Гидрогеологическое обоснование, разработка геофильтрационной модели Верхнемзымтинского месторождения и оценка запасов пресных подземных вод в условиях интенсивного антропогенного воздействия на подрусловые отложения
- Автор: Кувыкина Ю.Ю.
Рассмотрены условия формирования эксплуатационных запасов Верхнемзымтинского месторождения верхней части долины р.Мзымта на Черноморском побережье Кавказа. Основной источник формирования запасов – поверхностный сток р.Мзымта. В годы предшествующих исследований величина запасов зависела от эксплуатационной кольматации подрусловых отложений, которая принималась для вновь разведуемых месторождений с использованием метода гидрогеологической аналогии. В результате интенсивного строительства в долине реки, начиная с 2010 г., существенно возросла мутность речных вод и продолжительность ее повышения в течение года, что привело к прогрессирующей кольматации подрусловых отложений и уменьшению величины запасов подземных вод, подсчитанных методом моделирования.
Ключевые слова: эксплуатационные запасы, Верхнемзымтинское месторождение, поверхностный сток, кольматация подрусловых отложений, метод моделирования.
Верхнемзымтинское месторождение пресных подземных вод (МППВ) является типичным месторождением подземных вод речных долин Черноморского побережья Кавказа. По типизации Л.С.Язвина и Б.В.Боревского относится к подтипу I-Б, то есть к месторождениям в речных долинах горных рек. Детальные исследования месторождений такого типа на Черноморском побережье Кавказа были проведены в 70-х – 80-х гг. ХХ в. А.Б.Островским, В.Г.Тимохиным и А.В.Федоровым, изучившими их геолого-гидрогеологические условия, впервые выделившими и подсчитавшими запасы подземных вод в целом ряде речных долин, в том числе Мзымтинского МППВ, разведанные в 1973 – 1975 гг., к которому была отнесена вся долина р.Мзымта [5, 6, 7].
Поисково – оценочные и разведочные работы были продолжены специалистами ЗАО «ГИДЭК» (Б.В.Боревским, Г.Е.Ершовым, В.А.Кузнецовым, А.В.Кузнецовым) в первое десятилетие ХХIв. в рамках программы олимпийского строительства [3]. В результате этих работ единое Мзымтинское МППВ было разделено на ряд самостоятельных месторождений с автономными условиями формирования запасов подземных вод (рис. 1). К Верхнемзымтинскому МППВ отнесена часть долины р.Мзымты выше впадения в нее руч.Сулимовского до слияния р.Мзымты и р.Пслух.
Долина р.Мзымта и свойства выполняющих её аллювиальных четвертичных отложений хорошо изучены на всём её протяжении от Красной Поляны практически до устья, где расположены такие крупные водозаборы, как Адлерский (Правобережный и Левобережный) и Ахштырский. В месторождениях данного типа основной источник формирования запасов – поверхностный сток, условия привлечения которого к действующим водозаборам определяются фильтрационным сопротивлением подрусловых отложений (А0) и размерами поперечного сечения русла реки. Только в глубокую межень, когда расход реки и ее поперечное сечение резко уменьшаются вследствие эксплуатационной кольматации подрусловых отложений [1, 2, 7], соответственно снижается поступление в водоносный горизонт речных вод, и часть водоотбора компенсируется сработкой емкости аллювиальных отложений с последующим ее восполнением в паводковый период.
Анализ опыта эксплуатации Ахштырского водозабора в 1980-х годах, выполненный в институте ВСЕГИНГЕО, на геофильтрационной модели показал нелинейный характер зависимости параметра взаимосвязи реки и водоносного горизонта (Ао) от стока реки в меженный период [1]. При уменьшении в межень скоростей течения и расходов воды в русле реки образуется заиленный слой кольматации, уменьшающий пропускную способность русла. Во время паводков этот слой уничтожается, происходит переработка русла, и пропускная способность резко возрастает. В связи с этим максимальные значения параметра фильтрационного сопротивления Ао=1÷3 сут отмечались во второй половине меженного периода с последующим отрывом уровня от дна реки и зоны кольматации (при глубине отрыва 2 м). Минимальные значения параметра Ао=0.05÷0.07 сут наблюдались в паводковый период. При этом природные условия были нарушены только в глубокую летнюю межень водоотбором из эксплуатационных скважин (такие условия эксплуатации названы «нормальным» режимом фильтрации).
