logo1-color

Особенности моделирования геофильтрации в сложных тектонических условиях на примере Камышинского месторождения пресных подземных вод

Автор: Зубанова Т.Н., Ершов Г.Е.


 

В статье изложены особенности моделирования геофильтрации и решения прогнозных задач при подсчете запасов пресных подземных вод Камышинского месторождения, расположенного на территории Волгоградской области. Площадь, в границах которой проведено моделирование, осложнена наличием разрывных нарушений и флексуры, влияние которых учитывалось при схематизации разреза и прогнозе. Ключевые слова: геофильтрация, модель, разрывное нарушение, флексура

Камышинское месторождение пресных подземных вод (МППВ) расположено на северо-востоке Волгоградской области, в пределах Камышинского района. Объектами водопотребления являются города Камышин и Петров Вал. Суммарные потребности в питьевых водах составляют 40-50 тыс. м3/сут.

Описываемая площадь располагается на юго-восточном склоне Воронежской антеклизы и только крайняя юго-восточная ее часть находится в пределах Прикаспийской синеклизы (рис.1). Сочленение этих структур происходит по флексурно-разрывной зоне. По поверхности фундамента бортовому уступу соответствует Волгоградский глубинный разлом.

statia-13-ris-1

Главными тектоническими элементами на исследуемой территории являются Доно-Медведицкий прогиб, включающий Уметовско-Линевскую депрессию и Приволжский мегавал. Тектонические движения, обусловившие развитие инверсионных структур, наиболее рельефно проявились в пределах Доно-Медведицкого прогиба. В результате на месте прогиба сформировалась положительная структура – Доно-Медведицкие дислокации, состоящие из нескольких приподнятых зон. На площади участка Камышинского месторождения располагается Чухонастасьевско-Липовский сложный вал, в составе которого выделяются Уметовская и Южно-Уметская зоны поднятий.

Зоны поднятий на востоке ограничены Иловлинской флексурой, отделяющей их от Приволжской моноклинали. Флексура простирается в субмеридиональном направлении, она прослеживается параллельно р. Иловли по левому склону ее долины. Наибольший уклон слоев во флексурном изгибе достигает 30о. Иловлинская флексура сопровождается разрывными нарушениями, амплитуда которых достигает 50-250 м.

Приволжская моноклиналь выражена погружением пород на юго-восток. Характерной чертой Приволжской моноклинали является наличие разрывных нарушений. Одним из наиболее изученных является «Камышинский» грабен, прослеживающийся от южной границы района вдоль западного берега водохранилища через г. Камышин. «Камышинский» грабен ограничен двумя основными сбросами, расстояние между которыми на площади достигает 3,6 км. В северо-восточном направлении сбросы постепенно сближаются и постепенно затухают. Амплитуда грабена составляет 55-60 м.

Современная структура рассматриваемой территории явилась суммарным результатом тектонических движений, проявляющихся на протяжении всей геологической истории.

Верхняя часть осадочного чехла представлена отложениями четвертичной, палеогеновой и меловой систем. Практический интерес для водоснабжения городов Камышин и Петров Вал представляют водоносные горизонты, залегающие выше юрских отложений, являющихся региональным водоупором (рис. 2).

statia-13-ris-2

В процессе геофильтрационной схематизации обосновывается пространственная структура потока, строение фильтрационной среды, режим фильтрации и граничные условия потока подземных вод. В результате анализа литологического строения водоносных комплексов, фильтрационных параметров водовмещающих отложений было выделено семь гидродинамических расчетных пластов (рис. 3).

statia-13-ris-3

Моделируемые пласты заданы со следующими горизонтальными (Кx) и вертикальными (Кz) коэффициентами фильтрации:

пласт 1 область развития аллювиального четвертичного водоносного горизонта р. Иловля - Кx = 1 м/сут, Кz = 0,05 м/сут; четвертичного, палеоценового и маастрихтского водоносных комплексов Кx = 0,1 м/сут, Кz = 0,01 м/сут;

пласт 2 Кx = 1 м/сут, Кz = 0,001 м/сут;

пласт 3 Кx = 2 м/сут, Кz = 0,2 м/сут;

пласт 4 Кx = 0,01 м/сут, Кz = 0,0002 м/сут;

пласт 5 Кx = 5 м/сут, Кz = 0,1 м/сут;

пласт 6 Кx = 1,3 м/сут, Кz = 0,002 м/сут;

пласт 7 Кx = 0,1 м/сут, Кz = 0,01 м/сут.

