Анализ изменения балансовых составляющих водоотбора при эксплуатации месторождений подземных вод

Подробности

Автор: Плугина Т.А.

Месторождения подземных вод представляют собой динамические системы. Это определяется свойствами основного компонента таких систем, являющегося предметом исследований с целью последующего использования. Вода, в отличие от твердых полезных ископаемых, является жидкостью, что определяет целый ряд специфических особенностей при оценке эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ). Любой отбор подземных вод приводит к изменению гидродинамических условий месторождения. Поэтому математические методы оценки эксплуатационных запасов месторождения подземных вод играют превалирующую роль. Метод математического моделирования приобретает все большее значение при решении задач, связанных с подземными водами. Он позволяет в максимальной степени учесть сложный характер геологической среды, вмещающей подземные воды.

Водовмещающие среды, как правило, характеризуются существенной пространственной неоднородностью, что при моделировании может быть учтено в результате приведения сложных натурных к модельным упрощенным условиям. При этом существенную роль приобретает обоснование принятой расчетной схемы.

Кроме того, такое понятие как «граница месторождения подземных вод» также достаточно условно, что определяется спецификой исследуемого полезного ископаемого. Тем не менее, в каждом конкретном случае границы месторождения можно обосновать достаточно надежно.

Выполненные в рамках выделенной расчетной области построения дают представление об изменении существующих и формировании новых гидрогеологических условий при эксплуатации месторождений подземных вод. Наиболее полное представление об изменении гидродинамических и гидрогеохимических условий дает анализ балансового состояния системы, поскольку позволяет наиболее полно учесть прогнозные изменения в пределах всей исследуемой водовмещающей системы.

Весьма высокие результаты, в частности, анализ изменения баланса месторождений дает при обосновании изменения гидрогеохимических условий. Во многих случаях гидрогеохимический прогноз методом математического моделирования затруднителен, поэтому рассмотрение изменения отдельных балансовых составляющих при прогнозируемой эксплуатации месторождения является достаточно надежной альтернативой. Анализ балансовых составляющих прогнозного водоотбора позволяет не только обосновать прогнозные гидрогеохимические условия, но и выполнить оптимизацию условий эксплуатации. В последнее время эта задача становится все более актуальной.

Действенность анализа баланса месторождений подземных вод можно проиллюстрировать на примере двух типичных месторождений пресных подземных вод на территории республики Татарстан. Эта территория расположена в пределах Русской платформы, где развиты артезианские бассейны платформенного типа.

Верхняя часть геологического разреза представлена сложнослоистой карбонатно-терригенной толщей верхнепермского возраста. Относительно выдержанные водопроницаемые пласты трещиноватых песчаников и известняков разделены слабопроницаемыми литифицированными глинистыми отложениями.

Отличительной особенностью рассматриваемой территории является наличие палеоврезов, сформированных пра-реками и заполненных песчано-глинистыми и гравийно-галечными плиоценовыми осадками. На формирование эксплуатационных запасов подземных вод палеоврезы оказывают, как правило, определяющее влияние.

В целом территория характеризуется достаточным увлажнением: осадки (порядка 500 мм/год) несколько превышают испарение (400 мм/год). Интенсивно развитая гидрологическая сеть показывает достаточно высокую дренированность территории.

В долинах наиболее крупных современных рек (Волги, Камы и др.) водоносные коренные пласты, как правило, размыты и замещены аллювиальными отложениями.

Кроме того, для рассматриваемой территории характерны довольно сложные гидрогеохимические условия вследствие засоленности и загипсованности пород, обусловливающих небольшую мощность зоны пресных вод питьевого качества. На таких участках пресные воды приурочены к самой верхней части гидрогеологического разреза. Одним из таких месторождений является месторождение Степной Зай, приуроченное к долине реки Зай.

