logo1-color

Влияние палеодолины реки Съежи на формирование балансовой структуры водоотбора подземных вод в районе Калининской АЭС

 

 

Автор: Беляков М.В., Просеков А.М.


 

Обеспечение строгого температурного режима реакторных блоков атомных электростанций осуществляется путем эксплуатации естественных или искусственных водоемов-охладителей. При напряженном водном или температурном балансе одних ресурсов поверхностных вод может не хватить, особенно в маловодный период, в таком случае возникает потребность привлечения подземных вод. Но отбор подземных вод, имеющих связь с поверхностными, может привести к уменьшению, или даже прекращению подземного потока, разгружающегося в реки или озера. Калининская АЭС относится именно к таким объектам, где необходимо привлечение подземных вод.

Ключевые слова: Калининская АЭС (КАЭС), река Съежа, подпитка озер-охладителей, комбинированное использование подземных и поверхностных вод, баланс водоотбора, палеодолина.

 

 

Сведения о Калининской АЭС. В географическом отношении район расположен в области Главного водораздела Русской равнины, наиболее крупным населенным пунктом района является г.Удомля, в 3 км на северо-восток от которого на берегу оз. Удомля расположена Калининская АЭС.

В состав АЭС входят три реакторных блока, ведется строительство четвертого. В качестве единого водоема-охладителя Калининской АЭС с 1984 г. используются озера Песьво и Удомля, соединенные между собой короткой протокой. Сток с бассейнов этих озер, зарегулированный плотиной, построенной в настоящее время в истоке р.Съежа, обеспечивает водоснабжение КАЭС.

На Калининской АЭС реализована оборотная схема охлаждения реакторных отделений, конденсаторов турбин и основного оборудования. Озера включены в систему технического водоснабжения и охлаждения.

 

По причине расположения Калининской АЭС на водоразделе имеет место напряженный водный баланс, и одних поверхностных ресурсов для охлаждения помещений Калининской АЭС не хватает – наблюдается как резкое снижение объема воды вследствие сильного испарения, так и превышение допустимой температуры воды в озерах-охладителях.

Одним из способов пополнения запасов озер-охладителей при дефиците поверхностных ресурсов является привлечение низкотемпературных подземных вод. Принято решение о начале эксплуатации водозабора для закачки в озера подземных вод и утверждены балансовые запасы в количестве 25 тыс. м?/сут для подпитки озер-охладителей при неравномерном режиме эксплуатации, обеспечивающим потребность в воде 108 тыс.м?/сут в течение 2-х маловодных лет подряд за одно пятилетие (8 месяцев в первый и 6 месяцев во второй год эксплуатации). Водозабор размещен в поселке Елманова Горка и водоотбор будет производиться из алексинско-протвинского водоносного горизонта нижнего карбона.

В результате планируемого водоотбора произойдет перехват части потока подземных вод, и даже возможна инверсия потока подземных вод, что довольно опасно в данной ситуации, так как под озерами-охладителями имеет место палеодолина реки Съежи, и нагретые поверхностные воды могу поступать в водоносные горизонты нижнего и среднего карбона. Также может произойти резкое понижение уровня подземных вод, вплоть до осушения некоторых одиночных скважин, расположенных на территории Удомельского района, и небольших поверхностных водоемов.

В данной работе будет изучено влияние палеодолины реки Съежи на формирование баланса подземных и поверхностных вод, как в естественных, так и в нарушенных условиях.

 

Гидрологическая характеристика. Основные реки района, Съежа и Волчина, принадлежат к бассейнам, соответственно, Балтийского и Каспийского морей. Почти все мелкие реки района являются притоками выше указанных и имеют много общего между собой. Все они представлены узкими, извилистыми руслами в слабо разработанных долинах (рис.1).

statia-10-ris-1

На территории района сосредоточены многочисленные мелкие и крупные озера. Они имеют форму узких ложбин, вытянутых в северо-западном и меридиональном направлениях. Берега их извилисты и часто заболочены. Питание происходит также за счет весеннего таяния снега, летних дождей и грунтовых вод. В течение лета происходит спад уровня за счет испарения и стока, так как все озера соединены с реками. Замерзание озер наблюдается в конце ноября, вскрытие - в конце апреля. Озера Песьво и Удомля служат прудами-охладителями для Калининской АЭС и, в связи с этим, не замерзают [ 1 ].

Уровень воды в озерах испытывает сезонные и погодные (ветровые) колебания. В естественных условиях озера имеют четко выраженное весеннее половодье, низкий уровень в летнюю межень, прерываемый дождевыми паводками, и устойчивую зимнюю межень.

