Закономерности формирования запасов подземных вод месторождений в таликах речных долин криолитозоны

Боревский Б.В., Олиферова О.А., Ершов Г.Е., Зубанова Т.Н., Кувыкина Ю.Ю.

DOI: 10.53085/0034-026X_2025_2_18
УДК 556.3

В областях развития многолетнемерзлых пород надежное и устойчивое водоснабжение обеспечивается подземными водами таликовых зон в речных долинах. Результаты переоценки запасов подземных вод нескольких крупных месторождений в таликовых зонах отложений речных долин криолитозоны показали, что условия формирования запасов подземных вод этих месторождений определяются ежегодным восполнением сработанных в бессточный период емкостных запасов. Основными источниками формирования запасов подземных вод для этого типа месторождений являются естественные ресурсы (с учетом многолетней изменчивости питания подземных вод) и емкостные запасы (в бессточный период), а также привлекаемые ресурсы поверхностного стока в весенне-летний период.

Ключевые слова: водозабор, талик, криолитозона, запасы подземных вод, прогнозное моделирование.

В области развития многолетнемерзлых пород (ММП) единственным надежным источником питьевого водоснабжения могут служить только ресурсы подземных вод таликовых зон, развитые в приповерхностной части геологического разреза. Подрусловые талые зоны в долинах рек связаны с отепляющим воздействием поверхностных водных объектов [3]. До начала 1960-х годов подземные воды таликовых зон практически не были изучены и использовались только для водоснабжения мелких потребителей. По мере развития на северных и арктических территориях объектов добычи твердых полезных ископаемых, а также в связи с освоением нефтегазовых и газовых месторождений на этих территориях, в конце 1960-х — начале 1970-х годов начинаются поиски и разведка крупных месторождений подземных вод в таликах речных долин криолитозоны, обеспечивающие надежное и устойчивое водоснабжение существующих и планируемых к строительству населенных пунктов и объектов добывающей промышленности [2, 3]. Так, для водоснабжения г. Норильск в 1970–1971 гг. были разведаны три крупных месторождения подземных вод — Талнахское, Ергалахское и Амбарнинское, суммарные запасы которых составили 220,0 тыс. м³/сут. В Забайкальском крае для водоснабжения инфраструктуры крупного Удоканского месторождения меди было разведано Ингамакитское месторождение подземных вод, запасы которого были оценены в 1977 г. в количестве 207,4 тыс. м³/сут.

Согласно Классификации основных типов месторождений питьевых подземных вод, разработанной Б.В. Боревским и Л.С. Язвиным [1], в области развитияММП основным типом являются месторождения в таликовых зонах аллювиальных отложений речных долин, которые можно разделить на две группы:

1. Талики первой группы — под крупными, полностью не замерзающими реками, где гидрогеологические условия аналогичны месторождениям в речных долинах, а основные особенности формирования запасов подземных вод связаны с изменением условий взаимодействияподземных и поверхностных вод при сезонном промерзании грунтов.

2. Талики второй группы — под полностью промерзающими зимой реками, приуроченные к древним переуглубленным долинам, врезанные в ММП и сложенныехорошо проницаемыми валунно-галечными отложениями. Долины рек, к которым приурочены талики, относятся к мерзлотному типу с летним питанием. В течениегидрологического года здесь выделяются два периода, принципиально отличающиеся по условиям питания и разгрузки подземных вод: зимний меженный водно-критический и полноводный весенне-летний. Летом питание осуществляется за счет инфильтрации речных и надмерзлотных вод через подрусловые талики, а также за счет инфильтрационного питания за пределами месторождения. Основной источник питания целевого водоносного горизонта — реки, по стоку они во много раз превышают инфильтрацию. В этот период уровень подземных вод повышается с наступлением положительных температур воздуха и появлением поверхностного стока. С приходом холодов начинается меженный период, питание подземных вод заканчивается и наблюдается спад
их уровня.