Правобережный участок рассматриваемого месторождения представляет собой фрагмент долины р.Зай площадью 180 км2, рис.1. Водовмещающая верхнепермская толща типична для данного региона и в гидрогеологическом отношении представляет собой сложнослоистую водоносную систему, в которой водоносные комплексы разделены слабопроницаемыми отложениями. В пределах рассматриваемого месторождения в зоне формирования пресных подземных вод выделены верхнеказанский, нижнеказанский (основной рекомендуемый к эксплуатации) и шешминский водоносные комплексы (ВК). Поймы рек выполнены аллювиальными отложениями. Плиоценовая палеодолина прослеживается в левобережной части современной р.Зай. Палеодолина выполнена слабопроницаемыми глинистыми осадками, полностью замещающими исследуемую часть разреза, что определяет южную границу Правобережного участка. Западная и восточная границы участка условные и выделены по границам со смежными участками. Северная граница участка определяется границей водосбора реки Зай.

Основное требование к прогнозной эксплуатации сводилось к тому, что формирование ЭЗПВ должно находиться в пределах естественных ресурсов оцениваемого участка. Определялось это сложными гидрогеохимическими условиями месторождения, обусловленными техногенной загрязненностью территории и наличием некондиционных вод в нижней части зоны формирования пресных подземных вод. Сложные гидрогеологические условия месторождения определили использование метода математического моделирования в качестве основного при оценке его ЭЗПВ.

В результате решения серии прогнозных задач была определена оптимальная схема распределения эксплуатационного водоотбора. При этом, естественно, учитывались результаты натурного опробования. В процессе решения значительное внимание при обосновании схемы проектного водозабора уделялось анализу изменения балансовых составляющих потока подземных вод при вариантном изменении этих схем.

На Правобережном участке эксплуатационные скважины располагаются по ряду вдоль правого берега реки Зай на расстоянии от 100 до 800 метров от реки, рис.1. Удельные дебиты опробованных скважин достаточно высоки: от 0.28 до 25.1 л/с/м, что определяет достаточно высокий эксплуатационный дебит скважин - 2500 м3/сут. В ряду протяженностью 18 км задано 16 эксплуатационных скважин с одинаковым водоотбором по каждой. Расстояние между скважинами изменяется от 900 м до 2 км. Т.о. была обоснована возможность отбора подземных вод на Правобережном участке в количестве 40.0 тысяч м3/сутки. Понижения в эксплуатируемом нижнеказанском водоносном комплексе не превысят 20 метров.

Анализ балансовых составляющих потока подземных вод проводился по характерным зонам. Выделено русло реки Зай по блокам задания реки как ГУIII: река приурочена к слою 1 (русло реки контактирует с верхнеказанскими отложениями) и к слою 3 (река вложена в нижнеказанские отложения). К северу от долины реки Зай выделена зона правобережья, в пределах этой зоны на модели заданы реки Зыча и Лузинка; зона левобережья, естественно, включает область модели левой части водосборного бассейна р.Зай от неогеновой палеодолины до русла р.Зай.

В целом баланс Правобережного участка определяется следующим образом. Ниже все значения приведены в тысячах метров кубических в сутки. В стационарных условиях инфильтрационное питание составляет 52.8. Основная разгрузка осуществляется в реку Зай: 37.4 в той части, где речная долина вложена в верхнеказанский ВК; и 21.2 в зоне ее контакта с нижнеказанским ВК. Правыми притоками реки Зай (реки Зыча и Лузинка) дренируется 12.9 потока подземных вод в пределах исследуемой области. С левого берега бассейна водосбора реки Зай поступает 18.7, из них 5.0 – по верхнеказанскому и 13.7 – по нижнеказанскому ВК.

При проектируемом водоотборе общий баланс рассматриваемого потока подземных вод изменится следующим образом. Наиболее существенные изменения получены для разгрузки в основную дрену, реку Зай, рассматриваемого водного бассейна: по верхнеказанскому ВК разгрузка уменьшится до 13.7 (на 23.7) и по нижнеказанскому до 10.3 (на 10.9). В реки Зыча и Лузинка разгрузка сократится до 9.6 (на 3.3). Приток с левого берега увеличится до 20.8: по верхнеказанскому ВК останется неизменным, 5.0; а по нижнеказанскомскому ВК увеличится до 15.8 (на 2.1).

