Оценка эксплуатационных запасов подземных вод при неравномерном водоотборе в речных долинах в условиях сработки восполнения их емкостных запасов

Автор: Боревский Б.В., Ершов Г.Е.

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения и последующая постановка на учет подсчитанных запасов обычно осуществляется применительно к равномерному во внутригодовом и многолетнем разрезе водоотбору на весь расчетный срок или неограниченный во времени период. При этом величина подсчитанных запасов соответствует среднесуточному водоотбору в тыс.м³/сут.

При неравномерном внутригодовом водоотборе, как это имело место, например, при оценке запасов для целей орошения, реальный суммарный годовой водоотбор в течение вегетационного периода приводится к равномерному непрерывному среднесуточному. Реальный график водоотбора учитывается при подсчете эксплуатационных запасов и обосновании проектной схемы эксплуатации применительно к расчетной схеме водозабора, позволяющей реализовать максимальный расчетный водоотбор.

Такой же подход применяется при подсчете запасов для других целей применительно к неравномерному в течение года режиму эксплуатации. Например, при водоснабжении сахарных заводов, работа которых имеет сезонный характер.

Практикуемый подход применим при постоянных источниках обеспеченности подсчитанных ЭЗПВ, что характерно для месторождений подземных вод с большой регулирующей емкостью.

При этом, по нашему мнению, во избежание постановки на учет фиктивной величины подсчитанных ЭЗПВ их величину целесообразно определять не только в тыс.м³/сут среднегодового водоотбора, но и в млн.м³/год. В последнем случае это одновременно будет соответствовать размерности устанавливаемых годовых лимитов водопотребления.

В случаях, когда обеспеченность эксплуатационных запасов меняется не только в многолетнем, но и во внутригодовом разрезе , лимитирующей величиной эксплуатационных запасов принимается оценка источников их восполнения применительно к минимальному среднесуточному расходу 95% вероятности превышения (обеспеченности).

Наиболее часто такой подход практикуется при оценке ЭЗПВ в долинах малых рек, где в меженный период величина запасов ограничивается указанной величиной расхода, пропускной способностью русла реки и возможностью периодической сработки емкостных запасов с их последующим восполнением в многоводные периоды. Частным случаем таких условий является оценка запасов в долинах перемерзающих или пересыхающих рек.

Естественно, что при этом оценивается минимальная величина ЭЗПВ, характеризующая удовлетворение заявленной потребности в воде даже в воднокритический период маловодного года или серии маловодных лет. При этом при экспертизе запасов часто отмечается, что водоотбор может быть увеличен в многоводные периоды, но величина такого увеличения рассчитывается в исключительно редких случаях и при проектировании водозаборов обычно не учитывается.

Поскольку описанный практикуемый подход соответствует критическим по водности периодам, которые могут наблюдаться в течение 30-ти суток один раз в 20 лет, то возникает резонный вопрос о целесообразности такого ограничения в остальное время. При оценке запасов для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения местного населения такой подход при отсутствии других источников водоснабжения вполне оправдан. При изменении целевого назначения водоотбора или при возможности верификации источников водоснабжения (например, одновременном использовании подземных и поверхностных вод или нескольких источников водоснабжения из подземных вод) распространение принятых весьма жестких ограничений на более полноводные периоды года и на более многоводные годы является, по-видимому, излишним. При этом величина ЭЗПВ в годовом разрезе 95% обеспеченности и тем более в многоводные годы может существенно возрасти.

Возникает резонный вывод – какая величина запасов и для периода и лет какой водности должна подсчитываться и ставиться на государственный учет?

Данную ситуацию авторы решили рассмотреть на примере одной из горных речных долин Черноморского побережья Кавказа применительно к задаче оценки эксплуатационных запасов подземных вод для целей экспортной транспортировки воды, допускающей переменный водоотбор как в разные по водности периоды года, так и в меженные периоды лет разной водности.

Для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения на территории Черноморского побережья Кавказа к настоящему времени оценены эксплуатационные запасы подземных вод множества речных долин применительно к меженному периоду года 95% обеспеченности. Подсчёт запасов при этом выполнен применительно к условиям их сработки-восполнения в воднокритические меженные периоды. Возможность отбора лимитированных водностью этого периода ЭЗПВ распространена на все более многоводные годы и периоды года.

