logo1-color


Использование данных мониторинга для оценки эксплуатационных запасов подземных вод, добываемых системой групповых и одиночных водозаборов

Автор: Палкин С.С., Сычева Л.Б.


 

Известно, что на территории России для добычи подземных вод с целью хозяйственно-питьевого и производственно-технического обеспечения водой населения и объектов промышленности используются как крупные групповые водозаборы, являющиеся, как правило, источником централизованного водообеспечения, так и малые автономные водозаборы, состоящие из одной или нескольких скважин.

На отдельных, достаточно многочисленных, административных территориях и водохозяйственных участках крупные групповые и группы автономных водозаборов и одиночных скважин образуют весьма большие (до нескольких десятков и сотен объектов) площадные системы добычи подземных вод. Причем, эти системы являются динамически (хронологически) развивающимися за счет:

  • поступательного увеличения производительности групповых водозаборов, в большинстве случаев имеющих к настоящему времени утвержденные в установленном порядке эксплуатационные запасы подземных вод (ЭЗПВ);
  • возрастания числа и производительности автономных одиночных водозаборов, в том числе за счет бурения дополнительных скважин;
  • вовлечения в эксплуатацию объектов подземных вод нераспределенного фонда и др.

Указанные площадные системы характерны для регионов России, расположенных в пределах артезианских бассейнов платформенного типа, представляющих собой гидрогеологические структуры, как правило, с несколькими регионально развитыми и этажно расположенными водоносными комплексами, разделенными между собой относительными водоупорами. Масштабная добыча подземных вод на площадях таких структур приводит к формированию обширных и достаточно глубоких депрессионных воронок, охватывающих площадь в сотни и тысячи кв.км и носящих, по-существу, региональный характер. В этих условиях возникает весьма сложное взаимодействие участков добычи подземных вод между собой как в плане, так и в разрезе многопластовой системы, а также проблема обеспеченности современной и перспективной добычи подземных вод эксплуатационными ресурсами территории.

Как показывает практический опыт, степень указанного взаимодействия водных объектов между собой весьма различна и зависит как от природных, так и от искусственных факторов. Причем, если влияние крупного группового водозабора практически всегда значимо, то взаимовлияние отдельных мелких групповых и одиночных водозаборов может практически и не проявляться. Однако, формально считается, что оно есть и его во всех случаях следует учитывать, в частности, при лицензировании таких объектов; это, в свою очередь, требует применения соответствующих приемов гидрогеологического прогнозирования, которое объективно может быть квалифицированно выполнено только на базе дополнительно получаемой информации разведочного и мониторингового характера. Указанная ситуация еще более усложняется, если прогнозирование нарушенного гидрогеологического режима в отмеченных условиях необходимо вести с учетом намечаемого (проектируемого) изменения размеров добычи подземных вод в ближайшей или дальней перспективе.

Методология решения таких гидрогеологических задач к настоящему времени не получила достаточного обоснования, требует своей разработки и соответствующего практического освещения. Причем, это целесообразно выполнить на по территориях, где указанные проблемы, с одной стороны уже возникли, а с другой – имеют достаточное информационное обеспечение для своего решения данными как ранее проведенных разведочных гидрогеологических работ, так, главным образом, и ведущегося сейчас мониторинга подземных вод территориального и объектного уровня.

Такой территорией России является, в частности, территория Ханты-Мансийского автономного округа, расположенная на площади Западно-Сибирского сложного артезианского бассейна пластовых подземных вод. По этой части артбассейна к настоящему времени выполнено специальное гидрогеологическое районирование по условиям формирования ресурсов и эксплуатационных запасов пресных подземных вод в его верхней гидродинамической зоне; здесь уже ряд лет функционирует Нижневартовский полигон МПВ, организуются и проектируются Ханты-Мансийский, Сургутский и Когалымский полигоны МПВ территориального уровня [2]. Указанные полигоны МПВ охватывают различные по условиям формирования ЭЗПВ площади Западно-Сибирского артезианского бассейна, в пределах которых в значительной степени проявляются разнообразные условия взаимодействия больших и малых водозаборов; последними уже ведется и будет развиваться в перспективе добыча подземных вод из различных гидростратиграфических таксонов бассейна. Поэтому территория ХМАО и ее отдельные площади являются весьма представительными для целенаправленного анализа и обобщения гидрогеологической информации, в том числе и по проблемам многоаспектного использования данных мониторинга подземных вод, включая задачи оценки ЭЗПВ участков недр, эксплуатируемых крупными площадными водозаборными системами.