Таким образом, при подобранных условиях эксплуатации поток подземных вод к водозаборным скважинам будет формироваться в превалирующей части за счет сокращения разгрузки в реки: в общем на 95%. Сокращение разгрузки в реку Зай составит 34.6, что составляет 59% от разгрузки потока подземных вод в рассматриваемой части ее долины. При среднемноголетней величине годового стока р.Зай 10.1 м3/с ущерб речному стоку составит меньше 4%.

Прогноз изменения качества при эксплуатации нижнеказанского водоносного комплекса был выполнен аналитически, поскольку значительного ухудшения качества подземных вод при выбранной схеме водоотбора не ожидалось. Притока загрязненных речных вод при прогнозируемом соотношении поверхностных и подземных вод не должно быть. Незначительно интенсифицируется приток из шешминского водоносного комплекса, на 1.8 тыс.м3/сут, что может оказаться реальной причиной ухудшения качества отбираемых при эксплуатации подземных вод.

При минерализации воды в шешминском ВК равной 6.0 г/л и остальной основной части эксплуатационного дебита в количестве 38.2 тыс.м3/сут равной 0.4 г/л прогнозная минерализация не превысит 0.65 г/л.

Аналогичный расчет выполнен по содержанию бора, превышающего ПДК в водах шешминского ВК и достигающего 2 мг/л. В водах целевого нижнеказанского ВК содержание бора не превышает 0.2 мг/л, что ниже ПДК. Тогда для Правобережного участка содержание бора в отбираемой подземной воде не будет превышать 0.3 мг/л.

Т.о. очевидно сохранение кондиционности качества отбираемых подземных вод на весь срок эксплуатации при проектируемой схеме водозабора на участке Правобережный месторождения «Степной Зай».

Вторым из предлагаемых к рассмотрению месторождений является Прибрежно-Чистопольское месторождение, рис.2, расположенное на берегу Куйбышевского водохранилища. Эксплуатация этого месторождения была начата в 1956 году. Водозабор «Грунтовый» развивался стихийно. За период наблюдений, 1998-2001 г.г., средний водоотбор составил 17.7 тысяч м3/сут. В настоящее время в эксплуатации находятся 17 скважин, размещенные на площадке 650х650 метров при расстоянии между скважинами от 80 до 120 метров.

Условия водоотбора, естественно, находятся в прямой зависимости от режима водохранилища. Существенное значение при этом приобретает не только положение уровня поверхностных вод, характеризуемое средней годовой амплитудой 5-6 метров, но и изменение положения берега водохранилища. При достаточно плоском рельефе дна водохранилища, казалось бы, незначительная амплитуда колебаний уровня поверхностных вод приводит к существенным изменениям в условиях взаимодействия поверхностных и подземных вод. Удаление водозаборных скважин при высоком уровне водохранилища (53-54 метра) от его берега изменяется от первых десятков до семисот метров. При снижении уровня в водохранилище до минимальных отметок (48-49 метров) ближайшие к берегу скважины оказываются на расстоянии от 500 до 1600 метров от берега, а дальние оказываются уже на расстоянии до 2300 метров.

Гидрогеологические условия исследуемой водовмещающей среды в целом характеризуются двухслойным строением: относительно маломощные аллювиальные четвертичные отложения перекрывают пласты верхнепермских карбонатно-терригенных интенсивно трещиноватых коренных пород, в которых и локализованы, в основном, эксплуатационные ресурсы подземных вод.

