Опыт переоценки запасов подземных вод методом математического моделирования в условиях интенсивной антропогенной нагрузки
- Битейкина М.Н., Ершов Г.Е., Язвин А.Л.
DOI: 10.53085/0034-026X_2025_2_44
УДК 550.8.013:553.048
Рассматриваются подходы к переоценке запасов подземных вод методом математического моделирования на основе материалов эксплуатации водозаборов в условиях интенсивной антропогенной нагрузки. Показано, что изменения гидрогеологических условий за истекший с момента оценки запасов 25-летний период обусловлены сокращением отбора подземных вод, а также уменьшением техногенного питания, связанным с более экономным водопотреблением. Обратная геофильтрационная задача при задании на модели фактических данных по водоотбору сведена к поиску величин инфильтрации и их динамики в пределах зон, выделенных в соответствии с природными и техногенными факторами формирования питания подземных вод. Выполненные прогнозные расчеты уровней подземных вод и приоритетных показателей качества (общая жесткость, нитраты) показали возможность дальнейшей эксплуатации водозаборов с отбором в размере заявленной потребности.
Ключевые слова: запасы подземных вод, водоснабжение, инфильтрационное питание, калибрация модели, прогноз качества.
1. Общие сведения о гидрогеологических условиях месторождения
Месторождение Т. является источником водоснабжения двух районов города. Добыча подземных вод неоген-четвертичного водоносного комплекса производится на 8 централизованных водозаборах, помимо которых на территории месторождения расположены еще около 50 действующих водозаборов, принадлежащих предприятиям и организациям разного профиля (как крупных групповых, так и одиночных).
Месторождение подземных вод расположено на левом берегу реки В., его площадь составляет 50 × 40 км. Водовмещающими породами являются преимущественно разнозернистые и гравелистые пески; мощность комплекса изменяется от 80 и более метров на западе месторождения до 20–30 м на востоке (характерные значения 50–60 м). Нижним водоупором служат глины нижнего мела (на некоторых участках — плиоцена), которые являются региональным водоупором.
Со второй половины 1950-х годов определяющую роль в формировании гидрогеологических условий месторождения играют техногенные факторы. Подъем уровней подземных вод (до 20 м), имевший место на большей части территории, является результатом подпора от создания водохранилища и дополнительного инфильтрационного питания, вызванного ростом количества атмосферных осадков после его образования, развитием орошаемого земледелия, возникновением крупного промышленного центра, которое сопровождается потерями воды из водонесущих сетей.
Отбор подземных вод, начавшийся практически одновременно с заполнением водохранилища, привел к существенному (до 15 м) снижению их уровня на локальных участках. Однако практически повсеместно (за исключением участка наиболее крупного водозабора № 1) влияние отбора существенно меньше, нежели влияние факторов, определяющих подъем уровня.
2. Результаты ранее проведенных работ по оценке запасов
В 1974 г. были впервые утверждены запасы на участках основных действующих водозаборов (водозаборы № 1 и № 3). В 1996–2001 гг. проведены работы по переоценке запасов и разведке новых участков, в рамках которых АО «ГИДЭК» разработана система моделей нескольких уровней детальности и проведена их калибрация.
Для обоснования прогнозной геофильтрационной модели потребовалось не только детально учесть особенности геологического строения, определяющие закономерности изменения фильтрационных свойств водовмещающих пород, но и провести всесторонний анализ многолетней динамики гидрогеологических условий, обусловленной перечисленными выше факторами антропогенного воздействия.
В данных условиях отличительной особенностью постановки задач при геофильтрационном моделировании является необходимость учета временных и пространственных изменений инфильтрационного питания. Модельный массив значений данного параметра задан зонами, соответствующими характеристикам поверхности территории, которые обусловлены различными природными и техногенными факторами. При этом в каждой из зон величина инфильтрации является переменной во времени ввиду изменения количества атмосферных осадков и техногенной составляющей питания.
Модельная карта зонирования инфильтрационного питания на площади месторождения приведена на рис. 1.