Одна из таких работ выполнена в 2003 г. для площади Нижневартовского полигона ГМСН в рамках ведения мониторинга на территории Уральского федерального округа.

Территория полигона площадью около 1700 кв.км находится в Нижневартовском районе Ханты-Мансийского автономного округа (Тюменская область). По своему географическому положению она относится к центральной части Западно-Сибирской низменности, к району субширотного течения р.Оби (Широтное Приобъе). Здесь расположены крупные городские агломерации (г.г. Нижневаровск, Мегион, Излучинск) и ряд небольших поселков, в том числе  образованных в связи с   развитием нефтедобывающей инфраструктуры на Самотлорском, Мегионском, Ватинском и др. месторождениях углеводородов (рис.1) . Это определяет интенсивное использование пресных подземных вод для хозяйственно-питьевых и производственно-технических нужд.

statia-14-ris-1

Зона пресных вод развита в разрезе платформенного чехла до глубины 300 м (верхний гидрогеологический этаж) и включает водоносные горизонты в песчано-глинистых отложениях четвертичного и палеогенового возраста - плиоцен-четвертичный, атлым-новомихайловский и тавдинский. В гидрогеологическом отношении она представляет собой типичную многопластовую водоносную систему, элементы которой гидравлически тесно связаны между собой. Верхний этаж характеризуются преимущественно свободным и активным водообменом, а реже, - особенно в нижних частях, - затрудненным водообменом. Соответственно в его пределах большей частью развиты пресные воды, реже - слабосолоноватые.

В разрезе зоны пресных вод (рис. 2) выделяется 6 водоносных горизонтов, разделенных 4-мя пластами слабопроницаемых отложений: (сверху-вниз)

  • четвертичный водоносный горизонт;
  • слабопроницаемые отложения, приуроченные к верхней части новомихайловских отложений;
  • водоносный горизонт новомихайловских отложений;
  • водоносный горизонт атлымских отложений;
  • слабопроницаемая толща по глинам в кровле тавдинской свиты;
  • водоносный горизонт в отложениях верхней тавды (т.н. горизонт “а”);
  • слабопроницаемые отложения по глинистым, выдержанным по латерали, отложениям между водоносными горизонтами “а” и “б”;
  • водоносный горизонт в отложениях средней тавды (т.н. горизонт “б”);
  • слабопроницаемая толща между водоносными горизонтами “б” и “в”;
  • водоносный горизонт в отложениях нижней тавды (т.н. горизонт “в”).

statia-14-ris-2

Описанный разрез опирается на региональный водоупор, представленный отложениями существенно глинистого состава – нижняя половина мощности тавдинских отложений, люлинворская, талицкая и кузнецовская свиты.

Всего на указанной территории для дбычи пресных подземных вод имеется 6 групповых и 122 одиночных автономных водозаборов, принадлежащих различным недропользователям. По состоянию на 2003 г. в эксплуатации находится 5 групповых водозаборов (2 городских водозабора г.Мегион, водозаборы поселков Излучинск и Высокий, водозабор Нижневартовского газоперерабатывающего комплекса). Водозабор в г.Нижневартовске находится в стадии освоения.

Водозаборы г.г.Мегион, Нижневартовск и п.Излучинск построены и эксплуатируются на участках недр с утвержденными ЭЗПВ. Водозаборы п.Высокий и Нижневартовского ГПК требовали оценки ЭЗПВ, которая для последнего выполнена в 2004 г., а для п.Высокий завершится в 2006 г.