Основная зона формирования пресных подземных вод приурочена к пласту «В» (целевой горизонт) нижнеказанского ВК. Минерализация подземных вод этого горизонта изменяется от 0.3 г/л вблизи водохранилища до 1.5 г/л в сторону неогеновой палеодолины. Ниже залегает водоносный пласт «А», вмещающий некондиционные по качеству подземные воды. Этот слой «А» содержит воды повышенной минерализации – 3 - 7 г/л. Поскольку водозабор формировался стихийно, большинство эксплуатационных скважин вскрывают оба водоносных слоя. Соотношение водопритоков по каждому из интервалов неизвестно и, очевидно, переменно во времени и в значительной степени зависит от условий взаимодействия с водохранилищем. Подтверждением этому служат данные по изменению качественного состава подземных вод на водозаборе, прослеженного в течение четырехлетнего цикла наблюдений. При низком положении уровней подземных и поверхностных вод отмечается значительное ухудшение качества подземных вод по отдельным скважинам на водозаборе. Как следствие, при меженном положении уровня подземных и поверхностных вод ухудшение качества подземных вод приводит к некондиционному его состоянию не только в отдельных скважинах, но даже в общем водоводе.

Анализ гидрогеологических условий месторождения, основанный на режиме эксплуатации действующего водозабора, и прогноз эксплуатационных запасов подземных вод выполнен методом моделирования.

Область формирования эксплуатационного водоотбора определяется ограниченностью распространения нижнеказанского водоносного комплекса. На юге месторождение ограничено мощной неогеновой палеодолиной широтного простирания, выполненной песчано-глинистыми отложениями низкой проницаемости.

Водовмещающая толща на модели реализована как трехслойная система. Верхние водоносные отложения, перекрывающие целевой ВК, на модели представлены слоем 1. Слой 2 модели – целевой слой «В» нижнеказанского ВК. Слой «А» этого же комплекса на модели схематизирован как слой 3.

Водохранилище на модели задано граничным условием III рода в слое 1. Его площадь задана переменной во времени в соответствии с фактической его площадью на каждый этап решения, рис. 2. Проведенные исследования позволяют воспроизвести на модели опыт эксплуатации с 01 ноября 1998 года до 30 июня 2001 года, что включает в себя три меженных (низкие положения уровня воды в водохранилище) и три паводочных (высокие уровни воды) состояния исследуемой водной системы. Дискретизация уровня воды в водохранилище при его задании на модели приведена на рис.3.

Основным итогом выполненного моделирования в данном конкретном случае является возможность анализа балансовых составляющих потока подземных вод, формирующих эксплуатационный водоотбор, и их изменения в зависимости от режима поверхностных вод.

В целом для всей площади модели прослежены следующие закономерности, определяющие условия формирования эксплуатационных запасов подземных вод водозабора «Грунтовый» на период проведения исследований, таблица 1.

Суммарная инфильтрация на всю площадь области моделирования составила 10.6 тыс.м3/сут. Далее все потоковые характеристики приведены в тысячах метрах кубических в сутки. Приток из водохранилища, естественно, существенно возрастает в летние паводковые периоды. Максимальное значение отмечено в мае 1998 г. Паводочный подъем уровней составил 5 метров в течение 18 суток, рис.3. При водоотборе 19.9 приток из водохранилища за этот период составил 15.3 (20.5 – приток и 5.2 – отток в водохранилище), а восполнение емкостных запасов в питающем водоносном комплексе достигло 8.0 (10.0 – восполнение и 2.0 – сработка). В мае 1999 г. паводок продолжался 27 суток при изменении уровня в водохранилище на 5.6 метров. При сопоставимом водоотборе (20.8) приток из водохранилища составил 14.9, восполнение емкостных запасов в питающем водоносном комплексе составило 7.1. Аналогичные соотношения отдельных балансовых составляющих, естественно, прослеживаются и в паводки 2000 и 2001 г.г. В зимние меженные периоды приток из водохранилища сокращается до 4.5 (отток в водохранилище в этот период достигает 8.0); сработка емкостных запасов возрастает до 16.8 (восполнение емкостных запасов по площади модели в слое 1 составляет 5.2). Приведенные данные относятся к апрелю 1999 года, когда был отмечен самый низкий уровень в водохранилище – 47.8 м.

