Пространственно-временное изменение условий формирования запасов Мезыбского месторождения подземных вод при его эксплуатации
Боревский Б.В., Ершов Г.Е., Кувыкина Ю.Ю.
DOI: 10.53085/0034-026X_2025_2_11
УДК 556.3.06:556.38
Рассмотрены условия формирования запасов Мезыбского месторождения подземных вод, приуроченного к долинам р. Мезыбь и р. Адерба на Черноморском побережье Кавказа. Проблема водоснабжения г. Геленджик заключается в дефиците воды в воднокритические периоды. Основным источником формирования запасов подземных вод является поверхностный сток рек Мезыбь и Адерба, величина которого крайне изменчива во внутригодовом и многолетнем разрезе. Во внутригодовом цикле выделены два принципиально разных периода: полноводный и меженный (воднокритический). В полноводный период водозабор работает как инфильтрационный, в меженный — происходит сработка емкостных запасов, а также трансформация поверхностного стока по долинам рек в глубокую межень с его полным поглощением. Производительность водозабора существенно зависит от величины поверхностного стока рек Мезыбь и Адерба и в процессе эксплуатации изменяется от его значений. Применение метода математического моделирования позволило прогнозировать уровни подземных вод не только в условиях периодов разной водности и применительно к режимам равномерного и неравномерного внутригодового водоотбора, но и с учетом возможности искусственного пополнения запасов.
Ключевые слова: запасы, Мезыбское месторождение, подземные воды, источник формирования запасов, поверхностный сток, полноводный период, меженный период, сработка емкости, водозабор, математическое моделирование, водность, искусственное пополнение запасов.
Мезыбское месторождение является одним из месторождений подземных вод речных долин Черноморского побережья. По типизации Л.С. Язвина и Б.В. Боревского оно относится к подтипу I-Б, т.е. к месторождениям в долинах горных рек [1]. В административном отношении Мезыбское месторождение расположено в пределах Краснодарского края. Дивноморский (Геленджикский городской) водозабор, расположенный на приустьевых частях долин рек Мезыбь и Адерба, эксплуатируется с 1957 г. Гидрогеологические условия этого месторождения изучены в период 1966–1967 гг. В 1979–1982 гг. проведена детальная разведка, по результатам которой были подсчитаны и утверждены балансовые запасы подземных вод Мезыбского месторождения в следующих количествах (по категориям тыс. м3/сут): А — 10,0; В — 10,0. Отметим, что запасы в то время были утверждены для условий равномерного внутригодового отбора.
Месторождение приурочено к аллювиальным голоценовым отложениям долин рек Мезыбь и Адерба, границы которых совпадают с контурами распространения пойменных и первой надпойменной террас. В планеводоносный горизонт полосообразный. Коренные склоны долины, включая склоны ее переуглубленной части и подстилающий слой, сложены низкопроницаемыми отложениями верхнего мела (по сравнению с аллювием долин они практически безводные).
Водовмещающими породами аллювиального водоносного горизонта являются валунно-галечные отложения (максимальная мощность — до 40 м). Тип заполнителя неоднороден и от устья долины к верховьям изменяется от гравийно-песчаного до гравийно-песчано-глинистого и гравийно-суглинистого.
Фильтрационные свойства аллювиальных отложений изменяются по трем основным направлениям [4]: по вертикальному разрезу (постепенная смена рыхлого галечно-валунного материала сравнительно уплотненными осадками); по поперечному сечению (обогащение аллювия в процессе его накопления суглинисто-глинистым материалом, сносимым со склонов долины); по простиранию долин (накопление более крупнообломочного материала сверху вниз по мере уменьшения уклонов рельефа). Горизонтальные коэффициенты фильтрации изменяются от 40 до 5 м/сут.
Существенное значение имеет вертикально-горизонтальная анизотропия фильтрационных свойств аллювиальных отложений, соотношение kz : kx,y колеблется в пределах 1 : 40 [2].
Подземные воды аллювиальных отложений долин рек Мезыбь и Адерба формируют грунтовый поток, направленный вниз по долинам рек. Средние продольные уклоны в период глубокой межени — 0,006; в устьевой части долины р. Мезыбь — до 0,001.
