Обоснование схемы водозабора подземных вод Приморской ТЭС в Калининградской области в условиях неоднородности целевого четвертичного водоносного горизонта
- Автор: Олиферова О.А., Козак С.З.
Неоднородность четвертичного водоносного комплекса, сложенного межморенными водоносными отложениями и глинистыми отложениями морен в области ледниковой аккумуляции на юге Калининградского полуострова, изучена методом наземной геофизики (ЗСБ-ЗМПП) и при проведении кустового опытно-фильтрационного опробования в процессе разведки Приморского месторождения подземных вод. Разработанная на основе этих исследований схема неоднородности целевого днепровско-московского межморенного водоносного горизонта дала возможность обосновать схему водозабора Приморской ТЭС, применительно к которой были оценены запасы подземных вод.
Ключевые слова: Приморское месторождение подземных вод, наземная геофизика (ЗСБ-ЗМПП), схема неоднородности, интерпретация откачек, проектная схема водозабора, численное моделирование, оценка запасов подземных вод
Необходимость проведения гидродинамических расчетов для неоднородных водоносных горизонтов требует постановки специальных полевых исследований и построения по их результатам моделей изменчивости, отражающих природную фильтрационную неоднородность [1]. В качестве примера подхода к обоснованию схемы неоднородности целевого водоносного горизонта является использование для этой цели результатов геофизических и опытно-фильтрационных работ, выполненных в процессе проведения разведки Приморского месторождения подземных вод.
В соответствии с Планом мероприятий «Об обеспечении энергоснабжения Калининградской области и объединенной энергетической системы Северо-Запада России» в 2014 году началось строительство Приморской ТЭС на берегу Калининградского морского канала Балтийского моря на расстоянии 7 километров от западной окраины г.Калининграда. Водоснабжение Приморской ТЭС в количестве 5150м3/сут было решено обеспечивать за счёт использования подземных вод. В 2016-2018 г.г. с целью обеспечения водоснабжения строящейся Приморской ТЭС компаниями ЗАО «ГИДЭК» (г.Москва) и ООО «СКМСТРОЙГРУПП» (г.Калининград) была выполнена разведка подземных вод по результатам которой было выделено Приморское месторождение и оценены запасы подземных вод.
Территория Калининградского полуострова, в южной части которого расположено Приморское месторождение подземных вод, является юго-западной частью Прибалтийского артезианского бассейна. Верхний мезо-кайнозойский гидрогеологический этаж артезианского бассейна состоит из меловых, неогеновых, палеогеновых и четвертичных водоносных комплексов, приуроченных к зоне интенсивного водообмена. Главной областью питания мезо-кайнозойских отложений являются Мазурские высоты, местные области питания расположены на Самбийско-Надрувской возвышенности. Региональной областью разгрузки подземных вод служит Балтийское море и долины крупных рек.
В соответствии со «Сводной укрупненной гидрогеологической стратификацией Прибалтийского артезианского бассейна» [2] в пределах территории Калининградской области развиты следующие гидрогеологические подразделения (рис.1):
IId-ms-водоносный днепровско-московский озерно-аллювиальный и флювиогляциа- льный нерасчлененный межморенный горизонт;
gIId- водоупорный локально-водоносный днепровский горизонт;
fIId- водоносный днепровский флювиогляциальный горизонт;
Iok-Id- водоносный окско-днепровский межморенный горизонт;
gIok- водоупорный локально водоносный окский горизонт;
P23pr - водоупорный среднепалеогеновый горизонт прусской свиты;
P23al- водоносный среднепалеогеновый горизонт алкской свиты;
P2sb+P1-водоупорный средне-нижнепалеогеновый горизонт;
K2- водоносный верхнемеловой горизонт;
K2- водоупорный верхнемеловой горизонт
Основными источниками водоснабжения на рассматриваемой территории являются подземные воды межморенных днепровско-московского и окско-днепровского горизонтов и в меньшей степени палегенового и верхнемелового водоносных горизонтов.