Потоки с границ незначительны и практически неизменны во времени: в верхнем питающем слое приток с границы составляет 0.3-0.4; во втором целевом слое «В» – 0.5-0.6 и в третьем слое «А» – 0.9-1.4. Водоотбор из слоя «В» на 3-6% формируется за счет притока с границы этого слоя, остальное определяет переток из верхнего питающего слоя, часть потока из которого транзитом через слой «В» идет в нижележащий слой «А». Водоотбор из слоя «А» в значительно большей степени формируется за счет притока с границы, доля которого составляет 17-36% от водоотбора из него.

Преобладающая часть суммарного водоотбора водозабора «Грунтовый» формируется в пределах области моделирования и характеризуется сложными условиями взаимодействия отдельных балансовых составляющих, величина которых в значительной степени определяется режимом водохранилища, таблица 1; приток с южной границы модели достаточно стабилен и составляет 10-13%.

Кроме того, следует отметить регулирующую роль питающего ВК, таблица 1. Диапазон изменения перетоков из него вниз существенно меньше амплитуды значений притока и оттока из водохранилища. Переток из слоя 1 на модели изменяется в интервале 12-19. Приток из водохранилища (в сумме) в паводки составляет 10-15, а в межень приток из него может быть даже меньше разгрузки подземных вод в него – 3.5 в межень 1999 года.

Одним из этапов проводимого исследования в процессе моделирования было сопоставление изменений потока подземных вод вблизи водохранилища при переходе от естественных к эксплуатационным гидрогеологическим условиям. Естественные условия были восстановлены на среднегодовой уровень водохранилища равный 51.3 м, суммарное значение инфильтрации составило 10.6. Со стороны неогеновой палеодолины приток равен 1.4. Суммарная величина притоков составляет общую разгрузку в водохранилище – 12.0.

Таким образом, при рассмотренной схеме водоотбора на водозаборе «Грунтовый» происходят следующие изменения балансовых восставляющих, определяющих качественный состав отбираемых подземных вод.

Первое и основное – со стороны неогеновой палеодолины по слою «А», к которому приурочены некондиционные подземные воды, происходит увеличение притока почти в 2 раза – с 0.7 до 0.9-1.4. Причем максимальное увеличение притока происходит в меженные периоды. Следовательно, даже столь незначительное увеличение притока со стороны неогеновой палеодолины приводит к наблюдаемому ухудшению качества отбираемых на водозаборе подземных вод. В слое «В» приток с этой границы меняется незначительно – от 0.4 до 0.5-0.6. Это изменение не столь принципиально, но должно учитываться при обосновании схемы будущего водозабора. В верхнем питающем слое приток с этой границы практически не меняется: 0.3 и 0.3-0.4, соответственно.

Следовательно, анализ работы водозабора, основанный на значительном комплексе натурных исследований и подтвержденный результатами моделирования позволил сделать следующие принципиальные выводы.

1.Водозабор должен быть максимально приближен к водохранилищу.

2.В качестве эксплуатационного следует рассматривать слой «В».

3.Снижение уровня в целевом горизонте должно быть таким, чтобы не вызвать значимого увеличения притока со стороны «водораздела».

4.Максимальная удельная нагрузка по линии водозабора определяется условиями взаимодействия верхнего и нижнего горизонтов нижнеказанского ВК; водоотбор из верхнего горизонта не должен приводить к увеличению притока из нижнего горизонта.

Эти выводы полностью были приняты во внимание при выборе схемы проектируемого водозабора.

Прогнозная задача решалась также в нестационарной постановке. Граничные условия были приняты те же, что и при решении обратной нестационарной задачи. Целесообразность такой постановки обоснована следующим. Обратная задача основана на почти четырехлетнем цикле наблюдений, что делает их достаточно представительными. Для данных условий сложно обосновать стационарные условия, поскольку отличительной особенностью рассматриваемого объекта является его существенная нестационарность, проявляемая не только во времени, но и по площади.

Поэтому в качестве прогнозного был принят тот же самый четырехлетний период наблюдений, позволяющий проследить возможные изменения гидрогеологических условий при проектируемом водоотборе.

В результате рассмотрения различных вариантов водоотбора наиболее оптимальной признана следующая схема проектного водозабора.