В естественных условиях глубины залегания подземных вод в 1966–1967 гг. составляли от 1,5–3,5 м до 4,5–6,0 м. Существовавшие в эти года две группы водозаборных скважин в долине рек Адерба и Мезыбь оказывали незначительное влияние на естественный режим подземных вод.
По мере удлинения водозабора участки, характеризующиеся различными гидрогеологическими условиями (участки нарушенного эксплуатацией режима и естественного режима), смещались вверх по долинам. К 1980–1981 гг. водозабор состоял из 22 скважин. Влияние водозаборов на северных флангах не распространялось далее 200–250 м, а на южном — 500–600 м, за этими границами располагались участки естественного режима (данные разведки). В 2020 г. количество скважин увеличилось до 35 (I очередь), в период 2021–2023 гг. (доразведка) площадь месторождения увеличилась в северном направлении (II очередь) (рис. 1, 2).
Рис. 1. Схема расположения скважин при оценке запасов в 1982 г. и существующая в 2023 г.: 1 — граница аллювиальных отложений; 2 — скважина эксплуатационная (детальная разведка 1982 г.); 3 — скважина I очереди (существовавшая на 2020 г. — до начала проведения работ по доразведке месторождения); 4 — скважина II очереди (пробуренная в 2021 г.); 5 — гидропост, гидроствор (1982 г.); 6 — гидропост (2023 г.); 7 — блок подсчета запасов 1982 г. (кат. А); 8 — блок подсчета запасов 1982 г. (кат. В); 9 — точка сброса поверхностных вод; 10 — положение урезов реки (доразведка); 11 — линия гидрогеологического разреза
Рис. 2. Гидрогеологические разрезы: 1 — аллювиальный голоценовый водоносный горизонт; 2 — подземные воды спорадического распространения в зоне экзогенной трещиноватости в отложениях кампанского яруса; 3 — уровень (принятый) подземных вод в естественных условиях; 4 — допустимая глубина динамического уровня подземных вод; 5 — прогнозный модельный уровень подземных вод по третьему расчетному слою (согласно варианту № 4): а — на конец полноводного периода, б — на конец нормального меженного периода, в — на конец глубокой межени; 6 — скважина и ее номер
Режим подземных вод полностью синхронизирован с режимом поверхностных водотоков, четко повторяя изменения их уровней (прямая гидравлическая взаимосвязь). Наиболее высокие уровни подземных вод устанавливаются в паводковый период, низкие наблюдаются к концу меженного периода. Мощность водоносного горизонта из-за колебания уровней в течение года непостоянна. В процессе эксплуатации водозабора амплитуда колебаний уровня в скважинах между полноводным и меженным периодом составляла до 16 м (2023 г.).
В естественных условиях поток по пласту-полосе, поступающий из-за пределов месторождения, разгружается в Черное море. При эксплуатационной нагрузке в глубокую межень в южной части месторождения на краю водозаборного ряда может формироваться обратный уклон подземных вод. В этом случае в результате нагонных явлений, когда морская вода «заходит» в русло р. Мезыбь, в воде крайних эксплуатационныхскважин происходит увеличение минерализации и хлоридов.
Минимальные расходы воды на реках Мезыбь и Адерба приходятся на период с июня по ноябрь. Анализ 10 серий синхронных измерений расходов в июле-сентябре 1980 г. позволил выявить некоторые особенности трансформации стока по длине исследуемых участков рек. Наибольшие расходы наблюдались на верхних гидростворах, по направлению к устьям рек поверхностный сток уменьшался (рис. 3). Во всех 10 сериях измерений фискировалось исчезновение поверхностного стока на той или иной удаленности от устья.
Рис. 3. Трансформация стока по долинам рек Мезыбь и Адерба по данным измерений в VIII–IX. 1980 г.