На все групповые водозаборы оформлены лицензии на право добычи подземных вод с суммарным разрешенным водоотбором около 95 тыс.м3/сутки. Современный водоотбор составляет на них только 24.9 тыс.м3/сутки. Реальное перспективное увеличение водоотбора прогнозируется до 75-80 тыс.м3/сутки, главным образом, за счет ввода в эксплуатацию Нижневартовского водозабора.

Здесь особо следует выделить Нижневартовское месторождение, которое является в настоящее время частично распределенным участком недр. В результате отвода земель в окрестностях г.Нижневартовска под промышленную застройку и садоводческие хозяйства площадки размещения расчетного водозаборного ряда для отбора ЭЗПВ в объеме всей их утвержденной величины (146 тыс.м3/сутки) оказались частично освоенными по вышеуказанным видам землепользования. “Свободная” часть расчетного ряда позволяет вести отбор из целевого (атлым-новомихайловского) ВК только в объеме 50 тыс.м3/сутки, что закреплено лицензией на добычу подземных вод. Дальнейшее освоение месторождения требует его переоценки, в том числе оценки возможности вовлечения в эксплуатацию тавдинского ВК, залегающего ниже целевого водоносного комплекса.

Из общего количества одиночных водозаборов (122) действующими являются 116 водозаборов с суммарным текущим водоотбором 7,5 тыс.м3/сутки. Подавляющее большинство водозаборов эксплуатируются на основе выданных лицензий. Эксплуатационные запасы этих объектов по промышленным категориям не оценивались и не утверждались. Перспективный рост отбора подземных вод на участках автономных водозаборов оценивается величиной примерно в 1,5 раза выше достигнутого к настоящему времени. Прогнозируется (и реально ведется) строительство и ввод новых одиночных водозаборов.

Суммарный современный отбор на всех действующих (групповых и автономных) водозаборах в размере 32,4 тыс.м3/сутки распределятся по водоносным комплексам следующим образом:

атлым-новомихайловский – 25,7 тыс.м3/сутки

тавдинский – 6,9 тыс.м3/сутки

четвертичный – 0,1 тыс.м3/сутки.

Система мониторинга подземных вод Нижневартовского полигона ГМСН [1,4] включает:

  1. Подсистему наблюдений – на 44 скважинах территориальной опорной наблюдательной сети и на 22 наблюдательных скважинах на объектах добычи подземных вод (объектный уровень ГМПВ); наблюдения за режимом водоотбора на 5 групповых и 116 автономных водозаборах.
  2. Подсистему накопления и обработки информации – автоматизированная информационно-аналитическая система, включающая фактологическую базу данных, ГИС-проект и постоянно-действующую математическую геофильтрационную модель верхнего гидрогеологического этажа.

В результате добычи подземных вод площадной системой водозаборов различного масштаба сформировалась, как это установлено по данным мониторинга [1], депрессионная воронка с центром в районе г.Мегион и внешними границами, приближенными (в северном, западном и южном направлениях) к контуру Нижневартовского полигона. В восточном направлении она пока ограничена, примерно на половине расстояния между г.г.Мегион и Нижневартовск. Эта депрессия зафиксирована как по атлым-новомихайловскому водоносному комплексу (за счет приуроченности к нему основного водоотбора), так и по тавдинскому ВК.

Таким образом:

  1. Разрез зоны пресных вод на территории Нижневартосвкого полигона представляет собой типичную многопластовую систему, гидрогеологические условия которой определяют наличие взаимодействия эксплуатируемых водозаборов как по площади, так и по вертикали. Степень этого взаимодействия определяется пространственным расположением водозаборов, а также характеристиками геофильтрационного разреза.
  2. Большое количество действующих водозаборов создают во времени динамично развивающуюся площадную систему       из-за постоянно увеличивающейся потребности в подземных водах питьевого и технического назначения.
  3. Более сотни автономных водозаборов требует оценки их эксплуатационных запасов.
  4. По Нижневартовскому полигону создана информационно-аналитическая система мониторинга подземных вод, включающая ПДМ зоны пресных вод.