В естественных условиях связь подземных и поверхностных вод резко отличается от условий эксплуатации в глубокую летнюю межень, поэтому для целей прогноза на вновь разведуемых участках параметр А0 может быть определен только по аналогии по данным режима эксплуатации действующих водозаборов. Для подобных месторождений гидрологическая характеристика реки (параметры русла, расход и их изменчивость в течение года) не менее важна, чем их геолого-гидрогеологическая характеристика. Ближайшими к разведываемому участку являются изученные участки-водозаборы-аналоги, такие как Левобережный участок Верхнемзымтинского месторождения и Эсто – Садок – Мзымтинское месторождение Краснополянской группы (рис. 1).
Верхнемзымтинское МППВ вод приурочено к голоценовым аллювиальным отложениям долины р.Мзымты, границы распространения которых совпадают с контурами распространения пойменной и первой надпойменных террас. Коренные склоны долины, включая склоны ее переуглубленной части, сложены слабопроницаемыми юрскими отложениями. В плане аллювиальный водоносный горизонт имеет вид трапеции. Подстилают его преимущественно аргиллитовые, практически безводные юрские отложения.
Водовмещающими породами аллювиального водоносного горизонта являются валунно-галечниковые отложения с подчиненными прослоями гравийно-галечных и песчано-гравийных пород. Тип заполнителя валунно-галечных отложений гравийно-песчаный и песчано-суглинистый, что характеризует относительно высокую водопроницаемость и коэффициент водоотдачи аллювиальных отложений. Подземные воды аллювиальных отложений долины р.Мзымта формируют грунтовый поток, направленный вниз по долине реки. Глубина залегания зеркала грунтовых вод в естественных условиях по данным бурения поисково-разведочных скважин не превышает 1.5-2.9 м. Вскрытая поисково-разведочными скважинами полная мощность водоносного горизонта на месторождении изменяется от 7.5 м до 25 м, на отдельных участках в разрезе валунно-галечных отложений отмечаются маломощные суглинистые прослои и илистые отложения. С приближением к коренным бортам долины мощность водоносного горизонта постепенно уменьшается до полного его выклинивания. Аллювиальные отложения р.Мзымты характеризуются высокими фильтрационными свойствами, их коэффициент фильтрации составляет от 35 до 200 м/сут и более.
В районе Верхнемзымтинского МППВ среднемноголетний минимальный 30-суточный сток р.Мзымта составляет около 9.5 м3/с, а 95% обеспеченности – 5.5 м3/с.
В пределах рассматриваемого месторождения выделены Левобережный, ранее разведанный и Правобережный участки. Левобережный участок на период разведки в 2006 г. характеризовался весьма благоприятными условиями формирования запасов подземных вод: большая мощность водовмещающих отложений, превышающая 30 м, высокие фильтрационные свойства пород, определяющие возможность получения из одной скважины до 4.5 тыс.м3/сут, практически совершенная связь подземных и поверхностных вод. В связи с застройкой Левобережного участка возникла необходимость выбора новой площадки, позволяющей удовлетворить заявленную потребность в воде – 3200 м3/сут для водоснабжения гостиничного и административного комплекса, канатных станций и других сооружений в долине реки, связанных с обслуживанием горнолыжных олимпийских соревнований и горнолыжного курорта "Роза Хутор". Поскольку эта потребность незначительна по сравнению с известными месторождениями в долине р.Мзымта (по данным ранее проведенных работ [8] удельная производительность береговых водозаборов колебалась в пределах 2 ÷ 6 тыс.м3/сут на 100 пог.м длины водозабора), предполагалось, что требуемый объем воды может быть получен практически на любом участке высокой поймы или первой надпойменной террасы, позволяющим разместить 3 – 4 эксплуатационные скважины и другие сооружения наземной инфраструктуры водозаборного узла.