Поскольку Калининградский полуостров находится в области ледниковой аккумуляции, верхняя часть гидрогеологического разреза представлена водоносными горизонтами в межморенных отложениях, разделенных глинистыми отложениями морен. Четвертичные отложения развиты в области повсеместно и имеют мощность от первых метров до 280 м. На рис.1 показано распространение водоносных и слабопроницаемых горизонтов, представленных четвертичными отложениями, а также сложный рельеф кровли палеогеновых отложений с поднятиями и переуглубленными долинами. Кровля дочетвертичных отложений в центральной части области погружается с севера на юг. Абсолютные отметки подошвы четвертичных отложений изменяются от 48м на юго-западе области до минус 130м на юго-востоке. По всей территории встречаются глубокие долины вреза в дочетвертичную поверхность в основном субмеридионального направления. В обширной области с отметкой кровли палеогеновых отложений от -40м до -20м окско-днепровский водоносный горизонт отсутствует, а днепровско-московский залегает непосредственно на палеогеновых отложениях (рис.1). В области поднятия кровли палеогеновых отложений выше отметки -30м, днепровско-московский водоносный горизонт имеет малую мощность, а на отдельных участках отсутствует, поскольку водоносные пески замещаются слабопроницаемыми супесями и суглинками.
Водоносный днепровско-московский межморенный горизонт (IId-ms) прослеживается в виде линз, залегающих на днепровской морене, перекрывается ледниковыми валдайскими осадками, мощность горизонта колеблется от 3м до 36м. Водовмещающие отложения представлены песками различной зернистости и гравийно-галечными отложениями, удельные дебиты скважин изменяются от 0,02 л/с до 27,8 л/с.
Водоносный окско-днепровский межморенный горизонт (Iok-IId) залегает на палеогеновых осадках и перекрывается днепровской мореной, представлен разнозернистыми и тонкозернистыми песками, песчано-гравийно-галечными отложениями. Мощность отложений изменяется от 2,0 м до 42,0 м (в палеодолинпх мощность увеличиваеися), удельные дебиты скважин изменяются от 0,01 л/с до 24,2л/с.
Какие-либо четкие закономерности условий залегания этих водоносных горизонтов и изменения их фильтрационных свойств в плане и в разрезе на участке Приморской ТЭС по фондовым материалам выявить не удалось. Следует отметить, что участок Приморской ТЭС на момент начала разведочных работ был практически не изучен – на нем не было ни одного водозабора и вообще ни одной скважины. Ближайшие водозаборы «Балттехпром» и «Содружество Соя» эксплуатируют палеогеновый водоносный горизонт, а четвертичные отложения представлены на этих участках слабопроницаемыми суглинками и супесями (рис.1). Таким образом, при проектировании разведочных работ на этом участке ориентировались на то, что будущий водозабор будет эксплуатировать палеогеновый и меловой водоносные горизонты.
Изучение строения гидрогеологического разреза на первом этапе разведочных работ на участке Приморской ТЭС было выполнено методом наземной геофизики – было отработано два профиля электротомографии, по которым было установлено, что в верхней части разреза (глубина кровли 15-20м, мощность около 20м) залегает песчаный слой, предположительно с высокими фильтрационными свойствами, который отличается сильной изменчивостью в плане вплоть до полного выклинивания с переходом в слабопроницаемые глинистые отложения. С помощью бурения пилотной скважины (и каротажа) было заверено наличие в верхней части гидрогеологического разреза участка Приморской ТЭС песчаного водоносного горизонта с высокими фильтрационными свойствами, который следует включить в расчетную схему водозабора.
Для получения достоверных величин геофильтрационных параметров трех целевых водоносных горизонтов, выделенных на площадке проектного водозабора Приморской ТЭС был пробурен и оборудован опытный куст, в скважинах которого был выполнены комплекс опытно-фильтрационного опробования: кустовые откачки из четвертичного и палеогенового водоносных горизонтов, а также одиночная откачка из мелового водоносного горизонта. Опытный куст состоит из трех разведочно-эксплуатационных скважин на три горизонта: 7р/э (четвертичный), 8р/э (палеогеновый), скважина 6р/э (меловой) и 6 наблюдательных скважин, четыре из которых на четвертичный водоносный горизонт и две на палеогеновый (рис. 2).
Кустовая откачка из четвертичного водоносного горизонта была проведена в течение 17 суток с дебитом Q = 10,2 л/с (восстановление уровня – 7 суток). Индикаторные графики временного прослеживания снижения S-lgt и восстановления уровня S*-lgt для четырех наблюдательных скважин сливаются в одну линию (рис.3), тогда как график комбинированного прослеживания S-lgt/ r2 представляет собой четыре отдельные кривые. Такая форма графиков свидетельствует о наличии плановых границ в опробуемом пласте и поэтому расчет геофильтрационных параметров возможен только методом моделирования с учетом схемы неоднородности опробуемого водоносного горизонта.
