Оптимизация опорной наблюдательной сети на территориальном уровне

Подробности

Автор: Шуваткин К.Н., Устинова Г.В.

Одним из самых острых и актуальных вопросов, который стоит на современном этапе перед службой Государственного мониторинга подземных вод (ГМПВ), является вопрос оптимизации государственной опорной сети, которая призвана поставлять достоверную информацию о состоянии подземных вод. Необходимость, проблемы и пути оптимизации опорной сети рассматриваются на примере среднестатистического субъекта РФ - Саратовской области.

По трудозатратам и объему финансирования работ, выполняемых на объектах изучения ГМПВ, наблюдения по опорной сети и ее содержание составляют существенно значимый блок.

В Саратовской области система регулярных наблюдений за режимом подземных вод стала складываться с начала 50-х годов. Наблюдательная сеть была исторически сформирована для решения конкретных задач, поставленных перед режимной службой. Первые пункты наблюдений были оборудованы в южной части Заволжья (участок Александров-Гай) с целью изучения режима подземных вод для обоснования планируемых работ по гидротехническому строительству. С конца 1958 года организованы регулярные наблюдения за уровнем, температурой, химическим составом грунтовых вод при формировании подпора в зоне влияния Волгоградского, а затем Саратовского водохранилищ. С 1962 года начаты наблюдения на ключевых постах оросительных систем Заволжья. Основная часть наблюдательных пунктов была открыта за период 1970 – 1985 г.г., когда оборудовались скважины для наблюдений за фоновым состоянием подземных вод, для изучения влияния стоков животноводческих комплексов на качество подземных вод, для наблюдений за процессом подтопления городских территорий (г.г. Энгельс, Саратов, Красный Кут).

От системы изучения режима подземных вод при организации государственного мониторинга подземных вод в конце XX столетия, были унаследованы как сама наблюдательная сеть скважин, так и регламент и методика наблюдений.

В период 2001 – 2002 годы НВ ГИДЭК были выполнены работы по анализу сложившейся за многолетний период опорной сети на подземные воды Саратовской области, а также проанализирована практическая ценность получаемой информации по отдельным пунктам и объемы ее использования при обобщении материалов на федеральном и территориальном уровне. Выполнены полевые работы по обследованию наблюдательных участков и техническому состоянию скважин, проведен комплекс опытных и полевых гидрогеохимических работ, которые позволили установить достоверность получаемой по опорной сети информации.

Саратовская область занимает площадь в 100,2 тыс. кв. км, общая численность населения области - 2,7 млн. человек. В гидрогеологическом отношении область относится к регионам со сложными условиями формирования подземных вод. В ее пределах выделяются три гидрогеологические подпровинции – артезианские бассейны II порядка: центральная часть Приволжско-Хопёрского - Правобережье области, южная часть Сыртовского и северная Северо-Каспийского – Левобережье, по региональному районированию безнапорно-субнапорных вод – 7 групп бассейнов регионального стока. Общие прогнозные эксплуатационные ресурсы пресных подземных вод оцениваются величиной 8 млн. куб.м/сут, степень разведанности прогнозных ресурсов составляет 8%.

Доля хозяйственно - питьевого водоснабжения населения Саратовской области за счет подземных вод невысокая - 22 % и составляет 213,0 тыс. м³/сут. Однако все большее внимание уделяется проблеме перевода водоснабжения населения области за счет подземных источников. В связи с этим возрастает роль ГМПВ на территориальном уровне, в рамках которого необходимо проведение оценки состояния водоносных горизонтов, в первую очередь эксплуатируемых и перспективных к эксплуатации для целей водоснабжения.

В организационном плане мониторинг подземных вод на территории Саратовской области функционирует на двух уровнях – государственном и локальном (объектном). Работы по государственному заказу проводятся территориальным центром государственного мониторинга геологической среды (ТЦ ГМГС), созданным в 1995 году на базе ФГУП “Саратовская гидрогеологическая экспедиция”.

На 01.01.2002 года опорная наблюдательная сеть на территории области состояла из 352 скважин, что составляло 3 % от общегосударственной сети. 22% скважин характеризуют естественное состояние подземных вод (природные объекты), остальные – нарушенное (простые и сложные природно-техногенные объекты). Большинство скважин контролируют первые от поверхности грунтовые водоносные горизонты. В середине 2002 года регулярные наблюдения были существенно сокращены, 196 скважин из-за отсутствия финансирования были законсервированы. Эти «законсервированные» скважины пополнили ряды заброшенных наблюдательных пунктов, которые в свое время не были включены в государственную опорную сеть.

Так как в 90-е годы в области произошли существенные изменения в производственно-хозяйственной сфере, информация по опорным скважинам, предназначенным для получения репрезентативных рядов многолетних наблюдений состояния подземных вод в типовых нарушенных условиях, в основном, стала не соответствовать поставленным задачам. Актуальными остаются наблюдения за природными объектами и за сложными природно-техногенными системами – в пределах городов Саратов, Энгельс, Балаково.