Схема геофильтрационной ПДМ Нижневартовского полигона следующая:

1. Модель составлена в масштабе 1:100 000. Площадь модели 5146 кв.км (83 км – с запада на восток и 62 км – с севера на юг);

2. Геофильтрационное моделирование выполнялось для условий нестационарной фильтрации; задача решалась в уровнях (абсолютных отметках);

3. Геофильтрационная модель схематизирована в виде 10-пластовой системы, отвечающей вышеприведенному строению разреза (рис.2);

4. Поверхность земли, подошва четвертичного и атлым-новомихайловского водоносных комплексов схематизированы на модели их абсолютными отметками, водоносные горизонты атлыма и тавды схематизированы усредненными мощностями, фактические изменения которых учтены при задании геофильтрационных параметров (горизонтальные и вертикальные коэффициенты фильтрации, емкостные характеристики);

5. Речная сеть и озера (в пойменной части) схематизированы на модели граничным условием III рода в соответствии с данными по отметкам водотоков. При схематизации уровней рассмотрены два внутригодовых по водности периода (паводок – 3 месяца и межень – 9 месяцев).

Исходные данные по геофильтрационным параметрам водоносных пластов и разделяющих слабопроницаемых отложений, а также инфильтрационное питание принимались по опыту работ по переоценке ЭЗПВ Мегионского МПВ и в дальнейшем корректировались в зависимости от решения обратных задач.

Обоснование геофильтрационной модели Нижневартовского полигона осуществлялось путем решения 2-х обратных задач:

1. Моделирование естественных условий (ненарушенных эксплуатацией).

2. Моделирование нарушенного режима фильтрации в результате водоотбора подземных вод за период (апрель 1996 г. – апрель 2001 г.).

В результате решения обратных задач достигнута удовлетворительная сходимость модельных и фактических уровней, замеренных в течение рассматриваемого периода, что позволило обосновать следующие геофильтрационные параметры водоносных горизонтов (табл. 1).

statia-14-tabl

Вертикальная проводимость подрусловых отложений и инфильтрационное питание следующие:

Проводимость подрусловых отложений

Инфильтрационное питание:

р.Обь и протоки - 0.1 сут-1.

Меженный период – 32-50 мм/год

р.Вах, р.Ватинский Еган –

0.05-0.1 сут-1.

Период паводка и снеготаяния: 82-160 мм/год.

Мелкие протоки и озера в пойме –
0.01-0.015 сут-1.
Среднегодовое значение, усредненное по площади – 60 мм/год.

 

Охарактеризованная геофильтрационная модель использована для расчета модельных напоров и понижений уровня как в современных условиях (межень 2003 г.), так и для прогнозных расчетов.

Величина водоотбора по скважинам групповых и автономных водозаборов в современных условиях принималась по состоянию на 2003г. равной 32.4 тыс.м3/сут, в т.ч. 24.9 тыс. – групповые и 7.5 тыс. – автономные водозаборы (рис.1) с соответствующим распределением отбора подземных вод по горизонтам.

На первом этапе исследований было получено распределение напоров, применительно к сложившейся схеме водоотбора. Современная добыча подземных вод весьма слабо деформирует естественную пьезометрическую поверхность подземных вод в атлым-новомихайловском ВК, формируя депрессионные понижения с величиной до 1 метра только в радиусе до 1.0 км от центра наиболее крупных групповых водозаборов (г. Мегион, г. Нижневартовск, п. Молодежный). Более заметное влияние современного водоотбора устанавливается по тавдинскому ВК. Здесь есть влияние от работы двух водозаборов г. Мегион ( суммарный Q=5.5 тыс. м3/сутки), оцениваемое понижением около 1.0 метра с формированием депрессионной воронки радиусом 18-20 км.