Рис. 1. Модельная карта зонирования инфильтрационного питания на площади работ: 1 — водозабор и его номер
По результатам решения обратной задачи приняты следующие значения основных геофильтрационных параметров: коэффициент фильтрации верхней части неоген-четвертичного комплекса — 20 м/сут, нижней — 34 м/сут, коэффициент перетока подрусловых отложений реки — 0,05 сут-1, гравитационная водоотдача — 0,15. Все эти параметры приняты неизменными во времени, в отличие от величины инфильтрационного питания.
Максимальные значения инфильтрации были получены на рубеже 1980-х — 1990-х годов: для селитебных зон до 90 мм/год, промышленных до 500–700 мм/год, что соответствует величине утечек из водопроводных сетей около 10 %.
Суммарная добыча на городских водозаборах в 2000 г. составляла 139,3 тыс. м3/сут, в том числе на водозаборе № 1 и водозаборе № 3 суммарно 110,4 тыс. м3/сут.
Запасы подземных вод были утверждены на участках:
— 8 действующих городских водозаборов с общей производительностью 260 тыс. м3/сут, в том числе водозабор № 1 и водозабор № 3 суммарно 204,4 тыс. м3/сут;
— 3 перспективных участка для водоснабжения города, с общей проектной производительностью 120 тыс. м3/сут;
— участки групповых и малых автономных водозаборов (действующих и проектируемых) 125 тыс. м3/сут.
3. Изменение гидрогеологических условий за период 2001–2023 гг.
В 2022–2024 гг. АО «ГИДЭК», ввиду истечения расчетного срока эксплуатации запасов, стоящих на государственном учете, выполнены работы по их переоценке. Заявленная величина потребности составляла 140,6 тыс. м3/сут, в том числе на водозаборе № 1 и водозаборе № 3 суммарно 108,8 тыс. м3/сут. Отметим, что она практически соответствует добыче 2000 г. К негативным последствиям, с точки зрения удовлетворения потребности, могли привести такие факторы, как снижение уровней в результате сокращения техногенного инфильтрационного питания, увеличение удельной нагрузки на водозаборе № 1 вследствие уменьшения длины северного ряда, уменьшение количества существующих скважин и ухудшение их технического состояния ввиду процесса «старения».
Основные задачи проведенных работ сводились к анализу произошедших за истекший 25-летний период изменений гидрогеологических условий и их определяющих факторов, а также к оценке адекватности ранее разработанной математической модели и ее актуализации.
Материалы наблюдений за уровнями подземных вод свидетельствуют о весьма существенных изменениях водохозяйственной обстановки. Однако их направленность кардинально отличается от той, которая планировалась ранее при оценке запасов.
Сопоставление результатов прогнозных расчетов, выполненных в 2001 г., и фактических уровней подземных вод показывает, что последние, на протяжении всего периода дальнейшей эксплуатации, находятся существенно выше, чем прогнозировалось.
Причина заключается в том, что план развития системы водоснабжения, в соответствии с которым оценивались запасы, реализован не был. Перспективные участки с общими запасами 120 тыс. м3/сут не были освоены, а суммарная добыча на городских водозаборах не увеличилась до 260 тыс. м3/сут, а уменьшилась к 2023 г. до 62,9 тыс. м3/сут.
Данный тезис наглядно иллюстрируют графики отбора и уровня воды (прогнозируемые при оценке запасов и фактические) по наиболее крупному на территории месторождения водозабору № 1 (рис. 2).
Рис. 2. График фактических и прогнозируемых показателей величин отбора и уровня воды на водозаборе № 1: 1 — утвержденные запасы подземных вод; 2 — фактический водоотбор; 3 — фактический уровень подземных вод; 4 — модельный уровень при фактическом расходе; 5 — модельный уровень при отборе в размере утвержденных запасов
При этом сократилось и техногенное питание (инфильтрация) в пределах селитебных и промышленных зон, вследствие уменьшения как абсолютных величин подачи воды, так и относительной доли утечек из коммуникационных сетей. В результате на участке водозабора № 1 уровень повысился на 7–8 м, а в районе центрального промышленного узла — на 1–2 м.