Только на 2-х участках (Сочи, Туапсе) водооотбор приближается к величине утверждённых запасов, а в остальных случаях составляет менее 10-20% или вообще не производится. Вместе с этим и на крупных водозаборах, где водоотбор близок к величине оцененных запасов, в полноводные периоды значительная величина поверхностного и подземного стока, намного превышающая величину ЭЗПВ месторождений, разгружается в Чёрное море без использования в хозяйственно-питьевом водоснабжении. Это позволяет рассматривать вопрос о возможностях дополнительного использования потенциальных ресурсов этих месторождений в полноводные периоды для целей экспорта воды.

Месторождения подземных вод, приуроченные к аллювиальным отложениям рек Черноморского побережья, представляют собой узкие конусообразные долины шириной от 80-100 м до 1 км, заполненные песчано-гравийно-галечными отложениями с изменяющейся мощностью (от 20-30 м до 70-80 м) и высокими фильтрационными свойствами, позволяющими оборудовать и эксплуатировать водозаборные скважины с дебитами 3-5 тыс. м³/сут и более. Особенностью этих месторождений является существенная зависимость их эксплуатационных запасов от гидрологического режима горных рек, крайне непредсказуемого и неупорядоченного. Тем не менее, можно сформулировать некоторые общие закономерности по данным более, чем векового периода наблюдений за их стоком. Внутригодовой режим рек характеризуется сильной изменчивостью, что приводит к тому, что в течение большей части года (8-10 месяцев) сток рек обеспечивает возможности водоснабжения в любых реальных потребностях, но практически всегда отмечается маловодный меженный период продолжительностью от 10-20 до 45-60 сут (в редкие годы – до 80-90 сут) с дефицитом поверхностного стока в реках, что требует лимитирования водоотбора. Таким образом, в течение большей части года отбор лимитируется величиной потребности, и только в короткий меженный период – возможностями отбора.

Разведка и освоение подземных вод долин рек Черноморского побережья имеет почти 50-летнюю историю. Однако, все работы выполнялись с одной целевой направленностью, а именно – для обеспечения хозяйственно-питьевого водоснабжения населения с учётом того, что самые маловодные периоды года приходятся на пики курортных сезонов, и в это время требуется максимальный водоотбор. Поэтому методика гидрогеологических исследований, разведки и подсчёта ЭЗПВ разрабатывалась и внедрялась применительно к обоснованию оптимальной схемы водозабора и возможной величины водоотбора в воднокритические меженные периоды. Новая задача – использование подземных вод не только для водоснабжения местного населения, но и для транспортировки воды за пределы данного региона, требует разработки принципиально новой методики оценки ЭЗПВ применительно к изменившимся целям использования подземных вод. При этом следует иметь в виду, что при планируемом использовании воды для транспортировки за пределы побережья на протяжении всего года должна быть обеспечена гарантия резервирования необходимых объёмов воды для водоснабжения местного населения.

В качестве пионерного объекта для такого использования подземных вод работ было выбрано месторождение в одной из типичных долин горной реки Черноморского побережья. Эксплуатационные запасы подземных вод по месторождению были утверждены ещё в 1967 году для участка долины общей протяжённостью 5 км и составили около 50 тыс. м³/сут. Расчётная схема водозабора представляет собой линейный ряд скважин с расстоянием между ними 200 м, вытянутый вдоль русла реки, при расчётных дебитах одной скважины от 1,6 тыс. м³/сут до 2,5 тыс. м³/сут. Подсчёт запасов производился аналитическими методами с учётом сработки емкостных запасов для маловодного периода при привлечении всего поверхностного стока реки в межень длительностью 88 сут, то есть исходя из возможностей максимального водоотбора с разведанного участка в маловодный меженный период года 95% обеспеченности или в наиболее критических условиях по водности.

Учитывая изложенное, основная задача при проведении данных работ состояла в переоценке ранее подсчитанных ЭЗПВ применительно к гибкому графику эксплуатации водозабора с учётом как многолетней, так и внутригодовой изменчивости стока реки. Действительно, при поставленных целях использования воды представляется нецелесообразной оценка ЭЗПВ месторождения применительно только к условиям межени маловодного года, которая может встретиться 1 раз в 20 лет, в то время, как в обычные годы, а также в полноводный период такого маловодного года, и отбор и поставки воды могут быть увеличены. Одной из основных задач методики оценки ЭЗПВ применительно к изменившимуся целевому назначению стало, в частности, обоснование продолжительности меженных периодов разной водности, динамики изменения стока в эти периоды и обоснование возможной величины водоотбора в различные по водности годы.