 

Геологическое строение и гидрогеологические условия. Данная работа связана с водоносными горизонтами, приуроченными к отложениям нижнего и среднего карбона и четвертичным образованиям.

Каменноугольная система представлена тремя отделами. В составе нижнего отдела выделяются визейский и серпуховской ярусы, среднего отдела – московский ярус и верхнего отдела – касимовский ярус.

Отложения четвертичной системы сплошным покровом перекрывают неровную поверхность палеозойских пород и представлены сложным комплексом отложений, в котором преобладают ледниковые, водно-ледниковые и аллювиальные осадки.

Рассматриваемая территория расположена на западном крыле Московского артезианского бассейна. Гидрогеологическое строение района Калининской АЭС определяется развитием здесь чехла рыхлых четвертичных отложений, залегающих на обводнённых известняках среднего и нижнего карбона (рис.2).

statia-10-ris-2

В составе отложений каменноугольной системы выделяют 3 горизонта:

1) водоносная каширско-мячковская терригенно-карбонатная свита (каширско-мячковский водоносный горизонт) (С2kš-mc);

2) слабопроницаемый верейский терригенный горизонт (С2vr);

3) водоносная алексинско-протвинская терригенно-карбонатная свита (алексинско-протвинский водоносный горизонт) (С1al-pr);

По разрезу видно, что скважины 4621 и 611 вскрывают песчаные отложения, приуроченные к палеодолине реки Съежи. Во время проведения геологической съемки на данной территории древняя долина выявлена не была, геофизических исследований на территории атомной станции не проводилось. Но по имеющимся фактическим данным строительного бурения известно, что палеодолина полностью прорезает верейский слабопроницаемый глинистый горизонт, в результате чего имеет место вертикальный переток подземных вод между каширско-мячковским и алексинско-протвинским водоносными горизонтами, не исключена возможность подтягивания и попадания поверхностных вод в алексинско-протвинский водоносный горизонт при его интенсивной эксплуатации. Стоит отметить, при оценке балансовых запасов подземных вод, проводимой в 2004 году, влияние палеодолины реки Съежи на баланс подземного и поверхностного стоков не изучалось.

 

Существующее водоснабжение и анализ режима эксплуатации подземных вод. Основным источником водоснабжения г.Удомли, объектов Калининской АЭС и Удомельского района в целом является каширско-мячковский водоносный горизонт. Лишь в западной части района, где водовмещающие породы каширско-мячковского горизонта выклиниваются, для водоснабжения используются подземные воды алексинско-протвинского водоносного горизонта нижнего карбона.

Всего на данной территории расположено около 100 одиночных эксплуатационных скважин и три крупных водозабора: городской питьевой, технический и дополнительный водозабор для подпитки озер-охладителей.

За период эксплуатации водозаборов сформировалась обширная плоская депрессионная воронка, при этом понижения уровней подземных вод на действующем хозяйственно-питьевом водозаборе, эксплуатирующем каширско-мячковский водоносный горизонт с дебитом 25 тыс. м?/сут, составляли 10-12 м.

Эксплуатация водозаборов ведется в стационарном режиме фильтрации. Формирование эксплуатационных запасов осуществляется за счет перехвата подземного потока, разгружающегося в озерно-речную сеть, а также привлечения возобновляемых запасов четвертичного горизонта и поверхностных вод.

На техническом водозаборе охлаждения реакторных отделений, работающем с мая по сентябрь с дебитом 5 тыс. м?/сут и эксплуатирующем горизонты четвертичного возраста и каширско-мячковский водоносный горизонт, за период с октября по апрель происходит полное восстановление уровня.

Анализ опыта эксплуатации подземных вод в р-не г.Удомля свидетельствует, о возможности существенного расширения водоотбора из подземных источников и, в частности, из эксплуатируемого здесь каширско-мячковского водоносного горизонта, а также нижележащего алексинско-протвинского.

В условиях стационарной фильтрации режим уровня подземных вод и, в частности, четвертичного водоносного комплекса характеризуется четко выраженной зависимостью от климатических условий, а на прибрежных участках – гидрологическим режимом близлежащих водоемов и водотоков.