4. Актуализация моделей и результаты расчетов
Для оценки адекватности ранее разработанной математической модели проведено воспроизведение изменений гидрогеологических условий, произошедших за период 2001–2023 гг. В качестве критерия соответствия использовались данные по динамике уровней в наблюдательных скважинах за указанный период, а также их площадное распределение на 2023 г.
4.1. Сопоставление натурных данных и результатов моделирования с заданным фактическим отбором
Первоначально была решена прямая задача в следующей постановке: на модели задавался фактический отбор на оцениваемых участках за период 2001–2023 г., при этом как геофильтрационные параметры, так и граничные условия оставались неизменными (инфильтрация соответствовала модели 2000 г.).
Действующая в настоящее время сеть мониторинга недропользователя включает около 20 скважин. Кроме того, данные по динамике уровней за рассматриваемый период имеются еще по ~10 скважинам, где наблюдения прекращены. Большая часть этих скважин была пробурена в ходе работ 1996–2001 гг., однако имеются и скважины с более длительными рядами наблюдений.
Полученные модельные уровни подземных вод для большинства наблюдательных скважин находятся выше фактических. Корреляционный график по состоянию на 2023 г. (рис. 3) наглядно иллюстрирует необходимость внесения изменений в геофильтрационную модель.
Превышение для 12 из имеющихся наблюдательных скважин составляет менее 1,5 м, для остальных 8 — в диапазоне от 2 до 4 м.
Теоретически причинами расхождения могут являться следующие факторы: уменьшение инфильтрационного питания, изменение уровня поверхностных вод, занижение отбора на водозаборах сторонних недропользователей.
4.2. Результаты моделирования с переменным во времени инфильтрационным питанием
Сравнительный анализ перечисленных выше факторов и материалов, полученных за отчетный период, показал, что в качестве основного следует рассматривать инфильтрационное питание: столь существенное сокращение водопотребления не могло не отразиться на величине утечек и, соответственно, его техногенной составляющей.
Изменения среднегодовых уровней поверхностных вод реки В., зарегулированной построенной в 1950-х годах ГЭС, практически отсутствовали. Об этом свидетельствует и соответствие фактических и модельных уровней в скважинах, расположенных вблизи уреза водохранилища. Отбор на водозаборах сторонних недропользователей составляет менее 20 % от суммарной добычи по месторождению, влияние его изменений незначительно.
Таким образом, задача была сведена к поиску величин инфильтрации и их динамики в пределах ранее выделенных зон.
Согласно полученным результатам, инфильтрационное питание, которое существенно увеличивалось в период 1950–2000 гг., в дальнейшем стало снижаться.
Если по состоянию на 2000 г. для селитебных и промышленных территорий оно оценивалось величинами 70–90 мм/год и 500–700 мм/год соответственно, то к 2023 г. уже 60–70 мм/год и 300–450 мм/год.
Заданное на модели сокращение питания позволило добиться удовлетворительного совпадения модельных и натурных данных как по временным графикам за 2001–2023 гг., так и по состоянию на 2023 г.
Корреляционный график фактических и модельных уровней, полученных в результате моделирования по состоянию на 2023 г., показан на рис. 3.
Рис. 3. Корреляционные графики фактических и модельных уровней подземных вод при постоянной и переменной во времени инфильтрации по состоянию на 2023 г.
На рис. 4 приведены графики изменения расчетных уровней в наблюдательных скважинах в сравнении с фактическими замерами. Сопоставление значений инфильтрационного питания по состоянию на 2000 и 2023 г. приведено на рис. 1.
Рис. 4. Динамика уровней подземных вод за период 1950–2023 гг.: 1 — модельный уровень; 2 — фактический уровень; 3 — центральный промузел; 4 — водозабор № 4; 5 — водозабор № 3; 6 — водозабор № 1
При прогнозных расчетах водоотбора величина допустимого положения уровня определялась исходя из критерия 25 м остаточной мощности столба жидкости в скважине с учетом положения фильтров. Расчеты выполнены применительно к современным значениям инфильтрационного питания. Полученные значения уровня воды удовлетворяют критериям допустимого понижения. В то же время не исключается, что для некоторых скважин при выходе водозаборов на полную проектную производительность может потребоваться изменение их конструкций.