Учитывая то, что изучаемое месторождение не эксплуататируется, для изучения динамики водоотбора в многолетнем и внутригодовом разрезе были привлечены материалы по ближайшим водозаборам-аналогам. Наиболее близкими аналогами рассматриваемой долины по гидрогеологическим и гидрологическим условиям были признаны водозаборы долины р.Туапсе, подземные воды которой эксплуатируются для целей водоснабжения уже более 50 лет, а в меженные периоды водозаборы работают на пределе возможностей той схемы, в которой они реализованы.

Анализ результатов наблюдений показал, что в конце продолжительного двухмесячного меженного периода наиболее маловодного 1986 года (из всего ряда наблюдений) на городском водозаборе Туапсе уровни подземных вод в эксплуатационных скважинах наиболее нагруженных участков (Центральном и Массажийском) срабатывались до отметки расположения насосов, что вызывало необходимость временного снижения суммарного отбора (рис. 1). В то же время при более оптимальном расположении эксплуатационных скважин и целенаправленном перераспределении водоотбора между ними в водно-критический период его суммарная производительность могла быть сохранена в максимально возможных пределах, что видно по режиму снижения уровня на Верхнем участке. Таким образом, фактически утверждённая величина ЭЗПВ на Туапсинском месторождении свойственна всего 1-2-м маловодным годам за весь период его эксплуатации. Оптимизация водоотбора в пределах отдельных участков месторождения может привести лишь к его увеличению не более, чем на 15-20%. В то же время, анализируя график изменения уровней в эксплуатационных скважинах за длительный период эксплуатации водозабора (рис.2), можно увидеть, что глубина и продолжительность периода сработки ёмкостных запасов от года к году также сильно меняется, составляя от нескольких суток до 3-х месяцев, что, в принципе, позволяет увеличивать величину как годового водоотбора в более полноводные годы за счёт увеличения отбора вне меженного периода, так и водоотбора меженного периода более многоводных летних сезонов (1995-1998 гг).

Для моделирования прогнозных задач использовалось программное обеспечение Visual Modflow в версии 3.1, включающее блок задания граничных условий “stream”. Этот тип граничного условия позволяет учитывать изменение расхода водотоков по длине в процессе привлечения речных вод к водозаборным скважинам вплоть до полного перехвата поверхностного стока. Моделирование с помощью “stream” позволяет также раздельно учитывать на модели уменьшение ширины реки и коэффициента фильтрации подрусловых отложений за их счёт кольматации в течение межени. Это является значительным отличием данной модели от численных моделей, использовавшихся ранее для моделирования инфильтрационных водозаборов рек Черноморского побережья, где речные потоки стандартно задавались просто граничным условием 3-го рода (или II рода при отрыве уровней от дна реки), а уменьшение стока по длине реки при эксплуатации водозаборов учитывалось путём увеличения на модели комплексного значения параметра Ао во времени на отдельных участках.

По результатам изучения опыта эксплуатации действующих водозаборов в долинах горных рек Черноморского побережья Кавказа с применением методов численного моделирования в 70-80-х годах прошлого столетия были сделаны выводы о том, что в меженные периоды при уменьшении расходов поверхностных вод на участках расположения водозаборов происходит ухудшение взаимосвязи подземных и поверхностных вод. В эти периоды при высоких линейных эксплуатационных нагрузках на водозаборы (от 3-5 до 7-10 тыс. м³/сут на 100 м длины в зависимости от типа рек) происходит отрыв уровней подземных вод от русла реки, сработка ёмкости водоносного горизонта и резкое снижение уровней подземных вод. В паводковые периоды при резком увеличении скоростей течения и переработке русловых отложений происходит полное восстановление естественной взаимосвязи подземных и поверхностных вод и восполнение сработанной ёмкости водоносного горизонта.

В данной постановке, в отличие от ранее выполненных исследований при решении прогнозных задач рассматривались не только воднокритические периоды наиболее маловодного года, но распределение и динамика изменения величины стока реки в годы разной водности. На численной модели месторождения рассматривались возможности водоотбора в годы разной водности (50%, 75%, 95%) , а внутри года – в периоды разной водности, с тем, чтобы впоследствии можно было составить гибкий график внутригодового водоотбора различных по водности лет. При этом недостаток расхода реки в маловодные периоды компенсируется сработкой ёмкости аллювиальных отложений с последующим её восполнением в более полноводные периоды.

