Oценка прогнозного качества подземных вод на участке действующего водозабора в сложных гидрохимических условиях с применением математического моделирования (на примере на Осинского участка Красноармейского МППВ)
- Зубанова Т.Н., Ершов Г.Е., Язвин А.Л.
DOI: 10.53085/0034-026X_2025_2_72
УДК 550.8.013
Охарактеризованы основные особенности формирования химического состава подземных вод в казанских отложениях верхней перми при длительной эксплуатации групповым водозабором. Описаны основные результаты решения обратных и прогнозных задач, предложена рациональная схема эксплуатации Осинского водозабора.
Ключевые слова: водоснабжение, схематизация, геомиграционное моделирование, прогнозные задачи, запасы подземных вод.
Водоснабжение многих населенных пунктов Самарской области осуществляется за счет подземных вод казанских отложений верхней перми. Осинский водозабор, расположенный в Безенчукском районе области, эксплуатирует подземные воды казанского водоносного комплекса на Осинском участке Красноармейского МПВ. Он работает с 1964 г. и в настоящее время используется для подачи воды в с. Красноармейское и 25 населенных пунктов в Красноармейском районе. На протяжении последних сорока лет основной проблемой на водозаборе является некондиционное качество подземных вод, обусловленное подтягиванием вод повышенной минерализации и жесткости из залегающего ниже водоносного нижнепермского комплекса.
Участок расположен в пределах Жигулёвско-Пугачёвского свода, приурочен к западному крылу Покровского поднятия, ось которого ориентирована с юга на север. Доплиоценовый рельеф района характеризуется развитием переуглубленных долин, заполненных отложениями неогена. Геологический разрез участка до кровли каменноугольных отложений, являющейся нижней границей месторождения, представлен комплексом переслаивающихся нижнепермских, верхнепермских, неогеновых и четвертичных отложений (рис. 1). В геоморфологическом отношении участок расположен на водоразделе рек Волга, Чапаевка, Безенчук и Чагра, ограничивающих участок соответственно с севера, востока, запада и юга.
Рис. 1. Геолого-гидрогеологический разрез Осинского участка Красноармейского МППВ: 1 — водоносный акчагыльский терригенный комплекс (пески, глины); 2 — водоносный казанский карбонатный комплекс (доломиты, известняки, мергели, доломитовая мука, ангидриты); 3 — слабоводоносный верхне-среднеюрский терригенный комплекс (пески, глины); 4 — водоносный нижнепермский сульфатно-карбонатный комплекс (доломиты, известняки, гипсы, ангидриты); 5 — уровень подземных вод казанского водоносного комплекса; 6 — пески; 7 — известняки; 8 — суглинки; 9 — глины; 10 — доломиты; 11 — ангидриты; 12 — доломитовая мука; 13 — мергели; 14 — трещиноватость; 15 — скважина гидрогеологическая (цифра сверху — номер по карте, закраска соответствует химическому составу воды в опробованном интервале глубин; цифра справа — минерализация воды (г/л); цифра внизу — глубина скважины (м)
Основной продуктивный водоносный горизонт рассматриваемой территории приурочен к известнякам и доломитам казанского яруса. Казанский водоносный комплекс в районе работ напорно-безнапорный. Верхним водоупором, как правило, служат темно-серые плотные глины акчагыльского яруса. В местах отсутствия глин, когда акчагыльские пески залегают непосредственно на казанских известняках, образуется единый водоносный горизонт со свободной поверхностью уровня подземных вод. Нижним водоупором служат маломощные прослои лингуловых глин и мергелей, залегающих в основании казанских отложений. Глинистый водоупор крайне невыдержанный, имеет фрагментарное распространение, поэтому между казанским и нижнепермским водоносными комплексами в пределах Осинского участка существует тесная гидравлическая связь. Водовмещающими отложениями залегающего ниже нижнепермского водоносного сульфатно-карбонатного комплекса являются слаботрещиноватые известняки и доломиты с прослоями гипсов и ангидритов. В естественных гидродинамических условиях уровень казанского водоносного комплекса находится выше уровня нижнепермского водоносного комплекса, что обусловливает нисходящую фильтрацию. В нарушенных условиях, обусловленных эксплуатацией водозаборов, возникает подток снизу, из нижней перми, и, как следствие, происходит ухудшение качества подземных вод.
