logo1-color

Использование гидродинамической модели Барнаульского месторождения для анализа опыта эксплуатации и переоценки запасов подземных вод

Автор: Ершов Г.Е., Скворцова Г.А., Бородавко В.Г., Дементьева Е.В.

Аннотация: Рассматривается численная гидрогеологическая модель гидродинамических условий Барнаульского месторождения подземных вод, которая была создана для переоценки запасов. Описаны результаты решения задачи по воспроизведению на модели всей истории эксплуатации месторождения с 1932 по 2006 гг. Результаты решения на откалиброванной модели прогнозных вариантов различных схем эксплуатации Барнаульского месторождения. Показано, что разработанная гидрогеологическая модель Барнаульского месторождения, уточненная по результатам его реальной эксплуатации, может быть использована для эффективного управления недропользованием, кратко- и среднесрочными текущими прогнозами. Ключевые слова: водоснабжение, гидродимамические условия, численная модель, граничные условия, запасы подземных вод, эпигнозные задачи, прогнозные задачи, недропользователь.

В настоящее время для водоснабжения г. Барнаула со среднегодовым водопотреблением 260 тыс. м3/сут привлекаются поверхностные воды р. Оби и подземные воды Барнаульского месторождения пресных подземных вод (МППВ). В перспективе на хозяйственно-питьевые нужды населения г. Барнаула предполагается довести долю подземных вод до 30% от общего водопотребления, то есть - до 100 тыс. м3/сут. В настоящее время водоотбор подземных вод составляет около 70 тыс. м3/сут.

В 2010 году завершена переоценка запасов Барнаульского МППВ (ОАО «Алтайская ГГЭ» и ЗАО «ГИДЭК»). Впервые запасы подземных вод Барнаульского месторождения были оценены и утверждены в ГКЗ СССР в результате проведения эксплуатационной разведки подземных вод для I очереди водоснабжения г. Барнаула в период 1973-1976 гг. в количестве 358,4 тыс. м3/сут. Постановка и проведение работ по переоценке ЗПВ месторождения были обусловлены истечением срока легитимности (25 лет) утвержденных запасов и необходимостью строительства водозабора производительностью 50 тыс. м3/сут для водоснабжения г. Барнаула.

В настоящее время Барнаульское МПВ эксплуатируется 473 водопользователями, больше половины из которых не лицензировано, но водозаборы находятся на участках с разведанными запасами подземных вод. Соотношение разведанных эксплуатационных запасов подземных вод, разрешенного лицензииями и фактического водоотбора на площади Барнаульского месторождения подземных вод по состоянию на 2006 г. показано в таблице 1.

statia-20-tabl-1

Исследуемая территория находится в северо-восточной части Алтайского края, на восточной окраине Иртыш - Обского бассейна (II порядка) Западно-Сибирского сложного бассейна пластовых вод. В строении этого бассейна выделяются 2 структурных яруса. Нижний ярус – складчатый палеозойский фундамент с напорными трещинными и трещинно-жильными водами. Верхний ярус – чехол из рыхлых слабоуплотнённых кайнозойских отложений, содержащих напорные и безнапорные пластово-поровые воды. В разрезе последнего выделяется 12 водоносных и относительно водоупорных слоев, которые в пределах месторождения представляют единую гидравлически взаимосвязанную водонапорную систему, связанную также и с поверхностными водами р. Оби и её притоков.

Барнаульское месторождение эксплуатируется с 1932г. В результате длительной эксплуатации подземных вод с водоотбором, достигающим в отдельные годы 140-200 тыс. м3/сут, сформировалась обширная депрессионная воронка радиусом до 40-50 км и сработкой напора в 20-50 м. Таким образом Барнаульское МПВ охватывает площадь радиусом около 40 км от г. Барнаула. Территориально в него входят потребители гг. Барнаула и Новоалтайска и потребители территорий Калманского, Павловского, Первомайского и Тальменского административных районов Алтайского края.