4.3. Результаты прогнозных расчетов качества методом моделирования
Как показал длительный опыт эксплуатации водозаборов на территории месторождения Т., приоритетным показателем качества подземных вод является общая жесткость, рост которой может быть обусловлен как естественными факторами (наличие неравномерно распределенных включений гипса в слабопроницаемых покровных отложениях), так и техногенными (утечки промышленных и канализационных вод на территории жилых и промышленных зон).
Почвенный и глинистый сорбционный геохимические барьеры не могут предотвратить миграцию консервативных компонентов. Основными среди них в условиях восстановительной гидрогеохимической обстановки являются сульфаты (и, соответственно, показатель общей жесткости) и хлориды. На территории размещения городских водозаборов источники повышения жесткости пространственно приурочены к участкам техногенных утечек.
Интенсивность поступления солей в подземные воды определяется интенсивностью естественной и техногенной инфильтрации через зону аэрации, распределение которой во времени и по площади было оценено при решении обратных геофильтрационных задач.
В условиях окислительной обстановки к ним может добавляться нитратное загрязнение подземных вод, источники которого связаны с точечными зонами утечек канализационно-бытовых стоков на площади Центрального промышленного узла и на территории жилой застройки Центрального района.
Таким образом, вторым показателем является содержание нитратов в подземных водах. Площадь расположения водозаборов №№ 1–4 характеризуется преимущественно восстановительной обстановкой, предотвращающей миграцию нитрат-иона. В то же время, при существующей гидрогеологической обстановке, загрязнение нитратами от площади жилой застройки Центрального района распространяется вплоть до восточного крыла водозабора № 1. Присутствия опасных химических веществ в подземных водах здесь не отмечается.
Источники нитратов имеют исключительно антропогенный характер, ограничены по площади и объему, их влияние может быть нивелировано путем проведения санитарно-защитных мероприятий.
Поскольку увеличение жесткости подземных вод в результате изменения природной обстановки имеет обширный площадной характер, прогнозные оценки ее изменения выполнялись на локальной миграционной модели, включающей практически все действующие водозаборы и перспективные участки. Изначально локальная геомиграционная модель месторождения была сформирована при переоценке запасов месторождения в 2001 г. В 2022–2023 гг. она была дополнена данными наблюдений за показателями жесткости в скважинах водозаборов за период до 2023 г. Для водозабора № 1 на ней также были рассмотрены процессы формирования концентраций нитратов в подземных водах.
В качестве расчетной схемы миграции была принята консервативная (транспортная). Процесс растворения гипсов в толще покровных суглинков принят установившимся за длительный период их обводнения и отражен обобщенно в заданных значениях жесткости инфильтрующихся через них вод. Значения активной пористости (15 %) принимались по данным опытно-миграционных работ, а также по литературным данным и аналогии с миграционными параметрами неоген-четвертичного водоносного комплекса месторождений Приказанской группы, находящихся в близких гидрогеологических условиях.
На разработанной в 2001 г. численной геомиграционной модели месторождения были воспроизведены изменения жесткости подземных вод по участку водозабора № 1 во времени, начиная с 1950 до 2000 г. Рассчитанная по среднегодовому дебиту скважин и имеющимся химическим анализам жесткость воды для западного крыла северного ряда водозабора № 1 в 2000 г. составила 7,3 мг-экв/л, в центральной части северного ряда — 6,1 мг-экв/л, на его восточном крыле — 6,2 мг-экв/л, по южному ряду — 6,2 мг-экв/л. Соответствующие значения жесткости, полученные на численной модели по состоянию на 2000 г., составили 7,5 мг-экв/л для западного крыла; 6,0 мг-экв/л для центральной части и 6,2 мг-экв/л для восточного крыла северного ряда. Для южного ряда водозабора рассчитанная на модели жесткость составила 6,1 мг-экв/л, в целом для всего водозабора — 6,2 мг-экв/л.