Водоотбор задан в 17 точках из расчета нагрузки на скважину 1.5 – 1.0 тыс.м3/сут. Из действующих скважин водозабора сохранены шесть, ближних к водохранилищу, скважин, характеризующихся высокими дебитами и кондиционным качеством подземных вод. Суммарная нагрузка на них составляет 8.0 тыс.м3/сут. Остальные точки (скважины) проектные. Все проектные скважины расположены вблизи береговой линии водохранилища при высоком уровне воды в нем. Дебиты проектных скважин составляет 1.0 тыс.м3/сут. Общий суммарный дебит проектируемого водозабора равен 21.0 тыс.м3/сут. Площадная схема существующего водозабора изменена на линейную; общая длина водозаборного ряда вдоль берега водохранилища увеличена до 2.5 километров.

Как следует из результатов прогнозных расчетов, минимальное положение уровня в эксплуатируемом слое в меженный период по линии водозаборного ряда будет на отметках 32 – 35 метров. Наиболее проницаемый интервал целевого водоносного пласта при этом не осушается. При таком положении уровня в целевом слое формируются наиболее оптимальные условия эксплуатации рассматриваемого месторождения для целей питьевого водоснабжения, что подтверждает водный баланс исследуемой системы взаимодействующих поверхностных и подземных вод.

Основная часть водоотбора, 19.5 (94%), формируется за счет перетока из питающего (перекрывающего целевой ВК) слоя, определяемого притоком из водохранилища, сработкой емкостных запасов аллювиального водоносного комплекса и инфильтрацией на площади вне зоны водохранилища. Приток с южной границы месторождения по целевому слою «В» составляет 0.5 тыс.м3/сут или 2%. Переток из слоя «А», соответствующий притоку с его южной границы не превышает 0.8 тыс.м3/сут или 4% от величины проектируемого водообора. Это значение практически совпадает со значением притока с границы этого слоя в естественных условиях. Т.е. при принятой схеме водозабора не наблюдается интенсификации притока из нижнего слоя «А», вмещающего некондиционные подземные воды. Следовательно, отсутствуют предпосылки ухудшения качества подземных вод за счет перетока снизу. При переходе от существующей к проектируемой схеме водозабора приток с южной границы модели сократится более чем в два раза, что для рассматриваемого случая имеет принципиальное значение.

Анализ изменения балансовых составляющих потока подземных вод при переходе от существующей к прогнозной схеме эксплуатации показывает более благоприятные условия формирования ЭЗПВ, рис.3. Увеличение водоотбора из слоя «В» компенсируется сокращением водоотбора из слоя «А» и возрастанием притока из питающего слоя за счет привлечения поверхностных вод водохранилища. Кроме того, приток некондиционных вод со стороны неогеновой палеодолины (приток с границы модели) также сокращается. При проектируемой схеме водозабора, таким образом, в общем балансе эксплуатационного водоотбора возрастает доля подземных вод необходимого качества и снижается приток некондиционных подземных вод как в паводок, так и в межень.

Общий баланс модели показывает, что при выбранной измененной схеме водозабора формируются более благоприятные для целей питьевого водоснабжения условия эксплуатации подземных вод. Полученные результаты гидродинамических расчетов подтверждены на гидрохимической модели месторождения. Средневзвешенная минерализация по данным гидрогеохимического прогнозного моделирования для проектируемого водозаборного ряда не превысит ПДК и составит 0.98 г/л для расчета на меженные условия; на паводочные это значение составит 0.88 г/л.

Следовательно, синтез комплекса натурных методов, обосновывающих гидрогеологические условия месторождения, и анализ условий формирования эксплуатационных запасов методом моделирования позволяют достоверно оценить прогнозные условия. Анализ балансовых составляющих потока подземных вод на модели месторождения позволяет получить более глубокое представление как о гидрогеологических условиях месторождения на момент проводимых исследований, так и на прогнозные условия и обосновать оптимальный режим проектируемой эксплуатации.