Гидрогеологические условия Барнаульского месторождения были достаточно хорошо изучены в процессе эксплуатационной разведки запасов подземных вод для I очереди водоснабжения г.Барнаула в 1973-1976гг. (Бородавко В.Г., Рыжковский М.И. )

Переоценка эксплуатационных запасов подземных вод Барнаульского МППВ в современных условиях была проведена методом математического моделированя. Основой для разработанной модели Барнаульсукого МППВ была система аналоговых моделей, созданная 1976 году для первоначальной оценки эксплуатационных запасов подземных вод (Френкель А.Д., Плотников В.С ):

  • Три однослойных модели (для каждого оцениваемого водоносного горизонта отдельно: кочковского, таволжанского, атлымского и островновского).
  • Одна трехслойная ( верхний горизонт- кочковский, второй - таволжанский, третий- объединенный атлымский и островновский)

Речная сеть при этом была задана только частично (часть реки Обь в районе г.Барнаула и р. Барнаулка). Параметры гидравлической связи р.Оби были приняты в соответствии с результатами моделирования групповой откачки из кочковского водоносного горизонта в долине р. Обь.

На стадии переоценки запасов была разработана девятислойная модель гидродинамических условий Барнаульского МППВ, позволяющая воспроизвести на модели взаимосвязь интенсивно эксплуатируемых водоносных горизонтов, взаимодействие многочисленных групповых водозаборов, воспроизвести связь поверхностных и подземных вод, с подробным заданием на модель речной сети в пределах всего месторождения. Математическая модель была реализована с помощью программного обеспечения Visual Modflow 3.1.0.

В модели были заданы четыре основных эксплуатационных водоносных горизонта (рис.1):

statia-20-ris-1

  1. эоплейстоценовый-средненеоплейстоценовый (aQE-aQII) аллювиальный горизонт (кочковской, монастырской свит) ;
  2. средне-верхнемиоценовый горизонт таволжанской свиты (N12-3);
  3. нижнеолигоценовый горизонт атлымской свиты (P31);
  4. палеоцен-эоценовый горизонт островновской свиты (P1-P2).

Между водоносными горизонтами в модели заданы четыре слабопроницаемых разделяющих слоя, а так же - перекрывающая толща.

На внешних границах по всем моделируемым горизонтам было реализовано граничное условие 2-го рода, при этом в местах, где границы установлены по линиям тока, задано условие Q = 0, а там, где границы совпадают с линиями напоров, Q = const. Инфильтрация в верхнем слое модели реализована также граничным условием 2 рода, связь с реками задавалась граничным условием 3 рода.

Уточнение геофильтрационной модели Барнаульского МППВ было осуществлено путём решения эпигнозных задач:

  • Обратная стационарная задача для воспроизведения естественного режима фильтрации подземных вод Барнаульского месторождения по состоянию на 1930 год;
  • Обратная нестационарная задача по воспроизведению прошедшего периода эксплуатации подземных вод. На модель задана вся история изменения водоотбора водозаборами Барнаульского месторождения в пределах моделируемой области с 1932 по 2006 год.

Решение обратной нестационарной задачи по воспроизведению истории водоотбора контролировалось сравнением графиков изменения уровня в скважинах режимной сети с графиками уровней, полученными по результатам моделирования. Кроме того, сравнивались погоризонтные натурные карты уровней подземных вод (по состоянию на 1975 и 2006 года) с расчетными картами, полученными при моделировании.

На откалиброванной модели Барнаульского МППВ выполнялись прогнозные решения для различных схем эксплуатации подземных вод в оцениваемых водоносных горизонтах на период 25 лет эксплуатации:

  • Вариант 1 – Продолжение эксплуатации подземных вод по схеме и с нагрузкой по состоянию на 2006 год (140 тыс. м3 /сут);
  • Вариант 2 – Проектный водоотбор, определяемый перспективными потребностями в подземной воде населения и экономики Барнаульского региона, в количестве 472 тыс. м3 /сут;
  • Вариант 3 – Максимально возможный водоотбор.