В статье рассмотрены условия формирования запасов подземных вод в таликах второй группы на примере четырех месторождений подземных вод. Три из них — Талнахское, Ергалахское и Амбарнинское расположены в Норильском промышленном районе (НПР). Минерально-сырьевой комплекс Заполярного филиала ПАО «ГМК «Норильский Никель» представлен предприятиями, добывающими и перерабатывающими медно-никелевые руды, и расположен на п-ове Таймыр в северной части Красноярского края. Месторождения разведаны для водоснабжения г. Норильск и принадлежат АО «Норильско-Таймырская энергетическая компания». Четвертое месторождение подземных вод — Ингамакитское расположено в Забайкальском крае на территории крупнейшего в России Удоканского месторождения меди. Его освоение началось в 2019 г. компанией «Удоканская медь». Для водоснабжения инфраструктуры месторождения меди и строящегося промышленного города будут использоваться подземные воды Ингамакитского месторождения подземных вод, переоценка запасов которого выполнена АО «ГИДЭК» в 2022 г.

Анализ гидрогеологических условий месторождений и опыта эксплуатации работающих на них водозаборов был выполнен АО «ГИДЭК» в процессе проведения переоценки запасов Ергалахского, Талнахского, Амбарнинского и Ингамакитского месторождений подземных вод в 2022–2023 гг., что позволило разработать схемы формирования запасов для каждого месторождения.

Ергалахское месторождение подземных вод расположено в осевой части долины р. Ергалах и приурочено к сквозному талику древней переуглубленной долины этой реки, заполненной четвертичными образованиями (рис. 1). Целевым является среднеплейстоценовый водоносный горизонт, представленный валунно-галечными отложениями. Ергалахский водозабор представляет собой линейный ряд из 14 скважин длиной 5,7 км. Промышленная эксплуатация месторождения начата в 1976 г. В течение 47 лет эксплуатации водозабора его суммарный водоотбор изменялся от 22,4 тыс. м³/сут (20 % от утвержденных запасов) до 65,9 тыс. м³/сут (60 % от утвержденных запасов), понижение уровней в работающих скважинах за весь период эксплуатации не превысило допустимое.

Рис. 1. Схема и разрезы Ергалахского месторождения, результаты прогнозных расчетов работы водозабора в течение гидрологического года: 1 — участок Ергалахского водозабора; 2 — эксплуатационная скважина и ее номер; 3 — граница распространения многолетнемерзлых пород; 4 — граница целевого среднеплейстоценового водоносного горизонта; 5 — граница напорной и безнапорной частей месторождения; 6 — линия гидрогеологического разреза и его номер; 7 — аллювиальный водоносный горизонт (валуны, галька, гравий, песок); 8 — верхнеплейстоценовый водоносный горизонт (водно-ледниковые отложения, пески, галечники); 9 — верхнеплейстоценовый водоносный горизонт (озерно-ледниковые отложения, валунные суглинки, супеси); 10 — среднеплейстоценовый
водоносный горизонт (ледниковые отложения, валунные суглинки, галечники, супеси, пески); 11 — дочетвертичные криогенные слабопроницаемые горизонты; 12 — максимальные значения уровня напорных вод на 2022 г.; 13 — минимальные значения уровня напорных вод на 2022 г.; 14 — гидрогеологическая скважина и ее номер (цвет знака: красный — эксплуатационная; зеленый — наблюдательная; черный — ликвидированная)

Анализ опыта эксплуатации водозабора показал, что при относительно стабильной работе скважин, на графиках изменения уровней подземных вод четко выделяются ежегодные водно-критический и полноводный периоды. В течение зимнего периода происходит снижение уровней в эксплуатационных скважинах южной части Ергалахского водозабора, где понижения составляют 7–13 м, в центральной и северной частях водозабора они равны 10–33 м (при этом зимние уровни не достигают кровли водоносного горизонта). В конце апреля — начале мая, при появлении в р. Ергалах поверхностного стока и оттаивании первого от поверхности слоя четвертичных отложений, происходит резкое восстановление уровня подземных вод до отметок, близких к поверхности земли. Таким образом, каждый год в течение 6–7 месяцев происходит значительная сработка емкости пласта, а затем восстановление уровней.