Обеспеченность гидрогеологических подрайонов, выделенных при проведении работ по оценке ПЭРПВ (2000 г.), наблюдательных скважин - низкая. Оцененные, эксплуатируемые или перспективные для водоснабжения населения водоносные горизонты контролируются: в пределах Приволжско-Хоперского АБ - 20 % наблюдательных скважин, Сыртовского бассейна – 72 % и Северо-Каспийского – 3 %. Остальные наблюдательные пункты поставляют информацию по неоцененным грунтовым водам.

Практическая ценность получаемой информации по отдельным пунктам опорной сети и объемы ее использования при обобщении материалов на федеральном и территориальном уровне несоизмерима затратам на ее получение, в анализе задействована информация не более чем по 30 % скважин.

Отдельным и наиболее важным вопросом является вопрос о достоверности информации, получаемой по наблюдательным скважинам вследствие технических и технологических причин, связанных с их оборудованием, технологиями измерения и опробования.

Анализ многолетних наблюдений показывает, что наиболее достоверны показатели наблюдений за уровнем грунтовых вод. Накоплены представительные ряды наблюдений, получены сезонные и годовые характеристики, величины инфильтрационного питания (что было использовано при подсчете ПЭРПВ, 2000 г.), изучено поведение УГВ по видам и разновидностям режима. Статистическая обработка временных рядов (VBRegim, Р.С. Штенгелов, МГУ, 2000) показала многолетнюю ветвь подъема УГВ, которая продолжается с 1998 года и по долгосрочным прогнозам (гармонический анализ со снятым трендом) продлиться до 2003 года. Интересен и тот факт, что корреляционная зависимость (с коэффициентом 0,6) стояния УГВ от индекса солнечной активности наиболее тесна при смещении последнего на 3 года назад (метод кросс - корреляции). Влияние же атмосферной циркуляции на колебания УГВ не имеет тесной корреляционной зависимости.

Статистическая обработка временных рядов УГВ по скважинам, расположенным в речных долинах области, показывает тесную их зависимость друг от друга (коэффициенты корреляции 0,64 – 0,97), что говорит о дублировании информации по 80 % скважин, контролирующих грунтовые воды.

При анализе изменений количественных показателей (пьезометрические уровни) межпластовых вод достоверность получаемой информации проблематична из-за отсутствия в большинстве наблюдательных скважинах изоляции от перетоков водоносных горизонтов. Тем самым основные, выделенные по оценке обеспеченности водоносные горизонты, не контролируются и не анализируются.

Если показатели гидродинамического режима подземных вод при составлении отчетной документации подвергаются анализу и осмыслению, то получаемые параметры по качественному составу подземных вод статистически не обрабатываются, а используются только при ежегодном составлении таблиц выявленных очагов загрязнения, где приводятся компоненты, содержание которых превышают действующие нормы и стандарты.

Идентичен ли химический состав пробы воды, отобранной из наблюдательной скважины, при существующей технологии отбора и техническом состоянии самой скважины, истинному составу подземной воды пласта? Построение многолетних временных хронологических графиков покомпонентного состава воды из наблюдательных скважин и рядом расположенных эксплуатационных скважин, показало их несоответствие. Вода, отобранная из наблюдательной скважины, имеет меньшую минерализацию; как правило, в ней занижены значения сульфат-иона, нитратов, завышены показатели pH. С 1997 года по опорной наблюдательной сети стали контролироваться растворенные нефтепродукты. Таблица выявленных очагов загрязнения сразу же пополнилась «очагами нефтепродуктового загрязнения» подземных вод. Анализ показал, что появление ураганных значений растворенных нефтепродуктов характерно для всех скважин, прокаченных компрессором в определенном промежутке времени перед отбором проб воды и зависело от масла, используемого для его работы.

Для натурного решения вопроса о техническом состоянии скважин и достоверности получаемой по ним информации в период 2002-2003 г.г. по наблюдательным скважинам проводились следующие опытные работы: экспресс откачки, ступенчатые гидрогеохимические и температурные опробования в процессе откачек, замеры восстановления уровней, резистивиметрия, опытные наливы. Для проведения сопоставительного гидрогеохимического анализа данных по водоносным горизонтам отбирались контрольные пробы из ближайших эксплуатационных скважин.

Откачка из скважины осуществлялась при помощи малогабаритного электропогружного насоса Grundfos – внешним диаметром 70 мм от передвижной электростанции. Насос по возможности опускался на глубину расположения интервала фильтра скважины. При этом производительность насоса регулировалась в зависимости от водопритока, количество отобранной во время откачки воды учитывалось по установленному водомерному счетчику.

При проведении откачки решался вопрос о правомочности ведения мониторинга качества и температуры подземных вод по опорной сети скважин при существующем техническом состоянии скважин и технологии наблюдений. Для этого проводилось ступенчатое температурное и полевое гидрогеохимическое экспрессное (лабораторией Merck) опробование через заданный период времени, соответствующий отбору определенного количества откачиваемой воды.