До начала эксплуатации Осинского водозабора и в первые годы его работы вертикальной зональности в казанском водоносном комплексе не наблюдалось, подземные воды имели гидрокарбонатный, хлоридно-гидрокарбонатный, смешанный, кальциево-натриевый или натриево- кальциевый состав, с минерализацией не более 0,4–0,5 г/л и жесткостью до 5 °Ж. При этом подземные воды, заключенные в карбонатных породах нижнепермского возраста, характеризовались вертикальной гидрогеохимической зональностью, проявляющейся в увеличении минерализации и жесткости вниз по разрезу: от 0,3–0,7 г/л в верхней части разреза до 1,5–3 г/л — в нижней.
Работы по оценке запасов для потребителей Красноармейского и прилегающих районов Самарской области выполнялись в 1973 г. и 1997–1999 гг. В период оценки запасов в 1973 г. водозабор эксплуатировался пятью скважинами глубиной 140–180 м, по результатам работ проектировалось дополнительно бурение шести эксплуатационных скважин глубиной 170 м. На момент утверждения запасов, при водоотборе не более 5,2 тыс. м3/сут, минерализация воды в скважинах составляла 0,2–0,4 г/л, жесткость 1,8–4,3°Ж. Считалось, что ухудшения качества воды в процессе эксплуатации не ожидается. Запасы подземных вод были утверждены в количестве 22,5 тыс. м3/сут по категориям А+В.
Тем не менее, по мере увеличения водоотбора до 22–23 тыс. м3/сут, ко второй половине 1980-х годов минерализация воды в смеси поднялась до 1,2–1,3 г/л, жесткость — до 12–13 °Ж. В отдельных скважинах вода по химическому составу стала хлоридной и сульфатной натриевой с минерализацией до 1,4–1,8 г/л, общей жесткостью — до 15–20 °Ж.
Необходимо подчеркнуть, что фактическое расположение скважин (число их увеличилось до 11) отличалось от схемы, принятой при подсчете запасов. Компактное размещение скважин и, соответственно, значительные удельные нагрузки на продуктивный горизонт являются одним из основных факторов, определяющих повышение минерализации и жесткости. Второй фактор — это переуглубление скважин, что способствует подтягиванию подземных вод из более глубоких интервалов разреза.
В 1997–1999 гг. институтом Средволгогипроводхоз был выполнен комплекс исследований, в т.ч. буровых и гидрогеохимических работ (поинтервальное опробование) и переоценка запасов методом численного моделирования (СП «Геолинк»). Для проведения прогнозных расчетов в итоговом варианте рассматривалось 8 существующих скважин и 12 проектируемых, расположенных в восточном и южном направлениях от действующего водозабора. Прогноз минерализации был выполнен по балансовым составляющим запасов, прогнозная минерализация в смеси составила 0,86 г/л. По результатам экспертизы запасы в количестве 22,5 тыс. м3/сут по новой схеме утверждены не были.
В настоящее время водоотбор осуществляется из девяти скважин, оборудованных как на верхнюю часть казанского водоносного комплекса (водоприемная часть до глубины 140–160 м), так и на нижнюю (170–180 м). При современном водоотборе (8–10 тыс. м3/сут) качество подземных вод казанского водоносного комплекса на Осинском водозаборе не соответствует требованиям СанПиН 1.2.3685-21 по величинам минерализации, достигающей в отдельных скважинах 2,0 г/л, общей жесткости (до 16 °Ж), концентрациям хлоридов и натрия. После смешения воды из скважин в Красногвардейском групповом водопроводе вода имеет хлоридный анионный состав, по катионам смешанный, вода слабосолоноватая с величиной сухого остатка 1,1 г/л, общей жесткостью до 12,3 °Ж. Пресные подземные воды на водозаборе извлекают только из скважины № 3. Они представляют собой пресные умеренно жесткие с величинами минерализации и общей жесткостью 0,3–0,5 г/л и 4,9–5,9 °Ж соответственно, хлоридно-гидрокарбонатные магниево-кальциевые.
В 2023–2024 гг. АО «ГИДЭК» выполнен комплекс работ по переоценке запасов подземных вод казанского водоносного комплекса на Осинском участке Красноармейского месторождения. В соответствии с Техническим заданием, работы должны обеспечить сохранение стабильности качества воды при водоотборе в количестве 22,5 тыс. м3/сут (в пределах предоставленного горного отвода).
Таким образом, поставленную задачу можно сформулировать следующим образом:
— по сравнению с современным периодом — увеличить добычу приблизительно в 2,5–3 раза без изменения величины общей жесткости, составляющей 8–11 °Ж;
— по сравнению с периодом 1985–1991 гг. — сократить величину общей жесткости c 12–13 °Ж до 8–11 °Ж без изменения объема добычи воды.