Для выполнения переоценки запасов подземных вод Ергалахского месторождения методом численного математического моделирования была специально разработана его геофильтрационная модель, откалиброванная в процессе решения двух обратных нестационарных задач, в которых воспроизводилась эксплуатация водозабора в годы разной водности:

— год средней водности (дебит водозабора 47,6–52,7 тыс. м³/сут);

— наиболее выраженный маловодный 2013 г. с обеспеченностью среднегодового стока порядка 95 % (дебит водозабора 33,0–6,6 тыс. м³/сут). Несмотря на то что суммарный водоотбор при этом не был самым большим, удельные понижения уровней подземных вод в скважинах на 1 м³/сут являются самыми значительными за период эксплуатации водозабора. Рассчитанный при этом режим питания в подобный маловодный год использовался при моделировании прогнозного водоотбора.

Решение обратной задачи на период паводка после длительной межени маловодного года показало, что пропускная способность русла реки достаточна для инфильтрации необходимых объемов поверхностных вод и восполнения сработанной за межень емкости.

Прогнозные расчеты были выполнены для условий маловодного года — при продолжительной межени длительностью 250 сут. При годовой величине поверхностного стока 50 % обеспеченности р. Ергалах в 1,46 м³/сут (126,1 тыс. м³/сут) этой величины питания достаточно для полного восполнения сработанной в меженный период емкости. Однако в процессе цикла маловодного года с 95 % обеспеченностью (2013–2014 гг.) — 0,96 м³/сут (79,8 тыс. м³/сут), восполнение сработанной емкости в весенне-летний период маловодного года может происходить не полностью. В это время не происходит полное восстановление уровней, а величина водоотбора регулируется остаточной емкостью водовмещающих пород. Недовосполнение отобранного количества воды при этом должно компенсироваться поверхностным стоком в последующие годы.

Выполненные прогнозные оценки определили подход к категоризации оцененных запасов подземных вод Ергалахского месторождения. Запасы кат. B обеспечены расходом р. Ергалах в маловодные годы 95 % обеспеченности, а суммарные запасы В+С₁ — расходом р. Ергалах
50 % обеспеченности и регулирующей емкостью водовмещающих пород. По результатам работ, выполненных АО «ГИДЭК» в 2022–2023 гг., запасы подземных вод среднеплейстоценового водоносного горизонта Ергалахского месторождения переоценены в количестве 109,7 тыс. м³/сут по кат. В+С₁ (в том числе по кат. В — 79,8 тыс. м³/сут, по кат. С₁ — 29,9 тыс. м³/сут).

Талнахское месторождение подземных вод приурочено к сквозному талику в древней переуглубленной долине р. Талнах, заполненной талыми четвертичными представлен валунно-гравийно-галечными образованиями мощностью от 100 м в осевой части долины до 5–10 м у ее склонов (рис. 2). Фильтрационные свойства водовмещающих отложений крайне неоднородны как в плане, так и в разрезе. В осевой части древней долины коэффициент фильтрации изменяется от 30–100 до 220 м/сут, а к склонам долины уменьшается до 5–10 м/сут (проводимость в южной и центральной частях месторождения составляет 6000–14000 м²/сут, в северной части — 200–6000 м²/сут). В северной части долины горизонт безнапорный, в центральной и южной ее частях в разрезе появляются озерно-ледниковые глины, перекрывающие продуктивный горизонт, который становится напорным. Питание водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации речных и надмерзлотных вод через подрусловые талики, распространенные вдоль русла р. Талнах на северном фланге месторождения.

Рис. 2. Схема и разрезы Талнахского месторождения, результаты прогнозных расчетов работы водозабора в течение гидрологического года: 1 — участок Талнахского водозабора; 2 — эксплуатационная скважина (узел скважин) и ее номер; 3 — гидрогеологическая скважина и ее номер; 4 — граница распространения многолетнемерзлых пород; 5 — граница распространения продуктивного горизонта; 6 — линия гидрогеологического разреза и его номер; 7 — аллювиальные отложения (валунные галечники, песок); 8 — аллювиальные отложения (валунные галечники, песок, суглинки, проявления валунно-гравийно-песчаные); 9 — озерно-аллювиальные отложения (пески, галечники); 10 — озерно-ледниковые отложения (пески, глины); 11 — флювиогляциальные отложения (валунные галечники, пески, глины); 12 — ледниковые отложения морены (валунные суглинки); 13 — ледниковые отложения (валунно-галечные отложения, пески, супеси); 14 — дочетвертичные породы; 15 — скважина и ее номер

