Особенности формирования и оценки эксплуатационных запасов подземных вод в сквозных таликах гидрогеологических массивов криолитозоны

Автор: Боревский Б.В., Сидоркин В.В.

В течение последней четверти прошлого столетия активно осваивались восточные регионы России. Были построены трасса БАМ, начата разработка Южно-Якутского угольного бассейна. Эти обстоятельства определили необходимость решения проблем водоснабжения городов и поселков (как мелких, так и довольно крупных, с населением 50-150 тыс. человек) осваиваемых регионов, отличающихся весьма суровым климатом. Среднегодовая температура составляет здесь около минус 7⁰С; зимой температура опускается до минус 40-50⁰С.

Следствие сурового климата – развитие многолетней мерзлоты (островной, массивно – островной) и отсутствие в зимнее время речного стока (водотоки полностью промерзают). Таким образом, в рассматриваемых условиях потребности водоснабжения могут быть удовлетворены только за счет подмерзлотных и таликовых подземных вод, циркулирующих круглогодично.

Условия формирования ресурсов подземных вод здесь также весьма специфичны, что обусловлено повсеместным распространением кристаллических (интрузивных, метаморфических, глубоколитифицированных и метаморфизованных осадочных) пород и, как уже было сказано, сохранением многолетней мерзлоты, мощность которой на склонах и в поймах речных долин достигает 40-120м. По своей сложности такие условия соответствуют 3-ей группе [2].

Таким образом, ресурсы подземных вод локализованы в зонах региональной и тектонической трещиноватости, развитых по кристаллическим породам. Схема формирования ресурсов подземных вод кратко может быть охарактеризована следующим образом [3]:

- атмосферные осадки в теплое время года инфильтруются по инсоляционно-инфильтрационным сквозным водораздельным таликам;

- инфильтрат насыщает зоны с открытой трщиноватостью и по наиболее проницаемым из них отводится к тальвегам речных долин;

- в притальвеговых зонах происходит разгрузка подземных вод через сформировавшиеся здесь сквозные (водозно-тектонические) талики.

В зимнее время года очаги разгрузки подземных вод четко маркируются наледями (см. рис. 1).

Долгое время считалось, что сток трещинных вод в пределах криолитозоны весьма изменчив (незарегулирован) в многолетнем цикле, что является следствием ограниченности питания и коллекторских свойств разреза. Поэтому обеспеченность эксплуатационных запасов ресурсами подземных вод определялась в соответствии с минимальными объемами наледей (т.е. минимальными дебитами наледеобразующих источников).

Это определяло и подход к оценке эксплуатационных запасов. Величину запасов (при их соответствующей ресурсной обеспеченности) принимали в соответствии с фактически достигнутым дебитом длительной (3-4 месяца) групповой опытно-эксплуатационной откачки, приуроченной к “пику воднокритического периода” (февраль-май). Фактически зафиксированные при откачке закономерности снижения уровней подземных вод затем использовали в качестве основы для прогнозирования понижений, которые будут достигнуты в результате промышленного водоотбора [1, 2].

Изложенная методика была использована при оценке эксплуатационных запасов Шахтаумского месторждения подземных вод, разведанного институтом “Мосгидротранс” (Сидоров, 1980) для обеспечения потребностей “столицы БАМа”, г. Тынды. На основании результатов разведки к началу 1970-х годов были построены два водозабора – Нижний Шахтаум и Средний Шахтаум. Ввод в действие этих водозаборов обеспечил удовлетворение первоочередных нужд хозяйственно-питьевого водоснабжения населения г.Тынды.

Однако потребности в воде росли, что определило необходимость проведения соответствующих гидрогеологических исследований. Производство работ было поручено ПГО “Дальгеология”. На начальном этапе поисково-разведочных исследований в районе г.Тынды были выделены дополнительные перспективные участки и, что не менее важно, организованы наблюдения за режимом отбора и уровнями подземных вод на уже освоенных участках Шахтаумского месторождения.