Отдельно была выделена зона «Камышинского» грабена (в 3, 5, 6 и 7 пластах), границы которой заданы в каждом водоносном пласте параметрами, отличными от исходных на один и два порядка в сторону уменьшения фильтрационных свойств (в разных вариантах расчетов).

Границы участка Камышинского месторождения проведены на западе по контуру распространения альбского водоносного горизонта (по Иловлинской флексуре) и ограничены серией разрывных нарушений и участком проведения поисково-оценочных работ. Расчетная геофильтрационная модель в плане охватывает площадь 3,5 тыс. км2 и разбита на блоки 152 х 195 нерегулярной ортогональной сеткой с шагом 100 м на участках проектируемых водозаборов и увеличением шага сетки к границам модели (рис.4).

Граничные условия в долине р. Иловля (в зоне выклинивания палеоценовых, верхнемеловых и альбских отложений) на модели заданы граничным условием II рода.

В качестве внутреннего граничного условия II рода на модели были заданы все работающие в настоящее время водозаборные скважины на альбский водоносный горизонт.

В первом слое модели задана р. Иловля и Волгоградское водохранилище в качестве граничных условий III рода. В связи с достаточно сложными структурными особенностями изучаемой территории задачи при моделировании решались в значениях понижений уровня, а моделируемые пласты введены с учетом их мощностей от нулевой поверхности. Задачу в абсолютных значениях уровней из-за разрыва сплошности в местах флексурного перегиба и выклинивания горизонтов решать было невозможно. Это потребовало бы чрезвычайно мелкой дискретизации (вплоть до метров) сетки модели, т.е. её неоправданного усложнения и увеличения времени решения задач. Второй пласт, соответствующий сантон-кампанским и турон-коньякским слабопроницаемым отложениям, из-за большой мощности, создающей значительные затруднения при воспроизведении структуры пластов на численной модели, был задан с условным значением мощности – 10,0 м. Мощность основных водоносных горизонтов была задана в соответствии с фактической, поэтому данное упрощение структуры тем не менее, позволило воспроизвести плавное изменение водопроводимости пластов в области флексурного перегиба.

Калибровка модели выполнялась решением трех обратных задач: нестационарная задача по воспроизведению современных гидрогеологических условий участка (в условиях эксплуатации) и две нестационарных задачи по воспроизведению опытных откачек, проведенных на участке. Подсчет эксплуатационных запасов участка Камышинского МППВ был выполнен на численной геофильтрационной модели, разработанной и откалиброванной при решении обратных задач, применительно к схеме проектных водозаборов, эксплуатирующих альбский водоносный горизонт.

Рациональной схемой водозабора был выбран линейный ряд скважин, расположенный, по возможности, как можно ближе к границе выклинивания альбских отложений, где распространены подземные воды питьевого качества.

Для обоснования оптимальной проектной схемы водозаборов была решена серия прогнозных задач, в которых изменялись соотношения эксплуатационных нагрузок в рядах водозаборов (задавалась разная длина водозаборных рядов, изменялось расстояние между проектными скважинами и их количество). Во всех вариантах в прогнозе было учтено влияние «Камышинского» грабена. В зоне тектонических нарушений были заданы расчетные величины геофильтрационных параметров пластов на один порядок ниже, чем по всей площади распространения водоносных горизонтов. Также были решены задачи со значениями проводимости пластов в зоне грабена на два порядка ниже. В этом случае во всех прогнозных вариантах были получены понижения в блоках на два-три метра больше, чем в предыдущих прогнозах. Таким образом, результаты моделирования показали, что камышинский грабен (мало изученный с гидрогеологической точки зрения), заметного влияния на условия водоотбора на склонах Иловлинской флексуры не оказывает. Масштаб неопределенности прогнозов при этом оценивается первыми метрами дополнительных понижений.

Результаты моделирования позволили обосновать наиболее рациональную схему водозабора, состоящую из 50 проектных скважин с нагрузкой по 1000 м3/сут, расположенных на двух участках.

Таким образом, примененный при схематизации технический прием – замена мощной толщи слабопроницаемых отложений, выклинивающейся на границе флексурного перегиба, слоем с условной мощностью (при сохранении его фильтрационного сопротивления) - позволил избежать технических сложностей, возникающих при дискретизации численных моделей с круто падающими расчетными слоями и, в то же время, достаточно детально отобразить условия взаимосвязи водоносных горизонтов, изменений их мощности и водопроводимости в плане и разрезе, что позволило решать на разработанной модели вопросы оптимального размещения проектных водозаборных рядов, а также ряд других гидрогеологических задач.