Талнахское месторождение было разведано в 1970–1971 гг. По результатам этих работ в 1972 г. были утверждены запасы подземных вод месторождения в количестве 95,5 тыс. м³/сут и начата эксплуатация Талнахского водозабора. В настоящее время водозабор представляет собой линейный ряд протяженностью 2,5 км, состоящий из 20 эксплуатационных скважин, расположенных вдоль русла р. Талнах. В первый период работы водозабора среднегодовая суммарная величина водоотбора составляла 41,0–64,0 тыс. м³/сут (43–67 % от утвержденных запасов). В дальнейшем наблюдался спад водоотбора, и в 2022–2023 гг. он варьировался от 24,7 до 28,7 тыс. м³/сут (26–30 % от утвержденных запасов).

Анализ данных режимных наблюдений за изменением положения уровней подземных вод в скважинах водозабора позволил выделить водно-критический и полноводный весенне-летний периоды. Во время отсутствия питания (воднокритический период около 240 дней) происходит сработка емкостных запасов. При появлении поверхностного стока р. Талнах и оттаивании слоя сезонной мерзлоты наблюдается резкое восстановление уровней подземных вод в течение 25–50 дней.

Для изучения внутригодового гидродинамического режима подземных вод в процессе эксплуатации Талнахского водозабора в рамках работ по переоценке запасов подземных вод месторождения методом численного математического моделирования была разработана геофильтрационная модель, откалиброванная в процессе решения трех обратных нестационарных задач, в которых воспроизводилась работа водозабора в годы разной водности при разном суммарном водоотборе (Q_сум):

— в условиях опытно-промышленной эксплуатации водозабора в 1970–1971 годах при Q_сум = 19,2–65,8 тыс. м³/сут;

— в гидрогеологических условиях маловодного периода в 2012–2015 годах при Q_сум = 22,4–36,6 тыс. м³/сут;

— в современных гидрогеологических условиях в 2021–2023 годах при Q_сум = 26,5–39,7 тыс. м³/сут.

По результатам решения обратных задач было установлено, что работа водозабора обеспечивается за счет привлечения речного стока в летний период, что подтверждается данными режимных наблюдений по р. Талнах и расчетами внутригодового распределения стока реки. Подземное питание р. Талнах (95 % обеспеченности) оценивается в 2,61 л/с или 225,5 тыс. м³/сут, что полностью обеспечивает водоотбор, соответствующий величине запасов подземных вод Талнахского месторождения.

В результате решения прогнозных задач, обосновывающих величину запасов Талнахского месторождения было показано, что величина расчетного понижения уровня при проектном водоотборе 95,5 тыс. м³/сут (28 скважин) на конец воднокритического периода в маловодный год с принятой продолжительностью 240–280 сут не превысят принятое допустимое понижение. При этом балансовая структура прогнозного водоотбора 95,5 тыс. м³/сут, полученная в результате моделирования определяется следующими источниками формирования запасов подземных вод:

— в зимний период водоотбор на 91 % обеспечивается емкостными запасами, а также на 9 % притоком к участку водозабора с северной и южной границ месторождения;

— в летний период водоотбор обеспечивается за счет поверхностных вод р. Талнах — 84,0 тыс. м³/сут (88 %), в небольших количествах — за счет сработки емкости (4 %), инфильтрации атмосферных осадков (2 %) и притока с северной и южной границ месторождения (6 %).

Прогнозные расчеты показали, что питание из реки в летний период продуктивный горизонт получает преимущественно в северной части месторождения, в центральной и южной частях поток подземных вод формируется в основном за счет перетекания с северного участка.

По результатам работ, выполненных АО «ГИДЭК» в 2022–2023 гг., запасы подземных вод среднеплейстоценового водоносного горизонта Талнахского месторождения переоценены в количестве 95,5 тыс. м³/сут по кат. В+С₁.

