logo1-color

Достоверность гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных1 запасов подземных вод. Мифы и реальность.

Авторы: Боревский Б.В., Грабовников В.А.

 

В статье рассмотрены вопросы низкой достоверности гидрогеологических прогнозов состояния подземных вод в связи с существенным расхождением величины оцененных эксплуатационных запасов подземных вод, состоящих на государственном учете и учитываемых при прогнозных расчетах, и фактического водоотбора и динамики его изменения во времени. Это приводит к существенному завышению прогнозных уровней по сравнению с их фактическим положением. Предложены пути изменения существующих подходов к гидрогеологическим прогнозам при оценке запасов подземных вод для устранения возникающих несоответствий, т.е. выполнение прогнозирования с учетом реальной, а не мифической динамики изменения водоотбора. Ключевые слова: эксплуатационные запасы подземных вод, достоверность гидродинамических прогнозов, фактический водоотбор, управление эксплуатацией.


Достоверность гидрогеологического прогнозирования всегда представляла большой интерес, как для самих авторов прогнозов, так и для пользователей ими. Применительно к задаче оценки эксплуатационных запасов подземных вод достоверность прогнозов определяет, прежде всего:

  • возможность отбора расчетного количества воды;
  • соответствие величины прогнозных и фактических понижений или глубин динамических уровней подземных вод;
  • соответствие качества отбираемой воды прогнозируемому.

Этот перечень можно дополнить экологической составляющей; но в данной статье мы, прежде всего, остановимся на количественной стороне рассматриваемого вопроса, подчеркнув при этом, что надежный и достоверный прогноз – эффективная основа управления недропользованием (эксплуатацией) и основа решения вопросов представления права пользования недрами для добычи подземных вод новым недропользователям. Особенно остро эта проблема стоит на участках эксплуатируемых многими недропользователями: в крупных городах, городских агломерациях, расположенных в артезианских бассейнах, межгорных впадинах и других участках, там, где эксплуатация подземных вод осуществляется в условиях интенсивного взаимодействия между действующими водозаборами. Еще более интенсивное взаимодействие предполагается между действующими и проектными водозаборами с нагрузкой равной утвержденным запасам подземных вод.

Очевидно, что достоверность выполняемых прогнозов зависит от двух групп составляющих:

  • гидрогеологических параметров и граничных условий, принятых в расчетах (гидрогеологические модели) или расчетных схемах;
  • проектных расходов расчетных водозаборов и схем их размещения.

Вопрос оценки соответствия прогнозов и натуры актуален уже около полувека.

Наиболее пристальное внимание гидрогеологов всегда вызывала первая группа вопросов. В настоящее время она решается путем создания гидрогеологических моделей и подбора параметров и граничных условий для достижения соответствия модели и натуры в естественных и нарушенных условиях. Вторая группа вопросов обычно серьезно не рассматривается, а в расчетах используются заданные потребности и разработанная авторами схема размещения скважин и водозаборных узлов (ВЗУ).

В середине 60-х годов ХХ века Министерством геологии СССР во ВСЕГИНГЕО была поставлена работа по оценке сходимости данных разведки и эксплуатации действующих водозаборов. Эта работа выполнялась по всей территории СССР, а ее результаты были обобщены потом в книге Л.С.Язвина "Достоверность гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод" [ 1 ], которая явилась основной его докторской диссертации.

Поскольку большинство ныне действующих гидрогеологов мало осведомлены о методике этой работы, напомним ее содержание.

Суть оценки сходимости заключалось в следующем:

- при принятых при подсчете запасов параметрах и граничных условиях выполнялся расчет водозабора применительно к реальной схеме расположения скважин и с их фактически расходами;

- расчетное понижение уровня сопоставлялось с фактическим понижением;

- осуществлялся анализ причин, выявленных при сопоставлении фактических и расчетных понижений уровней.

В результате сравнения расчетных и фактических понижений уровней оказалось, что в большинстве случаев их расчетные значения значительно превышают фактические.

Невозможно в данной статье рассмотреть, даже перечислить все причины указанных расхождений, но главные из них связаны со следующим.

Поскольку при откачках коэффициент пьезопроводности получался близким к 106 м2/сут, что соответствовало по существу схеме Тейса (изолированного пласта), то расчеты выполнялись формально. В них учитывались, как правило, только геометрические очертания границ, а такие факторы, как перетекание, сокращение скрытой разгрузки и т.д. не учитывались. Просто знания специалистов-гидрогеологов были в то время еще недостаточны для понимания того, что все факторы, обеспечивающие баланс водоотбора, при откачках еще не проявляются, а коэффициент пьезопроводности 106 м2/сут соответствует схеме изолированного пласта в опробуемом интервале разреза.

Для устранения этого противоречия было введено понятие "обобщенных" параметров. Чаще всего подбиралось такое значение коэффициента пьезопроводности aоб (обычно близкое к 104 м2/сут), при котором расчетное и фактическое понижение уровня на расчетный момент времени совпадали. В дальнейшем В.А.Грабовников и Б.М.Зильберштейн предложили использовать понятие обобщенных параметров для расчета водозаборов в сложных условиях с приведением реальных самых сложных схем к схеме Тейса-Джейкоба, т.е. схеме однородного изолированного неограниченного пласта.