Анализ опыта эксплуатации водозаборов, функционирующих, подчеркнем, в крайне сложных мерзлотно-гидрогеологических условиях, был проведен совместно специалистами ПГО “Дальгеология” и возглавляемой в то время профессором Л.С.Язвиным Лаборатории ресурсов подземных вод ВСЕГИНГЕО. Результаты анализа показали, что фактический водоотбор значительно (в 1.5-2 раза) превышает оцененные запасы и, при этом, ход уровней существенно отличается от зафиксированного при опытно-эксплуатационной откачке. Ежегодно на заключительной стадии зимнего бессточного (воднокритического) периода отмечается практически стабилизация уровней в эксплуатационных скважинах в условиях отсутствия дополнительного инфильтрационного питания.

Выявленные особенности гидродинамического режима, четко указывающие на зарегулированность подземного стока в многолетнем цикле, определили целесообразность переоценки эксплуатационных запасов Шахтаумского месторождения и, что не менее важно, обусловили необходимость разработки новых методических подходов к оценке промышленных возможностей месторождений подземных вод в сквозных таликах, аналогичных по мерзлотно-гидрогеологическим условиям Шахтаумскому.

Для обоснования новых методических подходов были использованы данные, полученные при разведке других месторождений, как в районе г. Тынды, так и вдоль трасс БАМа и Транссиба, а также результаты специальных гидрогеологических исследований, программа которых была разработана в Лаборатории ресурсов подземных вод ВСЕГИНГЕО.

Анализ дополнительно полученной информации позволил разработать эвристическую модель формирования ресурсов и, соответственно, эксплуатационных запасов подземных вод в рассматриваемых условиях [5]. Особенности формирования ресурсов подземных вод в рассматриваемых условиях могут быть кратко охарактеризованы следующим образом:

1. Атмосферные осадки, выпадающие в теплое время года, распределяются между частными поверхностными водосборами и инфильтруются в проницаемые зоны трещиноватости коренных пород через водораздельные инсоляционно-инфильтрационные талики.

2. Каждый частный поверхностный водосбор представляет собой комбинацию микробассейнов подземного стока, которые, в свою очередь, сформированы блоками кристаллических пород, пронизанных микротрещиноватостью, и развитыми по кристаллическим породам корами выветривания (что наиболее характерно для зон развития разрывной тектоники).

3. Основным элементом каждого микробассейна подземного стока является хорошо проницаемая зона повышенной трещиноватости кристаллических пород, контролируемая, как правило, разрывным нарушением (внутрибассейновая дрена); такая зона дренирует непромороженные микротрещиноватые блоки и коры выветривания.

4. По внутрибассейновой дрене сток отводится в притальвеговую зону долины, где и разгружается.

5. В летнее время разгрузка, как правило, происходит субаквально, зимой маркируется наледями [3], объемы которых косвенно отражают величину ресурсов подземных вод, локализованных в границах микробассейна.

6. Низкая проницаемость микротрещиноватых блоков и кор выветривания, а так же незначительные (в естественных условиях) градиенты исключают возможность полного дренирования этих коллекторов, что определяет зарегулированность подземного стока в многолетнем цикле.

Таким образом, в результате проведенных исследований удалось выявить ряд особенностей формирования ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод, определяющих подходы к их оценке. Основным является следующее [5]:

- ресурсы подземных вод зарегулированы в многолетнем цикле и, поэтому, их величина не зависит от водности периода, в который проводятся оценочные исследования;

- степень дренирования подземных коллекторов определяется величиной понижения, создаваемого при водоотборе, при этом в процессе относительно кратковременных откачек (охватывающих только часть воднокритического периода) достичь тех градиентов, которые формируются при эксплуатации, не удается, а, следовательно, использование данных откачек для прогнозирования эксплуатационных понижений неправомерно.