Амбарнинское месторождение подземных вод приурочено к сквозному талику древней эрозионной долины р. Амбарная (рис. 3). Основным продуктивным горизонтом является водоносный горизонт водно-ледниковых и морских отложений нижне-среднеплейстоценового возраста мощностью около 40 м, сложенный валунно-гравийными отложениями и крупнозернистыми песками с суглинистым или супесчаным заполнителем.

Рис. 3. Схема и разрез Амбарнинского месторождения, графики изменения прогнозных понижений в течение гидрологического года: 1 — граница Амбарнинского водозабора; 2 — эксплуатационная скважина и ее номер; 3 — граница распространения многолетнемерзлых пород; 4 — граница нижне-среднеплейстоценового водоносного горизонта; 5 — наледь Большая Амбарная; 6 — линия гидрогеологического разреза

Месторождение расположено на территории, в пределах которой нижне-среднеплейстоценовый водоносный горизонт содержит пресные подземные воды и с 1979 г. эксплуатируется групповым Амбарнинским водозабором для хозяйственно-питьевого водоснабжения п. Кайеркан и Надеждинского металлургического завода. Водозабор работает на утвержденных в 1978 г. запасах подземных вод, величина которых составляет 14,9 тыс. м³/сут. В настоящее время он представляет собой линейный ряд длиной 3,0 км, состоящий из 8 водозаборных скважин глубиной до 140 м, расположенных вдоль р. Амбарная. Производительность в течение 43 лет изменялась от 4730 м3/сут до 7460 м³/сут (32–50 % величины запасов).

Анализ опыта эксплуатации водозабора показал, что в течение 43 лет работы при суммарном водоотборе, не превышающем 50 % утвержденных запасов, происходит ежегодное полное восстановление уровней до статических летних. Подземное питание р. Амбарная (95 % обеспеченности) оценивается в 177 л/с или 15,2 тыс. м³/сут, что полностью обеспечивает величину запасов подземных вод Амбарнинского месторождения — 14,9 тыс. м³/сут.

Численное геофильтрационное моделирование функционирования Амбарнинского водозабора, выполненное в рамках работ по переоценке запасов месторождения, проводилось для расчетного гидрологического года. В критический зимний период в течение первых 210 суток скважины работали в изолированном пласте с отключенными граничными условиями (реки и инфильтрационное питание). В первый месяц интенсивного таяния многолетнемерзлых пород подключалась вся речная сеть и инфильтрационное питание, соответствующее максимальной за весь год величине, полученной при анализе изменения внутригодового модуля подземного стока. В течение остальной части летнего времени величина инфильтрационного питания задавалась для периода май-сентябрь, в результате произошло восстановление уровней на 10–32 м. Полученные в результате моделирования расчетные уровни в эксплуатационных скважинах на конец критического периода располагались выше кровли целевого водоносного горизонта.

Балансовая структура прогнозного водоотбора (14,9 тыс. м³/сут) на территории Амбарнинского месторождения, по результатам моделирования, определяется следующими источниками формирования запасов подземных вод:

— в воднокритический зимний период водоотбор обеспечивается емкостными запасами 13,5– тыс. м³/сут (90 %), а также притоком к участку водозабора с восточной части талика — 0,6 тыс. м³/сут (4 %), и с западной — 0,9 тыс. м³/сут (6 %);

— при эксплуатации месторождения в летний период водоотбор обеспечивается в основном за счет поверхностных вод р. Амбарная — 13,5 тыс. м³/сут (91 %) и за счет инфильтрации атмосферных осадков — 1,2 тыс. м³/сут (8 %).

Ингамакитское месторождение подземных вод занимает восточную часть Нижнеингамакитской впадины в пределах сквозного талика между наледью и конусом выноса руч. Ущелистый (рис. 4). Продуктивным на месторождении является объединенный водоносный комплекс верхнечетвертичных современных аллювиальных отложений и верхнечетвертичных водно-ледниковых отложений, характеризующийся существенной неоднородностью литологического состава, мощности и фильтрационных свойств водовмещающих пород по площади и в разрезе. Верхняя, полностью промытая часть разреза современных аллювиальных отложений (высокопроницаемые гравийно-галечниковые отложения), обладает аномально высокими фильтрационными свойствами (коэффициент фильтрации до 580 м/сут). Ниже по разрезу фильтрационные свойства аллювиальных отложений существенно ниже, а водно-ледниковых отложений еще ниже, до 20 м/сут. В средней части разреза появляются супесчано-суглинистые прослои (разделяющий слой), в результате чего формируется разница между уровнями верхней аллювиальной части горизонта и нижней водно-ледниковой от 3–4 до 6–8 м.