За период с 1982 г. по 2021–2022 гг. суммарный водоотбор водозабора несколько изменялся, однако характер режима эксплуатации водозабора в полноводные и меженные периоды сохранялся. В полноводный период расходы рек (0,25–1,38 м3/с — р. Адерба, 0,29–2,12 м3/с — р. Мезыбь) превышают водоотбор, который полностью обеспечен поверхностным стоком рек Мезыбь и Адерба, и водозабор работает как инфильтрационный. Уровни ПВ не снижаются, вокруг каждой скважины формируются воронки депрессии, глубина которых зависит от фильтрационных свойств отложений аллювия, конструкции скважин (фильтров, мощности насосного оборудования) и дебита. Таким образом, гидродинамический режим разведанного участка месторождения определяется только режимом работы водозаборных скважин. В меженные периоды происходит полный перехват стоков рек, воронка депрессии распространяется до коренных бортов долин (водоносный горизонт вдоль них осушается), производительность водозабора в целом снижается, а отдельные скважины по факту эксплуатируются с расходами выше предусмотренных планом подсчета запасов — до 1900 м3/сут. В результате не происходит равномерной сработки емкости водоносного горизонта, то есть режимэксплуатации нерационален.
В 2023 г. относительно 1980-х годов произошли следующие изменения в режиме эксплуатации: 1) привлечение к работе скважин II очереди; 2) в критический период 2023 г. был применен способ увеличения водоотбора в глубокую межень — искусственное пополнение
запасов путем сброса поверхностных вод оз. Церковное и Грек-озера непосредственно в русла рек Мезыбь и Адерба (рис. 1). Общий объем воды, пущенный по руслу р. Адерба из Грек-озера в период 18.08–18.09.2023 г., составил 180 тыс. м3. Сброс воды из Церковного озера осуществлялся с 27.07.2023 по 10.10.2023 г.: по руслу р. Адерба — 434 тыс. м3 и р. Мезыбь — 546 тыс. м3 (общий объем сброса воды из двух озер — Грек-озера и Церковное — 1160 тыс. м3). При осуществлении подпитки подземных вод за счет поверхностных вод оз. Церковное, суммарная производительность водозабора из скважин I очереди превышала 20 тыс. м3/сут.
Существующая схема водозабора — 35 скважин с нагрузками в меженный период от 0 (ряд скважин не эксплуатируется) до 1900 м3/сут не соответствует схеме, утвержденной в 1982 г. при подсчете запасов — 40 скважин с равномерной нагрузкой по 500 м3/сут. Опыт многолетней эксплуатации показал, что только в полноводные периоды суммарный водоотбор на водозаборе достигает величины оцененных запасов (20 тыс. м3/сут) и даже превышает ее (2023 г. — более 40 тыс. м3/сут). В критические по водности летние меженные периоды водоотбор сокращается до 12–13 тыс. м3/сут, а в наиболее маловодные годы (например, 2020 г.) — составляет не более 8–10 тыс. м3/сут. Даже за счет вовлечения в эксплуатацию скважин II очереди (с учетом удлинения водозаборного ряда) и применения искусственного пополнения запасов суммарная производительность водозабора на конец глубокой межени — 14 ноября 2023 г. составила
18,4 тыс. м3/сут. Таким образом, имеет место факт существенного неподтверждения запасов подземных вод, оцененных ранее и состоящих на государственном учете. Главной причиной неподтверждения оцененных запасов (1982 г.) является резкое снижение или полное отсутствие поверхностного стока в глубокую летнюю межень.
Баланс оцененных запасов подземных вод в меженный период складывался из двух составляющих: сработка емкости пласта (11,4 тыс. м3/сут) и поглощение поверхностного стока (9,2 тыс. м3/сут). Фактически же поглощения поверхностного стока в указанном размере не происходит. Согласно гидрологическим расчетам, проведенным при доразведке, в глубокую межень года (95 % обеспеченности), которая приходится на август — ноябрь, минимальные расходы в верховьях рек Мезыбь и Адерба составили ~2,6 и ~2,1 тыс. м3/сут соответственно,
ниже поверхностный сток поглощается.
Второй причиной (менее значимой) является неполная сработка расчетной емкости пласта водозаборными скважинами. Общее число одновременно работающих скважин оказалось меньше, а фактические нагрузки на них больше проектных.