Для оценки плановой неоднородности выделенного песчаного горизонта была выполнена электроразведка, основной целью которой являлось выделение и оконтуривание в отложениях четвертичного возраста зон, сложенных хорошо проницаемыми песками. Для решения этой задачи применялась электроразведка в модификации индукционных электрозондирований ЗСБ-ЗМПП. Этот метод обладает более высокой чувствительностью по сравнению с методами постоянного тока (ВЭЗ, электротомография) при выделении хорошо проводящих прослоев. Полевые измерения были выполнены по 11 профилям (рис.4).
Интерпретации результатов индукционных зондирований выполнялась при построении геоэлектрических разрезов с корреляцией выделенных горизонтов по профилю и оценкой литологического состава выделенных геоэлектрических горизонтов с учетом результатов буровых работ и геофизических исследований в скважинах. Выделенные геоэлектрические горизонты увязываются со следующими литотипами:
- УЭС 14-30 Омм (иногда до 40- 50 Омм) - суглинки плотные, иногда опесчаненные, мощность этого горизонта от 8-10 м до 20-25.
- УЭС 30-50 Омм (иногда до 70-80 Омм) - суглинки с валунами с подчиненными прослоями супесей и глинистых песков, мощность горизонта от 10-15м до 35–40 м на участках, где он заполняет структуры, подобные палеоврезам.
- УЭС 80-150 Омм (иногда до 200 Омм) - пески разнозернистые, промытые, иногда с гравием, мощность горизонта составляет 10-15м, редко до 20м. Отличительная особенность этих песчаных отложений - локальное залегание в виде зон различного размера с коэффициентами фильтрации 5 – 10 м/сут, иногда до 20 м/сут и более.
- УЭС 7-12 Омм (иногда до 13-16 Омм) - глины, иногда опесчаненные мощностью от 20-25м на западе участка до первых метров на восток вплоть до полного выклинивания.
- УЭС 50-70 Омм - палеогеновые тонкозернистые, возможно глинистые пески распространены по всему участку, коэффициентами фильтрации 1-3 м/сут.
Построенные геоэлектрические разрезы были обобщены в виде схемы неоднородности четвертичного водоносного горизонта на территории, прилегающей к Приморской ТЭС (рис. 4).
Характеристика фильтрационных параметров зон неоднородности в четвертичном днепровско-московском межморенном водоносном горизонте, выделенных при проведении наземной геофизики была получена в процессе калибровки модели Приморского месторождения подземных вод. При анализе результатов полевых работ и фондовых материалов в процессе геофильтрационной схематизации были обобщены данные о коэффициентах фильтрации четвертичных водоносных горизонтов в области формирования запасов подземных вод Приморского месторождения. В соответствии с этими материалами, в качестве начальных величин коэффициентов фильтрации для разных зон, выделенных в пласте в соответствии со схемой неоднородности по величине удельного электрического сопротивления в геофильтрационной схеме были приняты:
- К2=60 м/сут в области с величиной высокого удельного электрического сопротивления =180-200 ом*м,
- К2 =40 м/сут в области =150-180 ом*м,
- К2 =10 м/сут в области = 60-150 ом*м,
- К2 =0.1 м/сут в области менее 60 ом*м
Калибровка модели Приморской ТЭС в части задания фильтрационной неоднородности четвертичного водоносного горизонта выполнялась в процессе решения обратной задачи, в которой воспроизводилась кустовая откачка из четвертичного водоносного горизонта на участке Приморской ТЭС, фактические данные по которой приведены на рис.2 и рис.3.