Рис. 4. Схема и разрез Ингамакитского месторождения, результаты прогнозных расчетов работы водозабора в течение гидрологического года (типовые графики): 1 — скважина проектного Ингамакитского водозабора; 2 — разведочная скважина; 3 — граница распространения многолетнемерзлых пород; 4 — граница продуктивного водоносного горизонта; 5 — линия гидрогеологического разреза; 6 — наледь; 7 — водоносный комплекс верхнечетвертичных аллювиальных отложений (валунники, крупные галечники, гравий с прослоями и линзами песков и супесей); 8 — воды верхнечетвертичных водно-ледниковых отложений (переслаивание супесей, тонкозернистых пылеватых песков и суглинков); 9 — воды верхнечетвертичных озерно-аллювиальных отложений (переслаивание супесей, тонкозернистых пылеватых песков и суглинков); 10 — воды среднечетвертичных моренных отложений (галечно-валунный материал с глинистым заполнителем); 11 — нерасчлененные плиоцен-четвертичные отложения (глыбы, валуны, щебень с дресвой); 12 — раннепротерозойские трещиноватые песчаники; 13 — разлом; 14 — предполагаемый разлом; 15 — уровень подземных вод на начало меженного периода; 16 — уровень подземных вод на конец критического периода; 17 — картировочная скважина и ее номер

Летом глубины залегания уровней подземных вод одинаковы практически по всей площади месторождения и колеблются от 0,5–1 м в пойме до 2–4 м на первой террасе. К концу зимнекритического периода (май) уровни подземных вод понижаются в разных частях месторождения следующим образом: в восточной части месторождения до 13–22 м, в центральной до 5–8,5 м, оставаясь практически постоянными (1,7–2,2 м) в области разгрузки. Таким образом, в естественных условиях до начала эксплуатации годовые амплитуды уровней по площади месторождения изменяются от 14–18 м до 1–1,7 м.

Ингамакитское месторождение подземных вод было выявлено в 1962–1965 гг. В рамках программы по освоению Удоканского месторождения меди в бассейнах рек Наминга и Нижний Ингамакит. По результатам выполненного в 1977 г. комплекса разведочных работ утверждены запасы подземных вод аллювиальных отложений Ингамакитского месторождения в количестве 207,4 тыс. м³/сут (кат. В — 104,3 тыс. м³/сут, кат. С₁ — 103,1 тыс. м³/сут). До настоящего времени Ингамакитское месторождение подземных вод не было освоено. В 2019 г. началась разработка Удоканского месторождения меди и строительство первой очереди горно-металлургического комплекса, водоснабжение инфраструктуры которых должно осуществляться за счет подземных вод Ингамакитского месторождения. В 2022 г. АО «ГИДЭК» была выполнена переоценка запасов подземных вод перспективного Правобережного участка месторождения в количестве,  достаточном для первоочередных потребностей горно-металлургического комплекса — 61,0 тыс. м³/сут.

Численное геофильтрационное моделирование работы первой очереди Ингамакитского водозабора проводилось для расчетного гидрологического года применительно к проектному водозабору, состоящему из 28 скважин с эксплуатационной нагрузкой 1500–3000 м³/сут на каждую скважину (рис. 4). Продолжительность меженного (воднокритического) периода для Ингамакитского месторождения составляет 150 сут, внутри указанного периода отдельно выделяется глубокая межень продолжительностью 120 сут с нулевым расходом реки в связи с ее перемерзанием.

Планируемый водоотбор 61,0 тыс. м³/сут или 0,71 м³/с составляет 24,2 % от рассчитанного среднемноголетнего годового расхода (95 % обеспеченности) по входному створу — 2,93 м³/с. Таким образом, ресурсы поверхностного стока достаточны для полного восполнения  сработанной за водно-критический период емкости водоносного горизонта.

