Оценка возможности форсированного водоотбора подземных вод в критические по водности годы (на примере Бештерек-Зуйского участка Симферопольского месторождения)

Боревский Б.В., Олиферова О.А., Марков М.Л.

DOI: 10.53085/0034-026X_2025_2_36
УДК 556.3

В статье обосновывается возможность частичного покрытия дефицита водоснабжения г. Симферополь подземными водами Бештерек-Зуйского участка Симферопольского месторождения в периоды низкой водности при прекращении подачи воды из водохранилищ за счет изменения режима работы водозабора. Методом математического моделирования, в соответствии с обоснованным по гидрологическим  данным сценарием чередования маловодных, средневодных и многоводных лет на прогнозный период, доказывается возможность форсированного режима работы водозабора с производительностью 30,0 тыс. м³/сут с последующим снижением этой величины в многоводные годы до 15 тыс. м³/сут для компенсации водоотбора при форсированном режиме.

Ключевые слова: подземные воды, водоснабжение, водоотбор, форсированный режим работы водозабора.

Водоснабжение большинства городов базируется на комбинированном использовании подземных и поверхностных вод. В районах с дефицитом поверхностных водных ресурсов, в тех случаях, когда объемы водохранилищ не могут обеспечить потребность городов в воде во время маловодных лет, целесообразно увеличивать долю использования подземных вод за счет подключения резервных водозаборов или интенсификации водоотбора из существующих. Оценку возможности форсированного водоотбора на месторождении целесообразно выполнять методом математического моделирования, что дает возможность определить балансовую структуру запасов подземных вод, а также выявить наличие источников их восполнения в годы низкой водности. Впервые идея форсированного режима эксплуатации водозабора с увеличением водоотбора в периоды низкой водности была реализована в 1983 г. в процессе оценки запасов подземных вод Раздольненского участка Пушкинского месторождения подземных вод для водоснабжения г. Владивосток [3].

Примером оценки запасов подземных вод при форсированном водоотборе является переоценка запасов Бештерек-Зуйского участка Симферопольского месторождения, выполненная АО «ГИДЭК» в 2022 г. в рамках федеральной целевой программы «Социально-экономическое развитие Республики Крым и города Севастополя до 2024 года» в соответствии с мероприятием этой программы — «Проектирование и строительство Бештерек-Зуйского водозабора производительностью 22 тыс. м³/сут в Симферопольском районе».

С древних времен Крым обеспечивал себя только собственными поверхностными и подземными водами в условиях постоянного дефицита воды. Для водоснабжения Симферополя в ХIХ в. и начале ХХ в. использовалась вода каптированных источников юго-восточного склона Внутренней гряды Крымских гор. Самыми крупными из них являются источники, разгружающиеся в верховьях р. Славянка, вода из которых подавалась в центр города. В 1831 г. на базарной площади был построен фонтан с бассейнами, вода из него развозилась по всему Симферополю. По мере роста города и увеличения потребности в воде, в середине 1930-х годов началось использование воды рек, которая аккумулировалась в водохранилищах и прудах. В этот период были построены такие крупные водохранилища как Альминское (р. Альма, 1934 г.), Бахчисарайское (р. Кача, 1935 г.), Аянское (р. Аян, 1939 г.). В послевоенное время, в условиях растущей потребности города в воде, в 1956 г. было построено русловое Симферопольское водохранилище на р. Салгир, а в 1966 г. — Партизанское на р. Альма. В 1964 г. был введен в эксплуатацию Северо-Крымский канал. Поступающая по нему вода применялась в основном для орошения северной части полуострова и не использовалась для водоснабжения Симферополя [4].