 

Влияние палеодолины реки Съежи на формирование баланса подземных и поверхностных вод, как в естественных условиях, так и при эксплуатации водозабора подпитки озер-охладителей Калининской АЭС. С целью изучения влияния палеодолины на формирование баланса поверхностных и подземных вод был решен ряд задач на численной математической модели при различных пространственных конфигурациях палеодолины и при различных фильтрационных характеристиках слагающих ее пород

На схеме доледникового рельефа Удомельского района (рис.3), составленной Б.К.Виноградовым по данным строительного бурения, довольно четко прослеживается контур древней долины реки Съежи, на основе данной схемы палеодолина задана в модель [1]. Фильтрационные свойства отложений, слагающих древнюю долину, заданы характерными для песчаных отложений.

statia-10-ris-3

Задачи решались как для естественных условий, так и для нарушенных. Дебит водозабора задан исходя из требований Калининской АЭС, эксплуатация дополнительного водного источника подпитки озер-охладителей осуществляется с неравномерным дебитом, обеспечивающим потребность в воде 25 тыс. м?/сут с учетом форсированного режима 108 тыс.м?/сут в течение двух маловодных лет подряд за одно пятилетие. Эксплуатация водозабора в форсированном режиме производится не более шести месяцев в год.

Понижения уровня подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта на территории водозабора дополнительного источника водоснабжения (водозабора подпитки озер-охладителей) зависят от величины перетока подземных вод из вышележащих горизонтов. Как видно по графикам водоотбора и прогнозных понижений уровня подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта (рис.4), с увеличением перетока понижения уровня подземных вод уменьшаются, площадь воронки депрессии также снижается, тем самым уменьшается область влияния водоотбора. Для визуализации изменения пространственного положения депрессионной воронки в алексинско-протвинском водоносном горизонте на схеме доледникового рельефа Удомельского района (рис.3) показаны изолинии понижения уровня подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта, изолинии построены для понижений 5 и 10 метров, при условии эксплуатации водозабора подпитки озер-охладителей с расходом 108 тыс.м?/сут для двух вариантов: с учетом и без учета гидрогеологических окон. На таких объектах, как атомные станции, площадь влияния водозабора имеет немаловажное значение.

Для построения графиков балансовой структуры подземного стока (рис.4) использовались абсолютные величины статей баланса непосредственно в области распространения древней долины и влияния водозаборных скважин. Стоит отметить, что водозабор подпитки озер-охладителей расположен в 5 км юго-западнее территории распространения древней долины реки Съежи, поэтому приведенные на графиках величины статей баланса относятся именно к площади распространения палеодолины.

statia-10-ris-4

Анализируя результаты решения поставленной задачи на математической модели, а также графики формирования баланса, можно сделать следующие выводы:

- доля емкостных запасов в формировании баланса подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта довольно мала;

- при наличии древней долины реки Съежи величина расхода подземных вод, поступающих в алексинско-протвинский водоносный горизонт из вышележащих верейского и каширско-мячковского горизонтов, увеличивается практически в 3 раза;

- разгрузка подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта в четвертичные водоносные горизонты в зоне выклинивания каширско-мячковского водоносного и верейского слабопроницаемого горизонтов увеличивается в 1,5 раза;

- разгрузка подземных вод каширско-мячковского водоносного горизонта в поверхностные воды озер-охладителей уменьшается в 3,5 раза.

 

Таким образом, математически доказано, что наличие древней долины реки Съежи существенно влияет на формирования баланса и поведение уровня подземных вод каширско-мячковского и алексинско-протвинского водоносных горизонтов. Авторы статьи считают, что необходимо проведение дополнительных геофизических исследований на местности с целью определения точного распространения палеодолины, также следут обязательно учитывать факт наличия фильтрационных окон при дальнейших изучениях гидрогеологический ситуации Удомельского района и участка расположения Калининской АЭС в частности.

 

На основе гидродинамической модели была решена температурная задача, с целью изучения возможности поступления нагретых поверхностных вод озер-охладителей в водоносные горизонты среднего и нижнего карбона. Результаты решения показали, что при наличии палеодолины реки Съежи, нагретые поверхностные воды озер-охладителей в небольшом количестве будут поступать в нижележащие слои. Эксплуатируемый алексинско-протвинский водоносный комплекс, а также каширско-мячковский водоносный горизонт, будут подвержены температурному загрязнению, но в незначительной степени. На графиках формирования баланса подземных вод алексинско-протвинского водоносного горизонта (рис.4) показана доля поверхностных вод в величине вертикального перетока из каширско-мячковского водоносного горизонта. Таким образом, подземные воды алексинско-протвинского водоносного комплекса нижнего карбона можно использовать в целях подпитки озер-охладителей реакторных блоков Калининской АЭС.

 

Список использованной литературы

  1. Б.К.Виноградов, Н.А.Архангельский, А.Г.Коробков, В.Г.Пронина, А.В.Бариньяк, М.С.Крюкова, М.В.Кузьмина, А.Б.Намзин. География Удомельского р-на. Тверь: РИУ Тверского госуниверситета, 1999 г.