Балансовая структура прогнозного водоотбора 61,0 тыс. м³/сут на Правобережном участке Ингамакитского месторождения, полученная в результате моделирования, определяется следующими источниками формирования запасов подземных вод:

— в полноводный период водоотбор полностью обеспечивается за счет поверхностных вод р. Ниж. Ингамакит: сокращение естественной разгрузки в объеме около 25 тыс. м³/сут (40 %) и увеличение питания из реки на 36 тыс. м³/сут (60 %);

— в воднокритический зимний период водоотбор обеспечивается емкостными запасами 46 тыс. м³/сут (75 %), а также перехватом наледного стока 15 тыс. м³/сут (25 %).

Во время паводка, как и в естественных условиях, происходит восполнение сработанных в критический период емкостных запасов. На рис. 4 приведены типичные графики прогнозных понижений для скважин, расположенных на Правобережном участке Ингамакитского месторождения.

Выводы

Детальный анализ гидрогеологических условий четырех месторождений, выполненный по материалам разведочных работ, а также результаты сорокалетнего опыта эксплуатации Ергалахского, Талнахского и Амбарнинского водозаборов позволили разработать схемы формирования запасов подземных вод каждого месторождения методом численного математического моделирования в процессе решения обратных задач на специально разработанных геофильтрационных схемах этих месторождений, основные позиции которых следующие:

1. Строение месторождений подземных вод в таликах речных долин криолитозоны под полностью промерзающими зимой реками определяется приуроченностью этих месторождений к древним переуглубленным долинам, врезанным в ММП. Границы месторождений определяются по наземным контурам таликов, длина которых вдоль осевой линии достигает 7–10 км, ширина 400–1100 м. Целевые водоносные горизонты месторождений таликовых зон сложены хорошо проницаемыми четвертичными валунно-галечными отложениями с высокими фильтрационными свойствами мощностью от 100–150 м в осевой части долины до 5–10 м у ее склонов. Фильтрационные свойства водовмещающих отложений крайне неоднородны как в плане, так и в разрезе. В осевой части древних долин коэффициент фильтрации изменяется от 30–100 до 220 м/сут, а к склонам долин уменьшается до 5–10 м/сут.

2. Режим фильтрации подземных вод целевых водоносных горизонтов в верховьях месторождений — безнапорный. Вниз по потоку, по мере появления в гидрогеологическом разрезе в центральной и южной частях долин озерно-ледниковых глин, перекрывающих целевой водоносный горизонт, режим фильтрации становится напорным.

3. Условия питания и разгрузки подземных вод в долинах рек, к которым приурочены талики, в естественных условиях определяются режимом рек, относящихся к мерзлотному типу с летним питанием. В весенне-летний период питание подземных вод осуществляется за счет инфильтрации речных и надмерзлотных вод через подрусловые талики, распространенные вдоль русел рек, а также за счет инфильтрационного питания за пределами месторождения. Основной источник питания целевого водоносного горизонта — речной сток — во много раз превышает инфильтрацию. Разгрузка подземных вод осуществляется родниковым стоком с образованием наледей в зимний период. В течение года уровень подземных вод характеризуется подъемом с наступлением положительных температур воздуха и появлением поверхностного стока. При наступлении холодов, питание подземных вод заканчивается, и наблюдается спад их уровня (воднокритический период). При большой мощности выполняющих долину отложений и хороших фильтрационных свойствах даже при полном промерзании реки в зимний период осушенная емкость летом полностью восполняется за счет аккумуляции поверхностного стока.

4. Анализ опыта эксплуатации Ергалахского, Талнахского и Амбарнинского водозаборов показал, что в нарушенных условиях в периоды относительно стабильной работы скважин, водозаборы работают в режиме «сработка-восполнение запасов». В зимнее время эксплуатируемый пласт становится изолированным, происходит только сработка емкостных запасов пласта и значительное понижение уровня подземных вод. В полноводный весенне-летний период происходит восполнение сработанных запасов и уровень подземных вод восстанавливается до статического. Анализ данных о внутригодовом изменении уровней при работе водозаборов с суммарным водоотбором до 70 % от величины запасов подземных вод месторождений показал, что происходит ежегодное восполнение запасов подземных вод, и понижения не превышают допустимые.