Свободным от проектируемой застройки и приемлемым для размещения водозабора оказался лишь единственный участок на правом берегу р.Мзымта, на котором и были сосредоточены все поисковые разведочные работы (рис.1). При условии аналогии фактических условий с ранее разведанными природная гидрогеологическая модель «нового» участка также должна была быть аналогичной, характеризуясь достаточно высокими мощностью, коэффициентами фильтрации, их выраженной вертикально-горизонтальной анизотропией (при Kx,y:Kz ≥ 40 [4]), практически совершенной гидравлической связью с рекой в естественных условиях. В условиях эксплуатации водозабора в полноводный период (октябрь-июль) ранее отмечалось незначительное ухудшение связи подземных и поверхностных вод с резким ухудшением в глубокую межень (вторая половина июля – первая половина октября) и возрастанием параметра А0 до 3 сут в условиях высокой вероятности отрыва уровня от реки в этот период [1, 7].
Задачи выполненных работ заключались в проведении комплекса гидрогеологических полевых работ для обоснования исходных гидрогеологических параметров для подсчета запасов (kx,y,kz); изучении режима для обоснования параметров взаимосвязи подземных и поверхностных вод (А0) в естественных условиях (как предполагалось в начале работ) путем проведения специальных исследований и воспроизведения их результатов на модели с последующим обоснованием исходных данных для оценки запасов Правобережного участка.
На площадке, представляющейся наиболее благоприятной с предполагаемой по геофизическим данным мощностью валунно-галечных отложений 15-25 м, было намечено три проектных скважины 1Р, 2Р и 3Р (рис.2), бурением и опробованием которых проектировалось решение всех поставленных задач.
В результате бурения скважины 1Р мощность водовмещающих валунно-галечных отложений составила всего 15 м при двухслойном строении разреза и отделением его нижней части от верхней суглинистым прослоем. В скважине 2Р мощность аллювия была аналогичной, но строение разреза было менее благоприятно для получения высоких дебитов при откачке. Мощность валунно-галечных отложений в скв.3Р оказалась всего 9.6 м (рис. 3).
Таким образом, вверх по участку мощность аллювия уменьшается вместо ее предполагаемого увеличения в соответствии с результатами проведенных геофизических исследований. Более того, предполагаемый дебит 1600 м3/сут, даже из лучшей из трех пробуренных скважин 1Р получить не удалось. Стабилизации уровня удалось достигнуть только при расходе не более 900 м3/сут. Увеличение расхода приводило к резкому падению уровня при ярко выраженном неустановившемся режиме откачки. При этом срезки уровня в наблюдательных скважинах 2Р и 3Р были крайне незначительны и не превышали первые десятки сантиметров.
Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что при снижении дебита каждой эксплуатационной скважины до 800 м3/сут расчетный расход 3200 м3/сут можно получить из 4 – х рабочих скважин. При этом предварительные расчеты срезок уровня по методу Альтовского в условиях работы берегового водозабора давали весьма благоприятные результаты.
В пробуренной в верхней части участка скважине 4Р мощность аллювия оказалась еще меньше (7.5 м), то есть полученные результаты противоречили первоначальной интерпретации первого этапа наземных геофизических работ. Поэтому дополнительно к ранее намеченным вниз по долине реки были пробурены скважины 5Р и 6Р, показавшие незначительное увеличение мощности в пределах изучаемого участка. Одиночные кустовые откачки с наблюдениями во всех пробуренных скважинах давали при расчетах их взаимодействия вполне положительные результаты, поэтому расчетный водозабор был предположительно намечен из 4 – х скважин – 1Р, 2Р, 5Р и 6Р.
Учитывая относительно небольшую мощность водовмещающих пород и неглубокое положение водоприемной части скважин, возникала озабоченность в части возможного повышения мутности откачиваемых подземных вод при экстремальном повышении мутности воды в реке. С целью решения этого вопроса было решено провести групповую откачку из перечисленных скважин с их последовательным включением с одновременным определением мутности воды в реке и в скважинах.
Уже в начале откачки были получены совершенно неожидаемые результаты. При последовательном включении скважин наблюдалось уменьшение дебита ранее включенных и резко выраженный неустановившийся режим уровней.