Естественной для Крыма является засуха разной интенсивности с периодичностью 4 раза в десять лет. Регион характеризуется крайне неравномерным количеством осадков, что периодически приводит к проблемам дефицита хозяйственно-питьевого водоснабжения, связанного с недостаточным наполнением питьевых водохранилищ и существенному снижению подачи накопленных в них поверхностных вод. Расчет приходной и расходной частей водного баланса водохранилищ показал, что благоприятные условия обеспечения водой Симферополя были только в 25 % всех лет, а в остальные годы, в той или иной степени, наблюдался дефицит водных ресурсов.  Повторяемость наиболее критических лет, когда необходимо ограничивать использование воды или даже прекращать ее подачу, составляет 15 %. Среднемноголетняя сумма осадков за период с 1955 по 2020 гг. составляет 501 мм. Минимальные величины наблюдались в 1994 г. — 298 мм (59 % нормы) и в 2020 г. — 368 мм (73 % нормы). Следует отметить, что годам с такой критической величиной осадков  предшествовали также засушливые годы: 1993 г. — 312 мм (62 % нормы) и 2019 г. (81 %). Объем водоснабжения города может быть гарантирован только при наполнении Симферопольского водохранилища к началу лета до отметки НПУ, при которой его полезный объем составляет 34 млн м³. В засушливом 2020 г. приток для наполнения водохранилища составил всего 10,4 млн м³ (31,6 % от нормы), в августе в водохранилище осталось 7 млн м³, в октябре 6 млн м³, в ноябре 4,9 млн м³, в январе 2021 г. — 0,8 млн м³, а в феврале 2021 г. водоснабжение Симферополя поверхностными водами было прекращено.

Для сохранения режима водоснабжения в такие годы требуется привлечение дополнительных источников воды. В условиях минимально низкого остаточного объема Симферопольского водохранилища наиболее реальным источником погашения дефицита являются подземные воды. Поэтому в периоды весьма низкой водности необходимо задействовать все ранее разведанные для водоснабжения Симферополя месторождения:

— Нежинское месторождение подземных вод, разведанное в 1991 г. Запасы подземных вод были оценены в объеме 75,0 тыс. м³/сут;

— Просторненское месторождение подземных вод, разведанное в 1991 г., с запасами подземных вод 75,0 тыс. м³/сут;

— Симферопольское месторождение (Бештерек-Зуйский участок), разведанное в 1971 г. Запасы подземных вод были оценены в количестве 13,5 тыс. м³/сут и переоценены в 2018 г. в количестве 11,5 тыс. м³/сут.

Таким образом, суммарный проектный водоотбор по этим месторождениям составляет 161,5 тыс. м³/сут, что превышает потребность Симферополя в воде. Вместе с тем, до 2022 г. эти месторождения не были освоены.

Критическая ситуация, сложившаяся в режиме водоснабжения Симферополя в 2018–2020 гг., определила необходимость изучения возможностей использования Бештерек-Зуйского участка подземных вод для покрытия дефицита водоснабжения Симферополя и строительство Бештерек-Зуйского водозабора производительностью 22 тыс. м³/сут. Следует отметить, что заявленная величина водоотбора в два раза превышает величину оцененных ранее запасов подземных вод этого участка, поскольку в 1971 и 2018 годах запасы были оценены по достаточно «жесткой» расчетной гидродинамической схеме «пласт-полоса». Оценка оптимальной величины запасов подземных вод Бештерек-Зуйского участка была проведена камеральным путем на основе анализа фондовых материалов, ранее выполненных на этом участке разведочных работ в 1968–1970 и 2017–2018 гг. и учета результатов численного математического моделирования на специально разработанной геофильтрационной модели Симферопольского месторождения.

Месторождение располагается в центральной части Крымского полуострова в пределах первой продольной долины, ограниченной куэстами II и III гряд Крымских гор. Оно приурочено к верхней гидродинамической зоне Равнинно-Крымского бассейна напорных вод и находится на границе этого бассейна, в зоне сочленения степной и горной зон. В связи с этим, все водоносные и слабопроницаемые горизонты в предгорной области выходят на поверхность, а затем погружаются в северо-западном направлении (рис. 1).