Поскольку величина максимального водоотбора в глубокую межень лимитируется величиной поверхностного стока, поступающего по долинам рек (севернее водозабора) за счет его поглощения, то увеличение водоотбора может быть реализовано в естественных условиях
формирования стока рек (без искусственного пополнения запасов) только за счет более полной сработки емкости водовмещающих пород при более равномерном снижении уровня, то есть за счет оптимизации схемы водозабора и нагрузок на скважины.
Факт существенного неподтверждения оцененных ранее и состоящих на государственном учете запасов подземных вод в глубокую межень потребовал проведения их переоценки. Она могла быть выполнена только с применением метода математического моделирования, который позволил прогнозировать уровни подземных вод не только в условиях периодов разной водности, используя гидрологические данные о расходах поверхностных водотоков с учетом трансформации стока по долинам рек, но и применительно к режимам равномерного и неравномерного внутригодового водоотбора, а также без искусственного и с искусственным пополнением запасов за счет магазинирования поверхностного стока [3] в периоды высокой водности рек Мезыбь и Адерба (два искусственных накопителя, из которых возможна подача воды на месторождение в межень).
Разведочная геофильтрационная модель Мезыбского месторождения была разработана и построена в 2021 г., а в 2022–2023 гг. по результатам работ доразведки она калибровалась.
Первым этапом геофильтрационного моделирования стало воспроизведение ненарушенных гидрогеологических условий на Мезыбском месторождении подземных вод в стационарной постановке. Вторым этапом — воспроизведение в нестационарной постановке опыта эксплуатации действующего водозабора в 1980 г. и 2023 г. (актуализация модели), которые были нацелены, прежде всего, на подбор уклонов потока подземных вод в разрезе толщи аллювиальных отложений в течение года (в т.ч. уточнение фильтрационных параметров).
Во время высокого стояния уровня подземных вод (полноводный период) реки рассматривались как граничные условия ГУ-III рода, а в период отрыва уровня от реки с учетом данных о поверхностном стоке — как граничные условия ГУ-II рода (воднокритический период). Подпитка на модели реализовывалась заданием дополнительного питания ГУ-II.
Гидрогеологические параметры для решения прогнозных задач охарактеризованы в таблице.
Используя гидрологические данные о расходах поверхностных водотоков, с учетом трансформации стока по долинам рек, на модели вначале выполнены прогнозные расчеты для периодов разной водности — 50 %, 75 % и 95 % обеспеченности без искусственного пополнениязапасов, с выделением разных зон задания рек в течение гидрологического года ГУ-III/ГУ-II (в периоды гидрологического года выделялись зоны поглощения поверхностного стока разной протяженности в зависисмости от водности года), а затем с искусственным пополнением запасов. Начало периода искусственного пополнения запасов определялось путем решения серии тестовых задач.
Форма сезонных колебаний уровней воды в скважинах из года в год повторяется (средняя величина амплитуды зависит от величины водоотбора и водности года), поэтому прогнозные расчеты выполнялись на один гидрологический год. Основные выполнены для года, соответствующего водности 95 % обеспеченности: суммарная расчетная величина производительности водозабора в полноводный период — 43 тыс. м3/сут, в глубокую межень — 13,4 тыс. м3/сут (без искусственного пополнения запасов). В годы повышенной водности в глубокую межень водоотбор может быть увеличен до 26 тыс. м3/сут в год (75 % обеспеченности), до 31,5 тыс. м3/сут в годы высокой водности (50 % обеспеченности). В глубокую межень может быть увеличен до 19–20 тыс. м3/сут за счет искусственного пополнения запасов при величинах подпитки ~1–1,135 млн м3 (рис. 4, 5).