Предположение, что это частично связано с техническим состоянием скважин не подтвердилось. Отключение скважины 2Р и прочие «упражнения» с переоборудованием и регулированием дебита скважин к положительным результатам не привели. Стабилизации дебитов и уровней удалось добиться лишь при суммарном расходе 21.2 л/с или 1.83 тыс.м3/сут.
Вторая групповая откачка была проведена из скважин 1Р, 5Р и 6Р. Стабилизации удалось добиться при суммарном расходе 19.7 л/с или 1.7 тыс.м3/сут. Отсюда был сделан вывод, что максимальный дебит, который можно получить на данном участке из пробуренных скважин составляет 1.7 тыс.м3/сут, при этом он может быть получен как из трех, так и из двух скважин.
В результате групповых откачек было установлено, что высокая мутность воды в реке не приводит к ее повышению в откачиваемой воде из скважин и при проектировании водозабора от осветления воды можно отказаться.
В первой половине 2012 г. автором была разработана и построена математическая геофильтрационная модель Верхнемзымтинского МППВ. Водоносная система была разделена на три расчетных слоя в связи с необходимостью выделения в отдельный (второй) слой вскрытых скважинами (1Р и 2Р) суглинистых и илистых отложений, разделяющих толщу гравийно-галечниковых пород на верхнюю и нижнюю.
В ходе проведенного моделирования по результатам кустовых откачек опробования соответствующего слоя были подобраны вертикальные и горизонтальные коэффициенты фильтрации для условно выделенных расчетных слоев, по данным групповых откачек определен параметр фильтрационного сопротивления русловых отложений – А0. Принятые величины горизонтальных коэффициентов фильтрации изменяются от 35 до 65 м/сут, вертикальных от 0,003 (наличие суглинистых и илистых отложений) до 2,6 м/сут. Отношение горизонтального коэффициента фильтрации к вертикальному для первого и третьего расчетных слоев принято 25:1 и 44:1, соответственно, что вполне соизмеримо с полученными ранее при разведках величинами 40(45):1 на Нижнемзымтинском и 32:1 на Левобережном участке Верхнемзымтинского месторождений. Меньшая горизонтально-вертикальная анизотропия верхнего слоя связана с лучшей промытостью отложений в сравнении с нижним. Усредненная по длине реки на разведанном Правобережном участке величина параметра фильтрационного сопротивления русловых отложений А0, полученная, как было указано выше, при воспроизведении групповых откачек в период ноябрь – декабрь 2011 г., составила 0,8 сут (при глубине отрыва уровней 0,5 м). При проведении разведочных работ ранее параметр фильтрационного сопротивления на месторождениях-аналогах, находящихся в естественных условиях, составлял не более 0,05-0,1 сут. Естественные природные гидрогеологические условия взаимосвязи подземных и поверхностных вод были нарушены в результате ее ухудшения в отсутствии эксплуатации водозабора, чего ранее никогда не отмечалось. Для анализа причин этого явления был выполнен сравнительный анализ данных разведки и эксплуатации на других участках долины р.Мзымты.
Существенное усиление кольматации русла в отсутствие эксплуатации подтверждали результаты проведенных работ в 2010-2011 гг. на Верхнеадлерском участке Нижнемзымтинского МППВ, расположенного между двумя действующими водозаборами, – Адлерскими Правобережным и Левобережным и водозабором "Племенного форелеводческого завода Адлер" (Ахштырский участок) [3]. В 2011 г. была разработана и построена математическая геофильтрационная модель Нижнемзымтинского месторождения, на которой воспроизводились опытная эксплуатация действующих водозаборов, указанных выше, а также режим подземных вод на неэксплуатируемом Верхнеадлерском участке в период всего 2010 г. [3]. Было установлено, что в полноводный период работа водозаборов обеспечивалась за счет привлечения речного стока, отмечалась хорошая связь подземных и поверхностных вод, и параметр А0, в целом, не превышал 0,5 сут. На меженный период сработки емкостных запасов параметр А0 на Адлерском участке изменялся до 11 сут, на неэксплуатируемом Верхнеадлерском участке – до 6 сут. На территории Ахштырского участка удельная инфильтрация из русла реки соответствует значению параметра А0, равному 80 сут, а компенсация водоотбора происходит за счет фильтрации из реки за его пределами со стороны Верхнеадлерского участка, где сформировался обратный уклон подземных вод вверх по долине реки. Таким образом, несмотря на то, что Верхнеадлерский участок не эксплуатировался, уровни в меженный период почти везде были оторваны от дна реки (рис.4), что было подтверждено также данными пьезометрической съемки русла и сейсморазведки. Сложившаяся ситуация оказалась связана с техногенным воздействием на русло реки масштабных строительных работ в ее долине, которое привело к резкому усилению кольматации подрусловых отложений на всем участке долины реки ниже Ахштырского ущелья. Усиление кольматации было объяснено резким повышением мутности воды в реке. Ее крайне высокие значения стали наблюдаться в течение всего года, даже в самую глубокую межень, в то время как ранее повышенная мутность наблюдалась лишь в снеговые и дождевые паводки. Такой режим фильтрации авторами был назван «экстремальным».