Рис. 1. Гидрогеологическая схема и разрез Симферопольского месторождения пресных подземных вод: 1 — граница Симферопольского месторождения; 2 — граница Бештерек-Зуйского водозаборного участка; 3 — скважина проектного Бештерек-Зуйского водозабора; 4 — водозабор сторонних недропользователей; 5 — гидрогеологическая скважина и ее номер; 6 — линия гидрогеологического разреза; 7 — четвертичный водоносный комплекс; 8 — сарматский водоносный комплекс; 9 — среднемиоценовый водоносный комплекс; 10 — эоценовый водоносный комплекс; 11 — готерив-барремский водоносный комплекс; 12 — верхнеюрский водоносный комплекс; 13 — среднеюрский водоносный комплекс; 14 — апт-альбский слабопроницаемый горизонт; 15 — уровень готерив-барремского комплекса в естественных условиях (1970 г.), м; 16 — скважина и ее номер, закрашенная часть — интервал установки фильтра

Месторождение расположено на территории, в пределах которой четвертичный (Q), сарматский (N₁s₂₊₃), среднемиоценовый (N₁²), палеогеновый (Р) и нижнемеловой (К₁) водоносные горизонты содержат пресные подземные воды, и происходит эксплуатация этих горизонтов одиночными водозаборами для хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных пунктов Симферопольского и Белогорского районов [1]. Продуктивным (целевым) водоносным горизонтом месторождения является готерив-барремский. Он выходит на поверхность в пределах северных склонов предгорной гряды Крымских гор и погружается на глубину от 200 м на юге до 360 м на севере месторождения под перекрывающую его апт-альбскую мощную глинистую толщу и залегающие выше нее водоносные горизонты в меловых, палеогеновых, неогеновых и четвертичных отложениях (рис. 1). Водовмещающими породами готерив-барремского горизонта являются темно-серые мелкозернистые пески, с прослоями алевролитов, глин и гравийно-галечных отложений. Мощность водоносного горизонта изменяется по мере погружения от 10 до 140 м (области питания) до 260 м (долина р. Зуя).

Зона повышенной мощности готерив-барремского водоносного горизонта шириной до 3–4 км протягивается относительно узкой полосой вдоль долины р. Бештерек, к которой приурочен Бештерек-Зуйский участок подземных вод. Водопроводимость готерив-барремского горизонта достигает максимальных значений 150–300 м²/сут в долине р. Бештерек, резко снижаясь до 3–10 м²/сут к западу и востоку.

Питание готерив-баремского водоносного горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и потока из среднеюрских отложений в области выхода водовмещающих отложений на дневную поверхность. Однако инфильтрующиеся воды непосредственно в области питания частично разгружаются родниками и в речную сеть, только часть их расхода формирует подземный транзитный сток готерив-барремского горизонта в зоне его погружения под более молодые отложения.

Поток подземных вод, в пределах которого формируются запасы Симферопольского месторождения, движется от предгорий на север к степной части, постепенно теряя расход за счет восходящей разгрузки. Расход потока, предварительно рассчитанный по карте гидроизогипс, составляет 23,1 тыс. м³/сут, при площади области питания 165 км². Это соответствует величине инфильтрационного питания 50 мм/год или 10 % от среднемноголетней суммы атмосферных осадков. До 2022 г. в пределах Симферопольского месторождения имелись только отдельные одиночные водозаборы, эксплуатируемые с незначительным водоотбором для водоснабжения сельских населенных пунктов.

Геолого-гидрогеологические условия месторождения характеризуются весьма высокой неоднородностью фильтрационных свойств, высокой изменчивостью мощности и литолого-фациального состава водовмещающих пород, сложными и недостаточно изученными в области питания и транзита условиями питания и разгрузки подземных вод. Этим определяется приблизительность количественной оценки основных расходных и приходных статей баланса подземных вод. Поэтому для изучения баланса подземных вод в естественных условиях и при эксплуатации методом численного математического моделирования была специально разработана многопластовая геофильтрационная модель Симферопольского месторождения.

