минералами являются кальциевые бораты. Чем выше кальциевая составляющая водовмещающих отложений, тем труднее бор переходит из пород в воду.

Причина этого заключается в том, что бор в подземных водах мигрирует в виде аниона ВО₃ ^3-, натриевые соединения которого обладают лучшей растворимостью по сравнению с кальциевыми. Поэтому кальций является компонентом химического состава подземных вод, который лимитирует распределение в них повышенных концентраций бора. Соответственно, миграционная способность бора в подземных водах определяется эквивалентным Na/Cа отношением.

При эксплуатационном водоотборе в продуктивный водоносный нижнеказанский комплекс будут привлекаться кальциевые воды Нижнекамского водохранилища. Это приведет к уменьшению Na/Ca отношения в составе подземных вод и, соответственно, к ухудшению миграционной способности бора и снижению его концентраций в водах.

В соответствии с этим именно изменения концентраций бора в подземных водах Прибрежно-Челнинского отслеживались при воспроизведении на модели намечаемого промышленного отбора подземных вод в количестве 150 тыс.м³/сут.

Принятые на модели при решении прогнозных задач начальные и граничные условия соответствуют натурным. Детальность их задания соответствует достигнутому уровню изученности, поэтому вероятные вариации концентрации бора по площади модели не учитывались. В верхнем питающем слое исходная концентрация бора была задана равной 1 мг/л; целевом ВК – 2 мг/л; шешминском ВК – 5 мг/л; в слоях, разделяющих ВК, соответственно, 1.2 и 4 мг/л. Поверхностные воды заданы с концентрацией бора: водохранилище – 0.05 и реки – 1 мг/л. Из сопоставления принятых исходных концентраций с натурными видно, что в расчет заложен некоторый "инженерный запас прочности". Приток воды по границам 1-рода в шешминском ВК задан с концентрацией бора 5 мг/л. Эффективная пористость для всей водовмещающей среды задана равной 0.02.

Полученное при расчетах изменение концентрации бора во времени (в отдельных скважинах и выделенных на модели слоях) показано на рис.2. В течение первого года эксплуатационного водоотбора, как видно на этих иллюстрациях, по линии водозабора происходит ухудшение качества воды. Расчетные концентрации бора по отдельным точкам (например, узел скв. № 6) достигают 3.6 мг/л. В дальнейшем наблюдается снижение концентраций и к концу расчетного срока (10 000 суток) содержание В не превысит 1.3 мг/л. Уменьшение концентрации прослеживается по всем водоносным пластам, выделенным в разрезе месторождения, и воспроизведенным на модели, что подтверждает перспективность предлагаемой системы водоотбора. Расчетная средняя концентрация бора к концу прогнозного срока получается практически одинаковой для обоих фрагментов намеченного водозаборного ряда, размещенных западнее и восточнее палеовреза (т.е. на Западном и Восточном участках месторождения). По разным вариантам задания гидродинамических параметров она составляет 0.72 или 0.81 мг/л. Полученное на конец расчетного срока распределение концентраций бора показано на рис.3. Подчеркнем, что при реализации предлагаемой схемы водоотбора снижение концентрации бора в воде целевого ВК следует ожидать не только по линии водозабора, но и по всей площади месторождения.

С учетом того, что при эксплуатационном водоотборе привлечение кальциевых вод Нижнекамского водохранилища приведет к изменению геохимического облика подземных вод нижнеказанского водоносного комплекса, дополнительное снижение содержаний бора в водах, связанное со смешением поверхностных и подземных вод, произойдет в результате уменьшения Na/Ca отношения.