Роль групповых водозаборов и автономных водозаборов в формировании понижений уровней текущего периода  исследовалась «выключением» на модели соответствующей группы водозаборов. Установлено, что роль автономных водозаборов в современных условиях невелика и в большей степени заметна по тавдинскому горизонту в пределах западной части полигона, составляя на отдельных участках 10-20% от суммарного понижения.

Моделирование прогнозной эксплуатации выполнялось в вариантной постановке с заданием водоотбора в   различных   комбинациях:

- эксплуатация групповых водозаборов в объеме утвержденных ЭЗПВ совместно с автономными, расход которых равен современному водоотбору;

- работа групповых водозаборов с отбором утвержденных запасов и автономных водозаборов с водоотбором, установленным в лицензиях;

- работают групповые водозаборы (на уровне утвержденных ЭЗПВ) вместе с заданием перспективного водоотбора по одиночным водозаборам (примерно в 1,5-2 раза выше лимитов установленных в лицензиях);

-варианты схем эксплуатации Нижневартовского водозабора с перераспределением водоотбора между атлымским и тавдинским горизонтами, в том числе с учетом сокращения длины расчетного ряда.

Анализ результатов выполнен по картам распределения понижений, отстраиваемых для каждого эксплуатируемого водоносного горизонта.   В качестве примера на рис.3 приведены карты прогнозных понижений для одного из вариантов.

statia-14-ris-3

В целом анализ всех полученных результатов показывает, что роль групповых водозаборов с расходом, соответствующим утвержденным запасам (Q=224,3 тыс.м3/сут), является преобладающей по сравнению с ролью автономных водозаборов в современных условиях (Q=7.5 тыс.м3/сут). При этом, влияние групповых водозаборов на автономные (учитывая понижения уровней от естественных условий) различно, в зависимости от их местоположения, достигая 10-20 м – вблизи Нижневартовского водозабора и уменьшаясь до 0.5-1.0 м – на периферии (по атлымскому горизонту). По тавдинскому горизонту значительные понижения (до 20 м) характерны для западного участка (вблизи водозаборов 1 и 2 г. Мегион), на периферии влияние уменьшается до 0.5-1 м.

При совместной эксплуатации групповых (в объеме утвержденных запасов) и автономных (современный отбор) водозаборов максимальное дополнительное понижение в атлыме по сравнению с современными условиями достигает 42.6 м (Нижневартовский водозабор), в «тавде» – 5 м.

Влияние автономных водозаборов при их перспективном отборе (Q=56.9 тыс.м3/сут) на понижения уровней на участках групповых водозаборов по атлымскому горизонту не превышает 30%, по тавдинскому – достигает 50-70% (западная часть полигона) и 10-25% (восточная часть полигона).

Варианты задания водоотбора по Нижневартовскому водозабору в 75 и 92 тыс.м3/сут с перераспределение отбора между атлымским и тавдинским горизонтами ( соответственно 50 и 25, 80 и 12 тыс.м3/сут показали, что при водоотборе 25 тыс.м3/сут из тавдинского горизонта понижение уровня (от современных условий) здесь весьма существенно и достигает 87м. При уменьшении отбора из «тавды» до 12 тыс.м3/сут понижение уровня составит 43.4 м В атлымском горизонте в этом случае (при отборе 80 тыс.м3/сут) понижение уровня составит 31.8 м.

В качестве основных выводов отметим:

  1. На организованном ранее Нижневартовском полигоне ГМГС впервые выполнено, с использованием постоянно-действующей геофильтрационной математической модели, исследование состояния гидросферы в атлым-новомихайловском и тавдинском водоносных комплексах зоны пресных вод под влиянием добычи подземных вод, осуществляемой системой крупных групповых имногочисленных автономных водозаборов.
  2. Выполнено решение вариантов прогнозных геофильтрационных задач, отвечающих различным «сценариям» отбора подземных вод из атлым-новомихайловского и тавдинского водоносных комплексов. Результаты расчетов свидетельствуют о следующем:

2.1 Современная добыча подземных вод, ведущаяся на шести групповых (29.4 тыс. м3/сутки) и 116 автономных (7.5 тыс. м3/сутки) водозаборах, весьма слабо деформирует естественную пьезометрическую поверхность подземных вод в атлым-новомихайловском ВК. Более значительная депрессионная воронка формируется по тавдинскому ВК.