Результатами выполненных работ было установлено существенное отклонение геолого-гидрогеологических условий Правобережного участка от всех других ранее разведанных в долине р.Мзымта, в том числе Левобережного участка Верхнемзымтинского МПВ, разведанного первоначально для водоснабжения ООО "Роза Хутор" (табл. 1) и находящегося в естественных условиях в 2006 г., и, соответственно, характеризующегося практически совершенной связью поверхностных и подземных вод. Основные отличия связаны с существенным снижением мощности и фильтрационных свойств аллювиальных отложений, достигнутых дебитов пробуренных скважин и соответствующих им удельных дебитов. Кроме того, была установлена по данным групповых откачек, установки русловых пьезометров, результатам математического моделирования (и подтверждена на основании полученных материалов на Верхнеадлерском участках Нижнемзымтинского МППВ) существенная кольматация русла реки в современных условиях до начала эксплуатации, что выразилось почти в двухкратном снижении суммарного дебита опробуемых скважин при групповой откачке по сравнению с одиночными и снижением уровня в русловых пьезометрах ниже дна реки в результате масштабных строительных работ выше по течению реки. Следует отметить важность проведенных групповых откачек. При отсутствии полученных результатов возникла бы большая ошибка о предположении возможного получения заявленного количества воды из четырех пробуренных скважин.
При решении обратных задач особое внимание было уделено параметру фильтрационного сопротивления А0, для этого были использованы все результаты по пробуренным скважинам и русловым пьезометрам, которые забивались парами в пределах прибрежной части правобережья р.Мзымта (рис. 2). Всего на участке работ было установлено 8 пьезометров на разную глубину с установкой фильтра в интервалах глубин подрусловых отложений: 1,0, и 2,0 м.
Для получения требуемого количества воды с помощью разработанной модели пришлось искать дополнительные проектные решения. Одно из таких необходимых решений заключалось в создании горизонтальной дрены в верхней части площадки водозабора, что для данных условий (небольшая мощность отложений) должно быть вполне эффективным. Тогда заявленную потребность можно получить за счет совместной эксплуатации горизонтальной дрены и двух пробуренных скважин (5Р и 6Р, имеющих наибольшую мощность и максимально удаленных от дрены). Необходимое количество воды можно также получить за счет создания второго рукава р.Мзымта и пропуска ее расхода по двум руслам, в этом случае заявленную потребность сможет обеспечить работа четырех скважин производительностью каждой в 800 м3/сут, как и планировалось ранее после проведения кустовых и до получения результатов групповых откачек. Аналогичный вариант планировки русла был рассмотрен при решении прогнозных задач при оценке запасов Верхнеадлерского участка Нижнемзымтинского МППВ.