На основе анализа опыта эксплуатации водозаборов-аналогов и изучения гидрологических характеристик рек на модели при решении прогнозных задач рассматривалась следующая последовательность периодов внутригодовой водности:

- Полноводный период длительностью от 335 сут (в годы обеспеченности 50% и выше) до 235 сут (в годы 75% обеспеченности), когда расход реки превышает 500 000 м³/сут, и параметр сопротивления подрусловых отложений близок к ненарушенным условиям (для целей моделирования принят значением 0,3 сут);

- 90-суточный период снижения фильтрационной проводимости подрусловых отложений в связи со снижением расходов реки ниже 500 000 м³/сут при значительной удельной эксплуатационной нагрузке на водозаборный ряд. Параметр сопротивления подрусловых отложений в этот период на модели увеличивался втрое до величины 1 сут;

- 20-суточный период начала меженного периода, когда расход речных вод, как правило, оказывается ниже суммарного водоотбора. Параметр сопротивления подрусловых отложений в этот период на модели увеличивался ещё вдвое до величины 2 сут (в отдельных вариантах – 3 сут). Расход реки для этого периода принимался по величине минимального 30-суточного стока;

- 10-суточный период конца межени, когда расходы реки минимальны. Расход реки для этого периода принимался по величине минимального 10-суточного стока. Параметр сопротивления подрусловых отложений в этот период на модели увеличивался до значения 5 сут (в отдельных вариантах – 10 сут).

В рассматриваемых условиях наиболее важным фактором, влияющем на величину водоотбора в воднокритический период, является не столько водность года в целом, сколько продолжительность меженного периода (когда расход реки сопоставим с расходом водоотбора и происходит сработка емкостных запасов) и динамика изменения расхода реки в течение межени, которые, наряду с ёмкостью пласта, лимитируют величину минимального возможного отбора. Поэтому прогнозные расчёты выполнялись как для лет с характерной водностью, так и для распределения расходов, наблюдавшихся в 1957 году, который характеризовался не самой низкой общей водностью (71%), а наибольшей продолжительностью межени при наиболее низком уровне меженных расходов (табл. 1).

При малых расходах рек в меженный период помимо величины расхода реки равноценным критерием является возможный объём сработки емкости. Поэтому величина той части расхода водозабора, которая определяется сработкой емкости, существенно зависит от продолжительности меженного периода. При его сокращении водоотбор может быть значительно увеличен, что хорошо видно из приведенной таблицы (табл.2).

По результатам расчётов эксплуатационные запасы оцениваемого месторождения по среднегодовому расходу составили от 104 тыс. м³/сут для лет низкой водности с наиболее продолжительной меженью (на примере показателей стока 1957 года) до 125 тыс. м³/сут для лет средней водности при постоянном водоотборе в полноводные периоды и периодическом интенсивном водоотборе в меженные периоды года. Эти величины в 2 – 2,5 раза превышают величину ранее оцененных ЭЗПВ для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Пример прогнозного распределения уровней в одном из вариантов прогнозной задачи по линии водозаборного ряда представлен на рис. 3. Следует заметить, что в полноводные периоды водоотбор может быть увеличен и выше принятых при расчёте значений, его величина определяется техническими возможностями терминалов погрузки воды для транспортировки и соответствующей ей конструкцией водозабора.

В годовом разрезе суммарный водоотбор может быть неравномерным в зависимости от водности года, продолжительности меженного периода и величины поверхностного стока реки.

В стандартные годы средней водности (50% обеспеченности и меньше) водоотбор может осуществляться постоянно с расходом 129-130 тыс. м³/сут в течение большей части года и 79-80 тыс. м³/сут в 30-суточный меженный период (август-сентябрь), среднегодовая величина ЭЗПВ при этом составляет 125 тыс. м³/сут, что в 2,5 раза больше величины ранее утверждённых запасов.

В годы более низкой водности (75%-95% обеспеченности) среднегодовая величина ЭЗПВ составляет 113-110 тыс. м³/сут. Водоотбор может осуществляться в течение большей части года с расходом около 130 тыс. м³/сут (осенне-весеннее время), от 90 до 80 тыс. м³/сут в период снижения расходов реки ниже 300 тыс. м³/сут (июнь-август) и 50 тыс. м³/сут в начальный период глубокой межени (сентябрь), когда расходы реки составляют не более 20 тыс. м³/сут. В 10-суточный период конца глубокой межени в этом случае обеспечивается водоотбор величиной около 30 тыс. м³/сут, сопоставимый с величиной потребности в хозяйственно-питьевых водах близлежащей курортной зоны.