5. Условия формирования запасов подземных вод определяются тем, что поглощение поверхностного стока обеспечивает восполнение сработанных в бессточный период емкостных запасов. Основными источниками формирования запасов, таким образом, являются естественные ресурсы и емкостные запасы (в бессточный период), а также привлекаемые ресурсы поверхностного стока в весенне-летний период. В зависимости от гидрометеорологических факторов и величины прогнозного водоотбора, на месторождениях в таликах речных долин криолитозоны формируется самостоятельная балансовая структура запасов подземных вод, зависящая от величины и многолетней изменчивости питания подземных вод. Гидрогеологические условия рассмотренных четырех месторождений похожи, но условия формирования запасов подземных вод отличаются, поскольку соотношение прогнозного водоотбора и величины питания, определяющее характер восполнения сработанной в меженный период емкости, значительно отличаются. Так, при годовой величине поверхностного стока 50 % обеспеченности р. Ергалах его величины достаточно для восполнения емкости, сработанной в меженный период. Однако в процессе цикла маловодного года (95 % обеспеченности) восполнение сработанной емкости в полноводный период может происходить не полностью, а величина водоотбора в этом случае регулируется остаточной емкостью водовмещающих пород. Недовосполнение отобранного количества воды при этом должно компенсироваться поверхностным стоком в последующие годы.

6. Оценка запасов подземных вод месторождений в таликах речных долин криолитозоны на ранней стадии их изучения в 1970-е годы выполнялась применительно к полной величине запасов месторождения с заданием проектных водозаборов по всей длине таликовых зон. Подсчет запасов на основе материалов разведочных работ выполнялся аналитически по «схеме пласт — полоса», при этом площадь пласта — полосы (площадь всего талика) делилась на несколько расчетных блоков (от 8 до 10) длиной 600–1000 м. Рассчитанный таким образом прогнозный водоотбор для каждого блока отдельно по схеме напорного водоносного пласта позволил обосновать значительные величины запасов подземных вод месторождений: 207,4 тыс. м³/сут, 109,7 тыс. м³/сут и 95,5 тыс. м³/сут соответственно. Вместе с тем, в настоящее время длина водозаборов на рассматриваемых месторождениях гораздо меньше длины таликов (в дватри раза), и применительно к таким «коротким» схемам водозаборов в 2022–2023-х годах в процессе работ по переоценке запасов этих месторождений были подготовлены расчетные схемы, в которых охарактеризованы все параметры многопластовых геофильтрационных схем месторождений и условия взаимосвязи подземных и поверхностных вод, согласно характеристикам гидрометеорологических факторов. Таким образом, применение математического моделирования позволило детально охарактеризовать все условия формирования запасов подземных вод месторождений
в таликах речных долин криолитозоны и переоценить запасы подземных вод применительно к более рациональным схемам водозаборов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боревский, Б.В. Оценка запасов подземных вод / Б.В. Боревский, Л.С. Язвин, Н.И. Дробноход. — Киев. Высшая школа, 1982. — 301 с.

2. Гидрогеология СССР. Сводный том, Вып. 3, Ресурсы подземных вод СССР и перспективы их использования. — М.: Недра, 1977. — 279 с. (ВСЕГИНГЕО).

3. Палкин, С.С. Основные результаты выявления и изучения таликовых зон в заполярных широтах полуострова Ямал для питьевого водоснабжения. Подземная гидросфера. Материалы Всероссийского совещания по подземным водам востока России / С.С. Палкин, Б.В. Боревский, С.З. Козак, В.М. Ясеник. — Иркутск: Изд. ООО «Географ», 2012.

4. Романовский, Н.Н. Подземные воды криолитозоны / Под редакцией проф. Всеволожского В.А. / Н.Н Романовский. — М.: Изд-во МГУ,
1983. — 231 с.

© Коллектив авторов, 2025

• < Назад
• Вперёд >