Необходимо подчеркнуть, что введение в практику понятия обобщенных параметров позволило в тот период устранить противоречия и расхождения (часто очень большие) между фактическими и расчетными понижениями уровня.

Естественно, что это был временный выход из положения. Было понятно, что при изменении расхода водозабора обобщенный коэффициент пьезопроводности меняется, поскольку при расчетах его значений по нескольким взаимодействующим водозаборам могут быть получены, существенно, различные значения. Примерно в это же время началось внедрение математического моделирования (сначала аналогового, затем численного), которое позволяет достигать принципиального соответствия расчетных моделей и природных условий, и в настоящее время является основным методом подсчета запасов.

При решении обратных задач по воспроизведению как естественных, так и нарушенных условий, на математических моделях действительно удается уточнить расчетные параметры и граничные условия, дать количественную оценку источников питания и формирования баланса водоотбора и т.п., то есть, существенно повысить достоверность исходных данных для гидрогеологических прогнозов. Более подробно этот вопрос рассмотрен в статье Олиферовой О.А. в данном номере журнала.

Однако при этом надо иметь в виду, что свойственная разведочной гидрогеологии дивергентность и конвергентность результатов исследований, в т.ч., результатов математического моделирования всегда оставляет неопределенность в совокупности данных, определивших в данных условиях соответствие модели и натуры. При детализации модели или изменении водоотбора совокупность данных, определивших на предыдущих этапах соответствие модели и натуры, может претерпевать более или менее существенные изменения. Поэтому мы часто говорим, что данная математическая модель не соответствует реальным природным геолого-гидрогеологическим условиям, а не противоречит природной модели, построенной нами по комплексу имеющейся геолого-гидрогеологической и гидрометеорологической информации. При этом необходимо подчеркнуть, что при калибровке модели в условиях естественного и нарушенного режима при длительной работе водозабора и существенно изменяющихся его расходах достоверность построенных моделей существенно возрастает, что показано в помещенных в данном номере журнала статьях на примере системы водозаборов г.г.Сургута, Рязани, Тамбова и Барнаула.

В таких условиях авторы и эксперты обычно признают построенные модели адекватными природным условиям и пригодными для решения на них прогнозных гидрогеологических задач.

Однако и в этих случаях надо признать, что при построении региональных моделей, используемых впоследствии для расчета взаимодействия систем многочисленных действующих и проектных водозаборов в интенсивно эксплуатируемых районах, приходится в процессе экстраполяций и интерполяций исходных данных вносить целый ряд таких допущений, которые потом при детализации информации по отдельным участкам требуют внесения в модель существенных корректив.

Так, например, созданная ОАО "Геоцентр-Москва", ЗАО "Геолинк" и ЗАО "ГИДЭК" в 2002 г. модель Московского региона широко используется по рекомендации ГКЗ "Роснедра" для расчета взаимодействия и срезок уровня при оценке запасов подземных вод на новых участках. Тем не менее, при появлении новой более детальной информации на отдельных участках требуется внесение в модель существенных корректив, которые могут приводить к заметным изменениям расчетных срезок уровней в районах детализации, как это имело место, например, в Ступинском и Мытищинском районах при выполнении детальных разведочных работ для новых недропользователей.

Таким образом, даже для детально откалиброванных моделей при изменении схемы водоотбора они требуют корректировки, а степень достоверности прогнозирования взаимодействия новых водозаборов со "старыми" всегда ниже, чем прогноз для уже действующего водозабора. Откалиброванные локальные и региональные модели используются затем для прогнозных решений.

Наиболее достоверные результаты могут быть получены для отдельных централизованных и одиночных водозаборов, действующих или разведанных, либо для уже реализованных схем взаимодействующих водозаборов. Тем не менее, часть параметров необходимых для прогнозов на вновь разведанных месторождениях, таких, например, как гидрологический режим реки и оценка ее минимального стока, параметры кольматации подрусловых отложений и ряд других могут определяться только с использованием объектов-аналогов.

Таким образом, мы рассмотрели первую часть вопроса – обоснование исходных данных для прогнозирования с целью подсчета эксплуатационных запасов. Это наиболее разработанная часть вопросов прогнозирования. Формально на ее основе и выполняется оценка эксплуатационных запасов. При достаточно обоснованных исходных данных для прогнозирования его достоверность будет соответствовать достоверности исходных данных положенных в основу расчетов, поскольку саму методику и технологию прогнозных расчетов можно признать достаточно обоснованной теоретически, практически и методически.

Почему же тогда, сравнивая результаты прогнозных расчетов и фактического положения уровней подземных вод, мы видим в них существенные расхождения. Прогнозные расчеты уровней, выполняемые при оценке запасов подземных вод с проектными расходами, часто не имеют ничего общего с фактическим водоотбором, что особенно ярко проявляется при работе системы водозаборов на территориях мегаполисов, крупных городов, интенсивно эксплуатируемых участков артезианских бассейнов, межгорных впадин и т.п.?