Подсчет запасов был выполнен по продуктивному готерив-барремскому водоносному горизонту, являющемуся на территории единственным пригодным для централизованного водоснабжения и строительства водозабора заявленной производительности. Модель была откалибрована при воспроизведении структуры потока подземных вод по состоянию на 1970 г., к которому была пробурена большая часть имеющихся скважин, и сопоставлении с имеющимися данными на 2018 г., а также путем воспроизведения результатов групповой откачки
из 6 скважин в течение 30 суток производительностью 10,4 тыс. м³/сут.

Прогнозные расчеты, обосновывающие величину запасов подземных вод, были проведены методом численного математического моделирования применительно к сложившейся в настоящее время проектной схеме водозабора (рис. 2).

Рис. 2. Прогнозная депрессионная воронка и балансовая структура запасов подземных вод Симферопольского месторождения: 1 — граница Симферопольского месторождения; 2 — граница Бештерек-Зуйского водозаборного участка; 3 — граница модели Симферопольского месторождения; 4 — водозабор подземных вод; 5 — гидрогеологическая скважина; 6 — скважина проектного Бештерек-Зуйского водозабора; 7 — родник; 8 — изолиния понижения уровня подземных вод (м); 9 — линия проектного водозабора; 10 — выход готерив-барремского водоносного горизонта на поверхность; 11 — сетка модели

Оценка запасов подземных вод Бештерек-Зуйского участка Симферопольского месторождения выполнена для двух проектных схем водоотбора — при равномерном и неравномерном режиме эксплуатации в периоды высокой и низкой водности.

Прогноз работы Бештерек-Зуйского водозабора при равномерном режиме эксплуатации. Целью прогнозного моделирования является оценка возможности отбора подземных вод в размере заявленной потребности при выполнении гидродинамических ограничений с учетом взаимодействия с водозаборами на участках распределенного и нераспределенного фонда недр. Подсчет запасов Бештерек-Зуйского участка выполнялся в нестационарной постановке, поскольку сработка емкостных запасов целевого пласта, как показали разведочные расчеты, происходит в течение практически всего периода эксплуатации, а восполняемыми ресурсами подземных вод является приток по пласту из области выхода готерив-барремского водоносного горизонта на поверхность и инверсия перетекания через апт-альбские глины.

На рис. 2 приведена расчетная депрессионная воронка, полученная в результате моделирования работы Бештерек-Зуйского водозабора, состоящего из 9 скважин с равномерно распределенной нагрузкой на все скважины Q = 2500 м³/сут. Расчетные понижения в готерив-барремском водоносном горизонте на конец эксплуатации (в пласте) составили 88–102 м. С учетом поправок на скин-эффект ΔS_скин и «региональной срезки» ΔS_vz, расчетные понижения в скважинах водозабора составили 97–112 м, что значительно меньше, чем величина допустимого понижения уровня S_доп = 200 м, которая была обоснована с учетом гидрогеологического строения участка (глубина кровли водоносного горизонта) и конструкции водозаборных скважин.

Согласно результатам моделирования, балансовая структура прогнозного водоотбора — 22,0 тыс. м³/сут в течение 25 лет эксплуатации значительно перестраивается, при этом происходят следующие изменения величины основных источников формирования запасов подземных вод (рис. 2):

— увеличение притока по пласту из области выхода горизонта на поверхность на конец эксплуатации составит 16,5 тыс. м³/сут;

— сокращение расхода перетекания в кайнозойский водоносный комплекс через апт-альбские глины в конце эксплуатации — 5,6 тыс. м³/сут;

— уменьшение доли упругой емкости готерив-барремского водоносного горизонта в первый год эксплуатации — от 22,0 тыс. м3/сут до 4,9 тыс. м³/сут, затем уменьшение ее до 100 м³/сут в конце расчетного срока.