В годы экстремально высокой продолжительности безпаводкового меженного периода (3-4 месяца при среднемесячных расходах реки не более 36 тыс. м³/сут) ЭЗПВ месторождения составляют 104 тыс. м³/сут. При водоотборе в полноводный период такого года около 130 тыс. м³/сут, в течение 100-110 сут начального периода межени (лето) условия месторождения позволяют производить отбор с интенсивностью не более 50 тыс. м³/сут, в результате в 10-суточный период конца глубокой межени, как и в предыдущем случае, обеспечивается хозяйственно-питьевое водоснабжение курортной зоны. В этом случае прогнозный отбор в продолжительный меженный период в целом близок к величине ранее утверждённых запасов для целей ХПВ. Заметим, однако, что величина отбора в меженные периоды таких лет может быть дополнительно увеличена за счёт внутригодового и внутрисезонного управления водоотбором путём более оптимального перераспределения нагрузок на скважины во времени.

В целом, если рассматривать величину запасов для межени года среднемноголетней водности, то для принятой ранее расчётной продолжительности периода сработки ёмкости (120 сут), они составят 110 тыс. м³/сут, что в два раза больше утверждённых в 1967 г. , и только в течение 30 суток снижаются до 79 тыс. м³/сут.

Вопрос об обеспечении подземными водами потребностей хозяйственно-питьевого водоснабжения является актуальным только для воднокритических периодов маловодных лет. В наиболее критические маловодные периоды (10-30 сут) отгрузка воды для целей экспорта должна существенно сокращаться, и водоотбор подземных вод направляться в основном для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения. Однако, в последующий полноводный период величина отбора для экспортных целей в этих случаях может быть полностью компенсирована, практически независимо от водности года.

При этом возможны следующие характерные варианты изменения водоотбора во внутригодовом и многолетнем циклах:

1. График режима работы водозабора жестко привязан к определенным временным периодам года (пик курортного сезона) и дефицит возможного водоотбора в этот период не может быть восполнен в более полноводные периоды;

2. График режима водозабора достаточно гибкий и снижение водоотбора в водокритический период может быть компенсировано его увеличением в полноводный;

3. Режим работы водозабора в соответствии с целевым назначением добычи и возможностей использования добываемой воды может меняться не только в течение года в зависимости от водности его отдельных периодов, но и в многолетнем разрезе в зависимости от водности года в целом и его меженных воднокритических периодов.

4. При наличии нескольких источников водоснабжения (например, при одновременном использовании подземных и поверхностных вод или месторождений с несовпадающими во времени воднокритическими периодами и т.п.) в отдельные маловодные годы или меженные периоды может реализоваться форсированный режим эксплуатации с последующим восполнением запасов после периода форсированного водоотбора.

В зависимости от изменчивости возможных источников формирования ЭЗПВ в годовом и многолетнем разрезе, целевого назначения водоотбора и возможных вариаций режима эксплуатации оценка запасов и их постановка на государственный учет при неравномерном водоотборе возможна в следующих основных вариантах:

- применительно к возможной величине водоотбора соответствующего маловодному году или воднокритическому меженному периоду, в т.ч. 30-суточному минимальному расходу года 95% обеспеченности;

- применительно к среднемноголетнему водоотбору;

- применительно к среднегодовому водоотбору в течение маловодного года;

- применительно к среднемеженному водоотбору в многолетнем цикле;

- применительно к определенной обеспеченности расчетного года по водности (например, 75%).

Во всех случаях усреднения водоотбора за расчетный многолетний, годовой или меженный воднокритический периоды должен обосновываться предел и продолжительность величины минимального и максимального водоотбора. В последнем случае, с одной стороны, максимальный водоотбор определяется возможностью его реализации, а с другой, схема водозабора должна обеспечить расчетную максимальную величину его расхода.

В конкретном рассмотренном случае возможны два варианта выбора величины ЭЗПВ для постановки на государственный учет:

- среднемеженный многолетний водоотбор при гибком графике поставки воды для транспортировки в годы разной водности и в течение меженного периода;

- среднегодовой водоотбор при наличии дополнительной возможности реализации воды в полноводные годы по сравнению с меженью.

Наиболее вероятен первый вариант с определением ежегодных лимитов сезонного водоотбора в меженные периоды разной обеспеченности по водности.

Такой подход позволит наиболее полно учесть потенциальные возможности месторождений подземных вод и осуществлять краткосрочное, среднесрочное и долгосрочное прогнозирование и управление режимом эксплуатации.