Анализ материалов эксплуатации водозабора показывает, что оценка запасов должна производиться применительно к новой схеме, предусматривающей снижение удельной площадной нагрузки на водозаборный участок, с целью уменьшения интенсивности вертикального притока снизу и исключение из процесса водоотбора интервалов эксплуатации в нижней части разреза водоносного комплекса.
Подсчет запасов выполнен методом математического моделирования на разработанной численной модели. Фильтрационная среда в разрезе схематизирована 12-пластовой водоносной системой (рис. 2). Обоснование геомиграционной модели проводилось путем решения обратной нестационарной задачи по воспроизведению распределения величины минерализации по площади и разрезу для 65 лет эксплуатации Осинского водозабора. В начальных условиях заданы значения минерализации на период ввода в эксплуатацию Осинского водозабора: в казанском водоносном комплексе — от 0,3 г/л в верхней части до 0,7 — в нижней, в нижнепермском водоносном комплексе — от 0,7 г/л вверху до 1,5 г/л в нижнем слое. В последнем слое модели задана постоянная концентрация (ГУ-1) — 3 г/л.
Рис. 2. Схема задания коэффициентов фильтрации в вертикальном разрезе численной геофильтрационной модели Осинского участка Красноармейского МППВ: 1 — скважина, закраска — фильтр; 2 — № слоя модели
Были рассмотрены периоды: максимального водоотбора (1990 г.), переоценки запасов (1999 г.) и современный (2019 и 2023 гг.). При решении миграционных задач были внесены изменения в фильтрационные параметры казанского и нижнепермского водоносных комплексов. В казанском водоносном комплексе в двух пластах, сложенных трещиноватыми известняками и характеризующихся хорошим водопритоком, был увеличен коэффициент фильтрации с 10 до 20 м/сут, выделена зона повышенной трещиноватости в верхнем пласте от места расположения скважины № 3 в сторону Покровского поднятия, в которой коэффициент фильтрации увеличен до 30 м/сут. Выделение данной зоны обусловливает приток пресной воды со стороны Покровского поднятия, где казанский водоносный горизонт практически выходит на поверхность и получает инфильтрационное питание. Горизонтальный коэффициент фильтрации нижнепермских отложений был увеличен подбором с 1 до 3 м/сут, вертикальный с 0,01 до 0,3 м/сут.
На модели получено увеличение минерализации в нижних пластах казанского водоносного комплекса в пределах эксплуатируемого участка (рис. 3) практически до тех же значений, какие были в эксплуатационных скважинах (интервалы водоприемной части в скважинах поставлены в соответствующие слои модели). При расчете средневзвешенных модельных значений (минерализация воды в смеси) получены те же цифры, что и фактическая минерализация в групповом водоводе.
Рис. 3. Модельный профиль распределения минерализации в современных условиях: 1 — № слоя модели; 2 — изолинии минерализации (г/л); 3 — скважина, закраска — фильтр
Интересным фактом являлось то, что при общей тенденции к росту минерализации и жесткости подземных вод по эксплуатационным скважинам за счет подтягивания более минерализованных вод из нижних частей разреза при увеличении водоотбора, по одной из них (скважина № 3) весь период эксплуатации отмечалось сохранение достаточно стабильных кондиционных показателей качества. Объяснение этому было получено только при анализе гидродинамической сетки движения подземных вод, полученной на разработанной численной модели. На рис. 4 показаны линии тока вверх по потоку подземных вод от эксплуатационных скважин. Осинский участок приурочен к западному крылу Покровского поднятия. На расстоянии 3–4 км от участка водозабора казанский водоносный комплекс является безнапорным и получает инфильтрационное питание непосредственно за счет атмосферных осадков. Из рисунка видно, что с Покровского поднятия при работе водозабора подземные воды поступают только в скважину № 3. Таким образом, хорошее качество воды в ней объясняется постоянным притоком пресных вод, сформированным за счет инфильтрационного питания. Соответствие сохранения качества воды в скважине № 3 было получено на модели при учете этого фактора в процессе решения обратных миграционных задач. Никаких других реально возможных вариантов длительного сохранения качества в скважине № 3 при эксплуатации нет.