Отметим, что многолетнее регулирование подземного стока в частично пораженных мерзлотой кристаллических коллекторах, кроме гидродинамических данных (несовпадение хода уровней при длительных откачках и при эксплуатации; стабилизация уровней на участках интенсивного водоотбора во второй половине бессточного периода, когда условия для дренирования слабопроницаемых коллекторов наиболее оптимальны), подтверждены результатами изотопных исследований. Установлено, что добываемые водозаборными скважинами воды в течение зимней межени “стареют”. В начале зимы их возраст составляет 1-2 года, на этапе стабилизации уровней, когда в эксплуатацию вовлечены воды, извлекаемые из слабопроводящих фрагментов разреза (микротрещиноватые блоки, коры выветривания) приближается к 7-9 годам. Примерно такой же возраст, равный 9-12 годам, имеют воды, выводимые наледеобразующими источниками в естественных условиях, при относительно замедленном водообмене, не нарушенном эксплуатацией, т.е. не испытывающем влияния существенных сезонных изменений градиентов.

С учетом выявленных закономерностей формирования ресурсов подземных вод, для рассматриваемой ситуации были предложены новые методические подходы к оценке эксплуатационных запасов.

Прежде всего, доказано, что в качестве лимитирующей (обеспеченной) следует принимать не минимальную (95%-обеспеченности), а среднемноголетнюю величину эксплуатационных ресурсов подземных вод (т.е. подземного стока, который может быть привлечен к скважинам). Кроме того, с учетом непредставительности данных, получаемых по результатам опытно-эксплуатационных откачек, разработана методика прогноза снижения уровней, основанная на использовании выведенной эмпирически (по данным многолетних наблюдений за наледеобразованием, режимом водоотбора и уровней на эксплуатируемых участках Шахтаумского месторождения) зависимости величины понижения (формирующегося непосредственно в водоносной зоне) от доли извлекаемых ресурсов подземных вод, локализованных в пределах того микробассейна подземного стока, где заложена водозаборная скважина. Эта зависимость, отображенная графически, представлена на рис. 2.

Отметим, что использование предложенного подхода к прогнозу понижений исключило необходимость выполнения весьма трудоемких длительных опытно-эксплуатационных откачек в суровых климатических условиях.

Разработанная методика оценки эксплуатационных запасов была успешно апробирована при переоценке промышленных возможностей Шахтаумского месторождения (Амурская область, район г.Тынды), что позволило здесь без расширения площадей водозаборов увеличить водоотбор с 8.5 до 19.0-20.0 тыс. м³/сут. С использованием предложенной методики переоценены эксплуатационные запасы Амнуннактинского и Верхне-Нерюнгринского месторождений (южная Якутия, район г. Нерюнгри), где так же увеличен промышленный водоотбор в пределах ранее освоенных площадей. Изложенные методические подходы успешно применены при оценке эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения ряда станций Транссиба – Сковородино, БАМовская и др.

В заключение подчеркнем, что разработанные методические подходы обеспечивают оптимизацию оценки эксплуатационных запасов уже освоенных месторождений, возможности которых представлялись ограниченными достигнутой величиной водоотбора. В результате отпадает необходимость освоения в условиях сурового климата и сильнопересеченной местности, дополнительных, как правило, удаленных площадей и, следовательно, исключаются затраты на сооружение новых водозаборов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод, Киев, 1989, 408 с.

2. Классификация эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод. Министерство Природных ресурсов Российской Федерации. М., 1997, 16 с.

3. Особенности режима подземных вод в условиях островной мерзлоты (район г.Тынды). Тезисы докладов всесоюзного совещания по подземным водам востока СССР (XII совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока). Иркутск – Южно-Сахалинск, 1988, с.104-105

4. Расчет подземного питания рек криолитозоны. Л., 1988, 106 с.

5. Сидоркин В.В. Особенности формирования ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод и методики их разведки в пределах Станового криогенного гидрогеологического массива (на примере района г.Тынды). Автореферат диссертации, М., 1992, 21 с.