Прогнозное моделирование по первому варианту доказало возможность эксплуатации подземных вод в течение последующих 25 лет с суммарным водоотбором 140 тыс. м3/сут, то есть соответствующиму современному уровню эксплуатации.

Результаты моделирования по второму варианту показали, что ни на одном участке действующих водозаборов, разведочных и перспективных участках прогнозируемый динамический уровень в действующих и проектных скважинах, при задании на них проектных нагрузок, на конец расчетного 25-летнего периода не превысит допустимых понижений, соответствующих отметкам кровли четырех основных водоносных горизонтов. Таким образом, результаты моделирования позволили считать обоснованной подсчитанную суммарную величину запасов подземных вод Барнаульского месторождения в количестве 472 тыс. м3/сут.

Третий прогнозный вариант моделирования показал, что суммарная величина максимально возможного водоотбора в пределах моделируемой области Барнаульского месторождения, соответствующая практически предельному ресурсному потенциалу рассматриваемой территории, составляет 1150 тыс. м3/сут. Величина прироста водоотбора 677 тыс. м3/сут – это дополнительный перспективный водоотбор.

На рисунке 2 приведены результаты моделирования по второму прогнозному варианту - схематическая карта понижений уровня через 25 лет эксплуатации по одному из основных водоносных горизонтов - нижнеолигоценовому (атлымской свиты) P31 . По результатам решения этого варианта были переоценены и утверждены в ГКЗ МПР запасы подземных вод Барнаульского МППВ в количестве 405.7 тыс. м3/сут ( без водоотбора по мелким водопотребителям - 66,2 тыс. м3/сут).

statia-20-ris-2

Общая сумма запасов подземных вод Барнаульского МППВ при первоначальной оценке в 1976 году составляла 358,4 тыс. м3/сут, а в пределах всей моделируемой области защищенные запасы составляли 424 тыс. м3/сут. В то же время реально суммарный водоотбор за период с 1976 по 2006 год не превышал 200 тыс. м3/сут, а в 2006 году составлял всего 140 тыс.м3/сут (рис.3). При этом на практике была изменена и схема эксплуатации водозаборов, и их местоположение. Гидродинамический профиль через центральную часть Барнаульского МППВ приведен на рис.1. На него нанесены уровни основного эксплуатируемого нижнеолигоценового водоносного горизонта атлымской свиты (P31) в ненарушенных условиях, по состоянию на 2006год (140 тыс. м3/сут) и прогнозные уровни через 25 лет эксплуатации с суммарным водопотреблением 472 тыс. м3/сут (второй прогнозный вариант). Эти прогнозные уровни приблизительно совпадают с уровнями, полученными в результате прогноза 1976 года.

statia-20-ris-3

Из приведенных данных можно увидеть, что реальное освоение месторождения существенно отличается от прогнозов, выполненных по заявкам и потребностям недропользователей. Есть все основания предполагать, что подобную ситуацию можно экстрополировать и на дальнейший период, так как реальное освоение отдельных участков месторождения определяется реальной экономической ситуацией, условиями финансирования, развития отдельных предприятий, строительства и т. п. В то же время прогнозирование, выполненное с учетом всех перспективных потребителей, может лимитировать возможность освоения подземных вод вблизи участков, где заявленные потребности достаточно высоки, и , собственно, прогнозируются значительные понижения уровней подземных вод. Последнее, в свою очередь, отражается не только на ограничениях в проектировании водоотбора для других недропользователей, но и в необходимости проектирования конструкций скважин и водоподъемного оборудования с учетом суммарного водоотбора, который реально в течении ближайших 5-10, а, порой, и более лет достигнут не будет.

Таким образом, для эффективного управления недропользованием в кратко- и среднесрочной перспективе необходимо, помимо общего учета всех заявленных потребностей, выполнение текущих прогнозов на основе графика реально возможного водоотбора на ближайшие 5-10 лет. Разработанная гидрогеологическая модель Барнаульского месторождения, детализированная и уточненная по результатам его реальной эксплуатации, может быть в дальнейшем использована для управления недропользованием.