Результаты выполненных балансовых расчетов свидетельствуют об обеспеченности оцененных запасов подземных вод готерив-барремского водоносного горизонта Бештерек-Зуйского участка подземных вод Симферопольского месторождения.

Прогноз работы Бештерек-Зуйского водозабора при неравномерном режиме эксплуатации — форсированный водоотбор. В связи с периодически засушливыми годами и возникающим при этом дефиците подачи воды для водоснабжения населения из водохранилищ, возникает необходимость увеличения водоотбора подземных вод. Для выполнения прогнозного моделирования работы проектного водозабора при неравномерном водоотборе, который увеличивается в критически маловодные годы и уменьшается в многоводные при сохранении среднемноголетнего водоотбора 22,0 тыс. м³/сут, ФГБУ «Государственный гидрологический институт» была выполнена ретроспективная оценка и разработан прогнозный сценарий чередования маловодных и многоводных лет на рассматриваемой территории.

Анализ многолетних колебаний осадков в зоне питания подземных вод в районе Симферополя и стока рек бассейна р. Салгир выполнен с применением статистических методов по многолетним данным наблюдений на гидрологических постах и метеостанциях Росгидромета [2].

Дефицит водозабора из Симферопольского водохранилища зависит от величины атмосферных осадков. На рис. 3 приведены данные об объеме среднегодового притока в водохранилище за период 1955–2020 гг. и варианты его прогноза на расчетный срок оценки запасов подземных вод (25 лет). В качестве прогнозных рядов приняты периоды 1962–1986 гг. и 1996–2020 гг. На этом же рисунке приведен график изменения величины среднегодовых осадков по метеостанции г. Симферополь за ретроспективный и прогнозный периоды и варианты их прогноза на 25 лет. Эти данные показывают, что количество лет с наполнением водохранилища ниже многолетней нормы существенно превышает количество многоводных лет, такая же закономерность наблюдается и по атмосферным осадкам. Обработка данных длительного цикла наблюдений дала возможность разработать сценарий чередования маловодных, средневодных и многоводных лет на прогнозный период:

— число средних по водности лет составляет 55 % или 13 лет;

— число маловодных — 6 лет;

— число многоводных — 6 лет.

Длительность маловодных лет может достигать трех лет подряд, а критически маловодных — не более двух.

Рис. 3. Колебания среднего годового расхода притока воды в Симферопольское водохранилище (а) и годовых атмосферных осадков на территории Симферопольского месторождения подземных вод (б) и прогнозный сценарий изменения этих величин на 2020–2045 гг.

Принимая, что распределение водности во времени, приведенное на ретроспективном расчетном графике чередования маловодных и многоводных лет (рис. 3), является цикличным, можно «перенести» 25-летний натурный цикл чередования маловодных и многоводных лет на прогнозный период. Началом графика прогнозного водоотбора, начинающегося с 2021 г., был принят 1993 г., поскольку 2 года подряд (1993 г. и 1994 г.) были практически маловодными. При прогнозном моделировании работы водозабора в условиях неравномерного режима эксплуатации постоянный круглогодичный водоотбор Q = 22,0 тыс. м³/сут будет чередоваться со сниженным водоотбором в многоводные годы и увеличенным в маловодные.

Расчетная прогнозная схема изменения суммарного дебита Бештерек-Зуйского водозабора при неравномерном режиме эксплуатации в течение 25 прогнозных лет включает следующие периоды (рис. 4):

— в периоды низкой водности длительностью по одному двулетнему и трехлетнему циклам и двум однолетним циклам — семилетний период с Q = 30,0 тыс. м³/сут;

— в периоды высокой водности длительностью по одному двулетнему и трехлетнему циклам и трем однолетним циклам — восьмилетний период с Q =15,0 тыс м³/сут;

— в периоды, характеризующиеся среднемноголетними величинами длительностью 1–2 года (один цикл 5 лет) — тринадцатилетний период с Q =22,0 тыс м³/сут.