С момента переоценки запасов на восточном крыле водозабора в ряде скважин отмечалось постепенное повышение значений жесткости воды, что ожидалось и по модельным прогнозам, сделанным в 2000 г., в результате дальнейшего поступления более жестких вод с территории промзоны. Однако одновременно с этим по ряду скважин наблюдалось и повышение содержания в воде нитратов.
В связи с этим были проанализированы данные опробований по площади месторождения и выявлен наиболее вероятный очаг техногенного загрязнения в районе неканализованной городской застройки, расположенной между промзоной и водозабором № 1, в районе расположения наблюдательной скважины. На модели был произведен подбор величины наиболее вероятного загрязнения, приуроченного к данному участку. Его интенсивность характеризуется анализами подземных вод по данной скважине. В 2000 г. жесткость здесь составляла
~8 мг-экв/л, а содержание нитратов — около 65 мг/ дм3, в настоящее время — 10–11 мг-экв/л и 120 мг/дм3 соответственно.
На локальной геомиграционной модели выявленный очаг поступления неканализованных вод в водоносный горизонт был воспроизведен путем его задания в четвертом слое, вблизи наблюдательной скважины, в качестве условия постоянной повышенной жесткости подземных вод (1-го рода по концентрации) и содержания нитратов (по фактически измеренным значениям). Заданные концентрации нитратов и значения жесткости по площади очага возможного загрязнения на ретроспективный период были подобраны таким образом, чтобы модель наилучшим образом воспроизводила самые максимальные значения измеренных показателей и близкий к фактическому темп их увеличения в эксплуатационных скважинах водозабора.
На рис. 5 приведено сопоставление расчетных и модельных содержаний жесткости, а также значений концентрации нитратов по отдельным водозаборным скважинам в ретроспективный и прогнозный периоды, на рис. 6 — прогнозное распределение значений жесткости и концентраций нитратов в четвертом слое модели по площади по состоянию на 2048 г., а также блоки с заданными значениями контролируемых показателей (очаги).
Рис. 5. Сопоставление фактических и расчетных значений, прогноз величины жесткости и содержания нитратов в подземных водах по отдельным скважинам водозабора № 1: 1 — скв. 164а, модельные данные (жесткость); 2 — скв. 164а, фактические данные (жесткость); 3 — скв. 163б, модельные данные (жесткость); 4 — скв. 163б, фактические данные (жесткость); 5 — скв. 159а, модельные данные (жесткость); 6 — скв. 159а, фактические данные (жесткость); 7 — скв. 162, модельные данные (нитраты); 8 — скв. 162, фактические данные (нитраты); 9 — скв. 161в, модельные данные (нитраты); 10 — скв .161в, фактические данные (нитраты); 11 — скв. 159а, модельные данные (нитраты); 12 — скв. 159а, фактические данные (нитраты)
Рис. 6. Распределение величины общей жесткости и содержания нитратов в подземных водах на водозаборе № 1 на конец прогнозного периода: 1 — городские поселения; 2 — участок водозабора № 1; 3 — задание источников загрязнения (величина жесткости 11 °Ж); 4 — задание источников загрязнения (концентрация нитратов 120 мг/л); 5 — эксплуатационная скважина водозабора № 1; 6 — эксплуатационная скважина водозабора № 1 и ее номер, по которой ведутся наблюдения; 7 — изолинии величины общей жесткости в подземных водах на конец прогнозного периода; 8 — изолинии содержания нитратов в подземных водах на конец прогнозного периода; 9 — изолинии уровней подземных вод на конец прогнозного периода; 10 — сетка модели
Поскольку при калибрации модели воспроизводились максимальные значения показателей жесткости, расчетные значения как по скважинам, так и в смеси оказались несколько выше средних фактических (7 мг-экв/л и 6,3 мг-экв/л соответственно).