По мере извлечения определенного количества воды, менялись измеряемые показатели: минерализация, общая жесткость, температура, Eh, водородный показатель и железо. О приближении химического состава вод в опробуемой скважине к ее составу в водоносном пласте (что свидетельствует о достаточности предварительной прокачки) указывала стабилизация величин температуры, электропроводимости, pH и Eh, железа.

Контрольное опробование, проведенное во время опытных работ по наблюдательной скважине и одновременно из ближайшей водозаборной скважины, показало, что даже при отборе около 6 объемов столба воды мы не добиваемся абсолютного идентичного результата. Количество воды, которое необходимо откачать до установления стабильных показателей варьировало от 7 до 20 столбов воды.

Следует еще раз подчеркнуть, что по данным проведенных опытов замеры температуры в длительно простаивающих скважинах, которыми и являются наблюдательные опорные пункты, даже при задержке термометра на глубине интервала фильтра, не соответствуют температуре водоносного горизонта в пласте.

В результате проведенных работ выявлена непредставительность опорной государственной сети скважин, ее избыточность при неудовлетворительном техническом состоянии (более 90 % опорных скважин имеют высокую степень инерционности), а также, что особенно важно, недостоверность информации, поступающей от пунктов наблюдений по количественным и качественным показателям при существующей технологии производства работ. В связи с этим встает вопрос о ликвидации большого числа наблюдательных скважин в установленном порядке и их частичной замене.

Все выше сказанное не умаляет перспективы развития ГМПВ, так как правильно построенная система государственного мониторинга подземных вод может и должна стать основой для решения задач геологического изучения недр, направленной на информационное обеспечение управления ресурсами подземных вод и их рационального использования и охраны от загрязнения и истощения.

Все большее внимание в Саратовской области на современном этапе уделяется проблеме качественного хозяйственно-питьевого водоснабжения населения за счет подземных источников. В связи с этим возрастает роль ГМПВ на территориальном уровне, в рамках которого необходимо систематически оценивать состояние различных типов подземных вод по количественным и качественным показателям, включая состояние прогнозных ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод, соответствие их качества и условий эксплуатации требованиям стандартов, норм и правил, а также прогнозирование изменения состояния подземных вод под влиянием естественных природных факторов, недропользования и других видов антропогенной деятельности.

Государственная опорная сеть, которая должна обеспечивать информацию для решения задач ГМПВ, должна быть реорганизована. По результатам проведенного анализа такая сеть системы ГМПВ Саратовской области может быть представлена в следующем виде:

- Из существующей сети государственных опорных скважин, контролирующих фоновое состояние грунтовых вод, сохраняются 18 скважин, имеющие представительные ряды, отвечающие требованиям, предъявляемым к техническому состоянию опорного пункта и расположенные в различных гидрогеологических бассейнах III и IV порядка.

- Для организации постоянного контроля за основными эксплуатируемыми и перспективными к эксплуатации межпластовыми водоносными горизонтами в состав сети целесообразно включить отдельные пункты, приуроченные к крупным месторождениям, в том числе нераспределенного фонда из числа центральных кустовых скважин, в настоящее время законсервированных. Для выбора оптимального количества опорных пунктов проведено построение «грубых» рабочих карт масштаба 1:1 000 000 по количественным и качественным показателям состояния подземных вод по данным гидрогеологической информации, полученной в разные годы. Опорные государственные пункты отбираются с учетом размещения наблюдательных пунктов объектной сети на водозаборах и наличия скважин у трансграничных субъектов РФ, расположенных в пределах бассейнов высокого I и II порядков.

- Контроль за качеством водоносных горизонтов целесообразно проводить по действующим водозаборным скважинам, а по неэксплуатируемым горизонтам - по скважинам, которые могут быть достаточно длительно прокачаны электропогружным насосом. Приближение химического состава воды в опробуемой скважине к ее составу в водоносном пласте должно контролироваться стабилизацией величин электропроводимости, pH, Eh, температуры, железа, которые определяются полевым экспресс опробованием во время прокачки.

- Размещение опорных пунктов наблюдений должно позволить строить и вести дежурные карты подземных вод, характеризующие количественное и качественное состояние основных водоносных горизонтов во времени и пространстве. Опорная сеть в пределах Приволжско-Хоперского артезианского бассейна должна носить модельно-ориентированный характер.

- Для ведения ГМПВ природно-техногенных объектов целесообразно создание двух комплексных опытно-производственных полигонов «Балаковский» и «Саратовский» на основе уже сложившейся наблюдательной сети, как государственной, так и объектной. Основным целевым назначением научно-методического полигона «Балаковский» следует считать создание постоянно-действующей модели района интенсивной добычи подземных вод (12 групповых водозаборов с неутвержденными запасами), что позволит провести утверждение запасов на основе ведения мониторинга подземных вод без проведения традиционных геолого-разведочных работ. Основной целью создания полигона «Саратовский» является необходимость проработки комплексного подхода к системе мониторинга состояния недр и методики его ведения в условиях сложной природно-техногенной системы, взаимодействия всех подсистем мониторинга состояния недр и создания единого информационного поля.