Рис. 4. Гидродинамическая сетка в казанском водоносном комплексе при эксплуатации водозабора: 1 — эксплуатационная скважина; 2 — изолинии подошвы казанских отложений; 3 — линии тока; 4 — река; 5 — участок работ
Расчет баланса показал, что основными источниками формирования запасов подземных вод на участке являются динамические ресурсы: перехват потока подземных вод, разгружающегося в речную сеть в естественных условиях (51 %), а также перетекание из верхних водоносных горизонтов (43 %). В естественных условиях перетекание из нижнепермского водоносного комплекса составляет менее 1 %. В условиях, нарушенных эксплуатацией казанского водоносного комплекса, дополнительный приток к водозабору формируется как за счет увеличения притока с границ участка и уменьшения оттока на границы (перехват транзитного потока), так и за счет увеличения притока снизу, из нижнепермского водоносного комплекса, доля которого в общем балансе составляет 20–22 % независимо от количества водоотбора.
Относительная стабильность качества подземных вод, наблюдающаяся на водозаборе при уменьшении водоотбора с 2000-х годов, получена и при моделировании. По результатам решения обратных задач сделаны выводы, что после того, как в процессе максимальной эксплуатации произошло основное изменение качества подземных вод за счет подтягивания более жестких и минерализованных вод из нижней части разреза, последующие изменения качества воды в смеси обеспечивались не столько снижением суммарного водоотбора и баланса притоков в целом, сколько привлечением к водоотбору скважин, оборудованных фильтрами в верхних частях разреза. Данный вывод позволил выстроить стратегию прогнозирования.
При проведении прогнозного моделирования были рассмотрены несколько вариантов схемы водозабора и конструкций скважин при проектном водоотборе 22,5 тыс. м3/сут:
— вариант 1 — проектный водоотбор из 8 действующих эксплуатационных скважин с фактической конструкцией и 4 проектных глубиной не более 160 м;
— вариант 2 — проектный водоотбор из 8 действующих скважин, три из которых предлагается переоборудовать до меньшей глубины (150–160 м) и 4 проектных;
— вариант 3 — проектный водоотбор распределен на 8 действующих эксплуатационных скважин с фактической конструкцией;
— вариант 4 — водоотбор, соответствующий подсчитанным запасам в 1973 г. по утвержденной схеме;
— вариант 5 — водоотбор, соответствующий подсчитанным запасам в 1999 г. по предложенной схеме.
Результаты прогнозного моделирования представлены в таблице.
Таблица. Результаты прогнозного моделирования
Результаты гидродинамических расчетов при подсчете запасов в 1973 и 1999 гг. практически совпали с результатами моделирования (4 и 5 варианты). Геомиграционное моделирование в 1973 и 1999 гг. не проводилось. По результатам расчетов, выполненных на вновь разработанной модели, значения минерализации составили соответственно 1,2 г/л и 1,0 г/л. Подчеркнем, что проектная схема водозабора 1999 г. предполагала значительное увеличение количества скважин и площади их размещения.
Требованию сохранения качества воды при отборе в размере заявленной потребности в пределах выделенного горного отвода удовлетворяет второй вариант прогноза, при котором рекомендуется продолжить эксплуатацию водозабора с помощью действующих скважин и проектных, оборудованных на верхнюю часть казанского водоносного комплекса. По результатам прогнозных расчетов жесткость воды в скважинах ожидается от 5–7 °Ж до 11–13 °Ж, в смеси — 8–9 °Ж.
В действующих скважинах предлагается выполнить тампонаж нижней части водоносных интервалов, чтобы их конечная глубина не превышала 160 м. В этом случае минерализация подземных вод в смеси составит 0,87 г/л, ожидаемая жесткость в смеси — 8–9 °Ж. В верхней эксплуатируемой части казанского водоносного комплекса качество подземных вод практически не ухудшится по сравнению с современным, минерализация составит 0,4–0,5 г/л, в нижней — ориентировочно до глубины 160 м минерализация подземных вод увеличится не более, чем на 0,1 г/л и составит в разных скважинах от 0,9 до 1,9 г/л (рис. 5).
Рис. 5. Схематическая карта распределения минерализации в подошве казанского водоносного комплекса по результатам моделирования (прогнозный вариант 2): 1 — эксплуатационная скважина и ее номер; 2 — проектная водозаборная скважина; 3 — участок работ
На примере Осинского водозабора при помощи математического моделирования определено, что в подобных сложных гидрохимических условиях эксплуатации месторождения групповым водозабором для минимизации подтягивания некондиционных вод снизу скважины должны быть рассредоточены по площади и каптировать верхние интервалы продуктивного водоносного горизонта.
© Зубанова Т.Н., Ершов Г.Е., Язвин А.Л., 2025