Запасы подземных вод были подсчитаны применительно к первому варианту – заявленное количество воды (3.2 тыс.м3/сут) реализуется с помощью комбинированного водозабора, состоящего из трех скважин (две рабочие – 5Р и 6Р и одна резервная – 1Р) и горизонтальной береговой дрены длиной 60 м в наиболее жестком варианте подсчета запасов, 50% водоотбора реализовать из скважин и 50% – из береговой дрены. При этом предполагается, что при окончании интенсивного строительства в долине р.Мзымта будет обеспечен "нормальный" режим стока, то есть дополнительное поступление взвешенных частиц в поверхностные воды прекратится. При эксплуатации водозабора кольматация русловых отложений может снижаться в полноводный период за счет декольматации русловых отложений или возрастать за счет проникновения кольматирующих глинистых частиц на бόльшую глубину. Поэтому для прогнозных расчетов значение параметра А0 принято по водозаборам-аналогам, где его величина составляет 3 сут (при глубине отрыва уровня от дна реки – 2.0 м), а не по результатам решения обратных задач на модели, так как оно еще не достигло своих максимальных значений, формирующихся в глубокую межень.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Произошло изменение гидрогеологической обстановки, связанное с увеличением фильтрационного сопротивления подрусловых отложений в пространстве и во времени. Взаимосвязь речных и подземных вод ухудшилась. Причиной этого стало значительное увеличение мутности речных вод, что можно объяснить только техногенными факторами. В зависимости от глубины кольматации подрусловых отложений этот процесс может быть обратимым или необратимым (в первом случае параметры меняются в течение года по схеме кольматация – декольматация, а во втором – происходит нарастающая многолетняя кольматация).
В сложившихся условиях достоверный прогноз возможного дальнейшего изменения кольматации русловых отложений по существу невозможен, так как аналоги влияния на ее величину антропогенной нагрузки в результате масштабных строительных работ отсутствуют. Это может быть выполнено только на основе продолжения мониторинга подземных вод.
До начала интенсивного строительства в пойме р.Мзымта в 2010 г. эксплуатационная кольматация русловых отложений стабилизировалась и происходила по сценарию кольматация – декольматация при максимальных значениях параметра А0=3 сут и глубине кольматации до 2 м от дна реки в глубокую межень.
В 2010 – 2011 гг. в результате масштабного строительства возросли мутность воды в реке и продолжительность ее повышения в течение года, что привело к прогрессирующей кольматации русловых отложений от межени к межени.
Построенная геофильтрационная модель Верхнемзымтинского МППВ, позволила выяснить особенности сложившейся природно–антропогенных условий, сформировавшихся под влиянием интенсивного строительства выше участка проектного водозабора. По данным мониторинга в период проектирования и строительства водозабора в нее могут вноситься соответствующие коррективы, связанные с изменением параметра фильтрационного сопротивления А0, что позволит изучить дальнейшую направленность или стабилизацию кольматации русловых отложений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бондаренко Н.Б., Боревский Б.В. Исследования на аналоговой модели фильтрационного потока под руслом реки. Матем. моделирование гидрогеологических процессов // Тез. докл. к науч.-техн. семинару, М.: Недра, 1981. 79-80 с.
2. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод. Уч. для ВУЗов. Изд. 2-е, Киев: Выща школа, 1989. 407 с.
3. Боревский Б.В., Ершов Г.Е., Кувыкина Ю.Ю. Геофильтрационная модель Нижнемзымтинского месторождения пресных подземных вод на Черноморском побережье Кавказа и ее изменения в условиях интенсивной антропогенной нагрузки // Сборник трудов. М.: Водоснабжение, водоотведение, гидротехника и инженерная гидрогеоэкология, 2012. №13. 85-92 с.
4. Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. Изд. 2-е, М.: Недра, 1979. 326 с.
5. Островский А.Б. О строении переуглубленных речных долин на Черноморском побережье Кавказа // Докл. АН СССР. М.: Недра, 1966. Т.167. №6, 13-62 c.
6. Островский А.Б., Тимохин В.Г. Водоносность отложений переуглубленных долин Сочи-Анапского района // Гидрогеология Северного Кавказа. М.: Недра, 1976. №1. 143-150 с.
7. Островский А. Б., Федоров А.В. Прогноз эксплуатационной кольматации аллювиальных водоносных горизонтов горных речных долин методом природной палеогеографической аналогии // Вод. ресурсы. 1978. №1. 41-50 с.
8. Федоров А.В. Условия формирования эксплуатационных запасов месторождений подземных вод горных речных долин и особенности методики их разведки (на примере Черноморского побережья Кавказа). Дис. канд. геол.-мин. наук, М.: ВСЕГИНГЕО, 1984. 217 с.