Рис. 4. Распределение величины водоотбора в годовом разрезе «без» и «с» искусственным пополнением запасов подземных вод для года 95 % обеспеченности и величине подпитки 1 млн м3: 1 — водоотбор без искусственного пополнения запасов; 2 — водоотбор с искусственным пополнением запасов; 3 — среднегодовая величина водоотбора без искусственного пополнения запасов; 4 — среднегодовая величина водоотбора с искусственным пополнением запасов
Рис. 5. Типовые графики изменения понижений уровней ПВ по III расчетному слою модели в годовом разрезе (прогнозный вариант с искусственным пополнением запасов). «Переходный» период (~1 мес.) — искусственный метод, необходимый для плавного перехода от большего дебита скважин (в полноводный период) к меньшему (в меженный период), применяемый с целью устранения резкого восстановления модельных уровней подземных вод в результате ступенчатого уменьшения нагрузок
В полноводный период расчетные нагрузки выставлялись на модели с учетом реальных возможностей скважин — от 500 до 2000 м3/сут, а в период глубокой межени подбирались (с учетом мощности, допустимого снижения уровней подземных вод и др.) для различных прогнозных вариантов: без искусственного пополнения запасов (от 300 до 600 м3/сут) и с учетом подпитки (до 800 м3/сут).
Ранее высказывались предположения, что повышение минерализации в ближних к морю скважинах водозабора происходит за счет подтягивания морских вод. Согласно результатам прогнозного моделирования, поток подземных вод практически весь год направлен в сторону моря, поэтому непосредственно в толще аллювиальных отложений притока морских вод не происходит. Вместе с тем, нагонные явления морских вод по р. Мезыбь будут и в дальнейшем обусловливать более высокие значения минерализации воды в краевых (в сторону моря) скважинах водозаборного ряда. В смеси всех вод водозабора при этом, качество подземных будет оставаться в допустимых пределах нормируемых показателей.
Выводы
Неподтверждение в глубокую межень запасов подземных вод Мезыбского месторождения, оцененных и состоящих на государственном учете (1982 г.), из-за резкого снижения или полного отсутствия поверхностного стока потребовало проведения их переоценки.
В меженные периоды в процессе эксплуатации водозабора воронка депрессии распространяется до коренных бортов долин, водоносный горизонт вдоль них осушается, происходит не только сработка емкости водоносного горизонта, но и трансформация поверхностного стока по долинам рек в глубокую межень с его полным поглощением (нулевые расходы рек). Продолжительность меженного периода является одним из ключевых расчетных параметров для подсчета запасов.
Использование метода математического моделирования позволило выполнить прогноз уровней подземных вод применительно к режимам равномерного и неравномерного внутригодового водоотбора в условиях периодов разной водности (50 %, 75 %, 95 %) с искусственным пополнением запасов и без него.
Дальнейшее ведение наблюдений за уровенным режимом подземных вод в меженные периоды при соблюдении рекомендованного при переоценке режима эксплуатации скважин позволит изучить вопрос возможностей наиболее полной сработки емкости водовмещающего пласта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Боревский, Б.В. Оценка запасов подземных вод / Б.В. Боревский, Н.И. Дробноход, Л.С. Язвин. Уч. для ВУЗов. изд. 2-е. — Киев: Выща школа, 1989. — 407 с.
2. Боревский, Б.В. Геофильтрационная модель Нижнемзымтинского месторождения пресных подземных вод на Черноморском побережье Кавказа и ее изменения в условиях интенсивной антропогенной нагрузки / Б.В. Боревский, Г.Е. Ершов, Ю.Ю. Кувыкина. — М.: Водгео, 2011.
3. Сычев, К.И. Вопросы методики гидрогеологического обоснования искусственного пополнения подземных вод. Сб. матер. науч.-технич. сов. «Гидрогеологическое обоснование искусственного восполнения запасов подземных вод» / К.И. Сычев, Ю.И. Волосевич. — М.: ВСЕГИНГЕО, 1973.
4. Тимохин, В.Г. О закономерных изменениях фильтрационных свойств аллювия переуглубленных речных долин Черноморского побережья Кавказа / В.Г. Тимохин, А.Б. Островский. — М.: ВСЕГИНГЕО. — Вып. 4/4, 1971.
5. Федоров, А.В. Условия формирования эксплуатационных запасов месторождений подземных вод горных речных долин и особенности методики их разведки (на примере Черноморского побережья Кавказа) / А.В. Федоров: Автореферат дисс… канд. геол-мин. наук. — М.: ВСЕГИНГЕО, 1984.
© Боревский Б.В., Ершов Г.Е., Кувыкина Ю.Ю.