2.2 Эксплуатационные возможности площади Нижневартовского полигона позволяют осуществлять здесь добычу пресных подземных вод, размер которой полностью обеспечивает перспективную потребность как крупных, так и всех мелких водопотребителей. При суммарном водоотборе из атлым-новомихайловского и тавдинского ВК равном 281 тыс. м3/сутки (соответственно 262.5 и 18.7 тыс. м3/сутки) динамические уровни в этих гидростратиграфических таксонах не превысят допустимых значений. При этом модуль эксплуатационной нагрузки на атлым-новомихайловский ВК составит 1.9 л/с*км2. Его соотношение с величиной   модулем прогнозных эксплуатационных ресурсов этой территории, который находится в пределах от 2.0-3.5 до 3.5-5.0 л/с*км2 (3),   показывает, что площадь полигона еще имеет существенный резерв эксплуатационных ресурсов.

2.3 Реальное расположение групповых и автономных водозаборов относительно друг друга таково, что, при работе первых с полным отбором уже утвержденных ЭЗПВ, а вторых – на уровне перспективной потребности, следует в отдельных случаях выполнять прогноз понижения уровня в автономных водозаборах. Влияние на них крупных групповых каптажей (Нижневартовский, Мегионский водозаборы) может быть существенно (чем ближе, тем больше !) и должно учитываться при конструктивных особенностях вновь сооружаемых эксплуатационных скважин и при определении глубины загрузки в них погруженных насосов.

3. Использование результатов этих исследований необходимо использовать при подсчете эксплуатационных запасов по действующим и проектируемым автономным водозаборам, так как дает возможность   при расчете прогнозного понижения вполне обоснованно учесть максимальную срезку уровней от работы водозаборов других недропользователей.

4. Результаты выполненной работы позволяют территориальной службе мониторинга подземных вод, с целью информационного обеспечения лицензирования объектов добычи подземных вод, определить предельное значение динамического уровня для каждого водного объекта при максимальном развитии систем добычи подземных вод в пределах Нижневартовского полигона. Это является основой для формулирования в лицензионных отношениях обоснованных требований к конструкциям водозаборных скважин, а также рекомендацией по глубине установки в них водоподъема.

5. Работы по изучению и анализу опыта эксплуатации крупных площадных систем добычи подземных вод с решением конкретных прогностических задач на территории ХМАО необходимо продолжить. В частности, является целесообразным выполнить подобные исследования в районе городов Ханты-Мансийск, Сургут, Когалым. Обобщение полученных результатов позволит, в конечном итоге, создать практически значимое методическое руководство по одному из важнейших аспектов проблемы управления добычей подземных вод площадными водозаборными системами на основе полноценных мониторинговых наблюдений в областях развития многопластовых водоносных систем.

 

Список литературы

  1. Агейчик Л.А., Палкин С.С. «Мониторинг пресных подземных вод в Нижневартовском районе ХМАО (I этап организации Нижневартовского полигона ГМГС)» Мегион-Москва, МГЭ, ГИДЭК, 1999 г.
  2. Палкин С.С. и др. «Программа Государственного мониторинга ГС водных объектов по территории ХМАО (отчет по договору 5В-98 с КПР по ХМАО)», М., ГИДЭК, 1999 г.
  3. Палкин С.С. и др. «Оценка обеспеченности населения ХМАО ресурсами подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения», М., ГИДЭК, 2001 г.
  4. Палкин С.С. «Мониторинг пресных подземных вод в Нижневартовском районе ХМАО (II этап организации Нижневартовского полигона ГМГС)» Москва, ГИДЭК, 2003 г.