Рис. 4. Прогнозный график изменения водоотбора Бештерек-Зуйского водозабора в соответствии с цикличностью маловодных и многоводных лет: 1 — маловодный год; 2 — многоводный год; 3 — проектный дебит водозабора (тыс. м3/сут)

С учетом разработанного предположительного сценария чередования маловодных и многоводных лет было выполнено прогнозное моделирование работы проектного водозабора с водоотбором 30,0 тыс. м³/сут, 22,0 тыс. м³/сут и 15,0 тыс. м³/сут в годы разной водности при сохранении среднемноголетнего водоотбора 22 тыс. м³/сут. Расчеты выполнялись в нестационарной постановке в соответствии с прогнозным графиком изменения водоотбора (рис. 4) и прогнозным дебитом скважин Q = 2500 м³/сут. При этом в многоводные периоды моделировалась работа водозабора, состоящего из 6 скважин с суммарным водоотбором Q = 15,0 тыс. м³/сут, в маловодные периоды задавался водоотбор из 12 скважин Q = 30,0 тыс. м³/сут, в периоды среднемноголетней водности — водозабор из 9 скважин с суммарным дебитом Q = 22,0 тыс. м³/сут.

На рис. 5 приведены графики расчетных понижений, полученные при моделировании ступенчатого прогнозного водоотбора на Бештерек-Зуйском участке. Максимальные понижения формируются в центральной части водозабора и при трехлетнем маловодном периоде составляют около 130 м, на периферии водозабора понижения меньше: на севере 110–120 м, на юге — 85–95 м. Следовательно, при форсированном водоотборе в маловодные годы расчетные понижения не превышают допустимые. Кроме того, в периоды высокой водности за счет отключения части скважин происходит восстановление уровней, что позволяет водозабору работать в течение длительного времени, обеспечивая в маловодные годы дополнительный дебит около 8000 м³/сут.

Рис. 5. Расчетные понижения уровня, полученные при моделировании ступенчатого прогнозного водоотбора на Бештерек-Зуйском участке: 1 — скважина проектного водозабора (Qсум = 22 000 м3/сут); 2 — дополнительная проектная скважина (Qсум = 30 000 м3/сут); 3 — линия проектного водозабора

Таким образом, без изменения общей величины запасов (22,0 тыс. м³/сут) в маловодные периоды может осуществляться водоотбор до 30 тыс. м3/сут с последующим снижением этой величины в многоводные годы до 15 тыс. м³/сут для компенсации водоотбора при форсированном режиме. Для реализации максимального водоотбора 30 тыс. м³/сут целесообразно пробурить еще 3 скважины, в этом случае при расширении водозабора на юг в сторону с. Спокойное (рис. 5) запасы могут быть увеличены до 30 тыс. м³/сут. Но эта часть запасов потребует дополнительного изучения в процессе опытно-промышленной эксплуатации, включая водоотбор 30 тыс. м³/сут в один из маловодных циклов.

Очевидно, что форсированный водоотбор на Бештерек-Зуйском водозаборе не компенсирует полностью дефицит водоснабжения в критические по водности годы, но вносит в его погашение заметный вклад.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гидрогеология СССР. Т. 8. Крым / Под ред. В.Г. Ткачук. — М.: Недра, 1971. — 279 с.

2. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Т.2. Украинская ССР. Вып. 3. Бассейны Северского Донца, рек Крыма и Приазовья. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985. — 382 с.

3. Ершов, Г.Е. Специфика гидродинамического моделирования форсированного режима эксплуатации водозабора на Пушкинском месторождении / Г.Е. Ершов, Н.С. Козак, А.Г. Черняк А.Г. // Разведка и охрана недр. — 2010. — № 10. — С. 32–37.

4. Олиферов, А.Н. Реки и озера Крыма / А.Н. Олиферов. — Симферополь: Доля, 2006 — 216 с.

© Боревский Б.В., Олиферова О.А.,Марков М.Л., 2025

• < Назад
• Вперёд >