В дальнейшем, при прогнозных расчетах, достигнутые значения контролируемых показателей в блоках, соответствующих очагам загрязнения (11 мг-экв/л и 120 мг/дм3), сохранялись на весь прогнозный срок.
По результатам прогнозного геомиграционного моделирования были сделаны выводы о том, что в течение прогнозного периода не ожидается существенного увеличения достигнутых величин жесткости подземных вод. Наибольший прирост значений предполагается на восточном фланге, куда происходит подтягивание более жестких вод от промзоны и участка неканализованной застройки. При этом в центральной части водозаборного ряда показатели качества подземных вод и в дальнейшем останутся практически неизменными. Как следует из расчетов, несмотря на то, что в отдельных скважинах восточного крыла водозабора расчетные значения жесткости достигают 8–9 мг-экв/л, в смеси вод всех скважин водозабора прогнозная величина соответствует нормативу. Средняя расчетная жесткость в смеси всех скважин водозабора за прогнозный период изменится незначительно по сравнению со значениями, которые отмечаются в настоящее время.
При сравнении прогнозных данных, полученных при моделировании, с оценками, полученными на основе продления фактических трендов роста содержаний наблюдаемых компонентов на прогнозный срок, можно отметить некоторое различие. Так, по результатам моделирования прогнозируется менее интенсивный рост жесткости, чем наблюдаемый. По содержанию нитратов модельные расчеты показывают стабилизацию прогнозных значений в отличие от наблюдаемого тренда к их увеличению. Это объясняется тем, что при прогнозном увеличении водоотбора доля воды с низким содержанием нитратов и солей жесткости в балансе будет увеличиваться, что приведет к разбавлению жестких и нитратсодержащих вод.
Таким образом, можно констатировать, что за прошедшие с момента переоценки запасов 25 лет гидрогеологическая обстановка на месторождении поменялась в соответствии с изменением техногенных факторов, влияющих на баланс формирования эксплуатационных
запасов.
Отсутствие санитарно-защитных мероприятий на территории селитебной застройки городского поселения привело к дальнейшему распространению нитратного антропогенного загрязнения в сторону водозабора № 1. Вместе с тем, в суммарном объеме потребляемой воды это загрязнение в прогнозный период не приведет к превышению нормируемых показателей выше ПДК. Тем не менее, следует предусмотреть специальное изучение очага антропогенного загрязнения и разработать мероприятия по его локализации и минимизации.
Выводы
1. Рассматриваемое месторождение является характерным примером объекта, где степень техногенного воздействия на гидрогеологические условия играет определяющую роль в их формировании. В течение 25 лет, прошедших с момента последней оценки запасов, происходило постоянное сокращение водопотребления (как населением, так и объектами промышленности), приводящее к снижению отбора подземных вод и уменьшению техногенного инфильтрационного питания. Решение обратной задачи по воспроизведению эксплуатации в период 2000– 2024 гг. было сведено к поиску величин инфильтрации и их динамики в пределах ранее выделенных зон.
2. Ресурсный потенциал, локализованный в пределах месторождения, существенно превышает планируемый отбор. Оцениваемые согласно заявленной потребности запасы, даже в условиях уменьшения питания подземных вод, полностью обеспечены. В отдаленной перспективе, за пределами расчетного срока оценки запасов, на возможность использования подземных вод может повлиять подтягивание загрязненных вод со стороны промышленного узла и малоэтажной застройки.
3. При оценках запасов подземных вод прогнозы изменения гидродинамических показателей базируются на проектных значениях отбора, а прогнозы изменения качества — на текущих оценках интенсивности и расположения источников загрязнения. Фактические изменения гидрогеологических условий значительно (в геофильтрационной части — кардинально) отличаются от прогнозируемых. В связи с этим необходим постоянный целенаправленный мониторинг подземных вод в процессе эксплуатации, а при изменениях, приводящих к необходимости корректировки схемы и режима эксплуатации водозабора — переоценка запасов.
© Битейкина М.Н., Ершов Г.Е., Язвин А.Л., 2025