На первом этапе решения обратной задачи была проведена автоматическая калибровка модели с помощью программы WinPEST. Полученное при этом соотношение параметров использовалось в качестве основного варианта для оценки чувствительности понижений в четвертичном водоносном горизонте к изменению геофильтрационных параметров. Окончательное решение обратной задачи выполнялось методом «ручного» подбора по графикам сопоставления расчетных и натурных понижений изменения уровня в наблюдательных скважинах. Наиболее близкие к натурным изменения расчетных уровней были получены при следующем соотношении Kx/Kz горизонтальных и вертикальных коэффициентов фильтрации и η* упругой емкости породы второго расчетного пласта модели (четвертичный горизонт):
- Kx/Kz =40/4 м/сут, η*= 10-4 1/м в области =180-200 ом*м,
- Kx/Kz =30/3 м/сут, η*= 6*10-6 1/м в области =150-180 ом*м,
- Kx/Kz =10/0.1 м/сут η*= 2*10-5 1/м в области = 60-150 ом*м,
- Kx/Kz =0.1/0.01 м/сут в области менее 60 ом*м,
Результаты выполненных на участке Приморской ТЭС буровых, опытно-фильтрационных, геофизических работ дали возможность обосновать схему проектного водозабора. Основными целевыми водоносными горизонтами являются четвертичный, палеогеновый и верхнемеловой. Оптимальной схемой водозабора могут быть ярусные кусты скважин, каждая из которых эксплуатирует один из трех целевых водоносных горизонтов.
Для обоснования проектных дебитов водозаборных скважин, их количества и схемы расположения, были проведены групповые откачки из одного, двух и трех ярусных кустов скважин. Распределение эксплуатационной нагрузки между тремя водоносными горизонтами в одном кусте скважин, полученное при групповом опытно-фильтрационном опробовании трех кустов эксплуатационных скважин составило:
- четвертичный горизонт – 7.2 л/с (622 м3/сут ),
- палеогеновый – 2.3-3.1 л/с (200-268 м3/сут),
- меловой - 2.5 л/с (216 м3/сут).
Откачка проходила при неустановившемся режиме уровней в течение месяца и стабилизация уровней не была достигнута. Экстраполяция графиков временного прослеживания понижения уровней в скважинах при групповой откачке из трех кустов на расчетный срок 25 лет показала, что при суммарном водоотборе при откачке 2820 м3/сут (половина перспективной потребности) расчетные прогнозные понижения не превысят допустимые. Расчетные прогнозные понижения на 25 лет при суммарном заявленном перспективном водоотборе 5150 м3/сут по результатам моделирования превысили допустимые понижения в четвертичном водоносном горизонте на 3-4 м. Это связано со значительной плановой неоднородностью четвертичного водоносного горизонта, которая была выявлена и закартирована при проведении геофизических исследований и подтверждена бурением картировочных скважин. В условиях этой неоднородности при групповой откачке наблюдался высокий темп снижения уровня. Область с высокими фильтрационными свойствами четвертичного водоносного горизонта ограничена, что определяет значительные расчетные понижения в этом пласте.
Повариантное прогнозное моделирование позволило установить проектное соотношение дебитов в ярусных кустах скважин будущего водозабора, при котором возможно уменьшение прогнозных понижений в четвертичном и палеогеновом водоносных горизонтах при сохранении эксплуатационной нагрузки на один куст 10.0 л/с (864 м3/сут):
- четвертичный горизонт – 5.0 л/с (432 м3/сут),
- палеогеновый – 2.5 л/с (216 м3/сут),
- меловой - 2.5 л/с (216 м3/сут)
В этом случае заявленная перспективная потребность 5150 м3/сут будет обеспечена водоотбором из 6 ярусных кустов скважин и понижения уровней в трех эксплуатируемых пластах не превысят допустимые (рис.5).
Применительно к обоснованной схеме проектного водозабора на участке Приморской ТЭС в рамках оценки запасов подземных вод были выполнены прогнозные расчеты с целью оценки возможности отбора подземных вод в размере заявленной потребности при выполнении гидродинамических ограничений с учетом взаимодействия с водозаборами на участках распределенного и нераспределенного фонда недр, расположенными на прилегающей территории.
Запасы подземных вод четвертичного, палеогенового и мелового водоносных горизонтов Приморского месторождения (участок проектного водозабора Приморской ТЭС) по состоянию на 01.05.18 составили 5150 м3/сут по категории В+С1 (В=3672 м3/сут, С1=1478 м3/сут) Запасы подземных вод оценены впервые применительно к проектной схеме водозабора, состоящего из 6 ярусных кустов эксплуатационных скважин на три целевые водоносные горизонта: четвертичный - 2592 м3/сут, палеогеновый - 1296 м3/сут и меловой - 1262 м3/сут.
Литература
- Мироненко В.А., Шестаков В.М. Теория и методы интерпретации опытно-фильтрационных работ.М., «Недра», 1978 г., 325 с.
- Стратиграфия Калининградского региона (под реакцией Г.С.Харина). МПР России. Калининград, 2001г. 226 с.