Первое обстоятельство связано с принятой методикой подсчета эксплуатационных запасов подземных вод, постановки их на государственный учет и последующем учете запасов, состоящих на государственном учете при расчете новых водозаборов или переоценках запасов. Существующая практика подсчета эксплуатационных запасов сложилась в начале 70-х годов ХХ века и сводится к следующему:

  • первоочередная потребность;
  • перспективная потребность;
  • максимально возможный водоотбор.

При региональных оценках сохранилась примерно такая схема, при этом оценивался также возможный водоотбор на перспективных участках. Подсчитанные запасы категорий А, В, С1 и С2 ставились на государственный учет и учитывались в последующих расчетах взаимодействия водозаборов.

Несмотря на то, что потребности в воде определялись при разработке комплексных схем использования и охраны водных ресурсов, а для конкретных городов и других потребителей рассчитывались головными проектными институтами, они оказались многократно завышенными. Это привело к большому разрыву между заявленными потребностями в воде и соответствующими им утвержденными запасами и реальным водоотбором. Соответственно прогноз уровней, выполненный при подсчете запасов, не имеет ничего общего с их реальным положением (табл.1).

statia-1-tabl-1

Многократные превышения потребностей труднообъяснимы, т.к. планировать такой рост населения совершенно нереально. Правда надо отметить, что планируемые нормы водопотребления (500 л/сут на 1 чел.) почти в 2.5 раза превышали общеевропейские.

Второе обстоятельство, обуславливающие существенные расхождения между планируемым и фактическим состоянием подземных вод связано со следующим.

Водоснабжение городов и групп населенных пунктов планировалось за счет крупных централизованных водозаборов за пределами урбанизированных территорий с ликвидацией одиночных водозаборов в пределах городских территорий и других экологически неблагоприятных местах. Однако реальное развитие пошло по другому пути. Разведанные участки, расположенные на удалении от водопотребителей, не осваивались, а система одиночных водозаборных узлов развивалась.

Третье обстоятельство связано с тем, что эксплуатационные запасы утверждаются на дату их подсчета в объеме перспективной потребности без учета очередности освоения месторождений, в то время как в действительности крупные водозаборы, как правило, строятся по очередям.

Четвертое обстоятельство. В Советском Союзе практически во всех городах имели место существенные утечки из магистральных и разводящих сетей, приводящие к непроизводительным потерям, достигающим в среднем около 30 % от общего водоотбора. С переходом на новую экономическую систему "Водоканалы" стали уделять большое внимание мероприятиям по сокращению утечек, промышленные предприятия – переходу на оборотные системы водоснабжения и т.п. Все это привело не к планируемому ранее росту норм водопотребления, а к их существенному сокращению.

Все изложенное привело к сокращению водоотбора вместо планируемого роста, несмотря на продолжающийся рост утвержденных запасов за счет разведки новых участков и оценки запасов на участках водозаборов с неутвержденными ранее запасами.

В таблице 2 приведены выборочные данные, характеризующие изменения состоящих на государственном учете эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) и их реальной добычи за последние 20 лет.

 

statia-1-tabl-2

statia-1-ris-1Динамика изменения водоотбора и величины оцененных эксплуатационных запасов по Московской области, добыча подземных вод в которой составляет более 10 % от общей добычи в России приведена на рис.1; на рис.2 приведены примеры графиков изменения уровней по опорным скважинам за период наблюдений на фоне изменения водоотбора [ 2 ]. Как видно из рисунка, по основным эксплуатируемым водоносным горизонтам уже много лет не наблюдается снижения уровней подземных вод. Наоборот, во многих районах очевидна тенденция к их подъему.

Приведенные данные однозначно свидетельствуют о существовании уже в течение многих лет разрыва между ростом эксплуатационных запасов подземных вод и соответствующим им прогнозным снижением уровней и реальным состоянием подземных вод, соответствующим фактической динамике изменения водоотбора.

Эти расхождения существенно влияют на управление недропользованием в части предоставления возможности добычи подземных вод новым недропользователям, действительно нуждающимся в организации добычи подземных вод.

Таким образом, наименее достоверной (точнее, крайне недостоверной) является потребность в воде, также как и водохозяйственная обстановка, принимаемые за абсолют, применительно к которым производится подсчет запасов.

По существу в расчетах закладываются некоторые "мифические" данные о потребностях в воде и схеме водоотбора, подтвержденные лишь справками чиновников, а не реальными инженерными расчетами и проектами.

Поэтому, даже при достаточно высокой достоверности исходных гидрогеологических данных (параметров, граничных условий и т.п.), используемых в прогнозных расчетах эксплуатационных запасов подземных вод, их реальная достоверность оказывается неудовлетворительной. Соответственно, высокая достоверность эксплуатационных запасов, относимых, например, к категории В, как правило, оказывается очередным мифом в отношении прогноза состояния подземных вод.

statia-1-ris-2Рассмотрим небольшой пример. При подсчете эксплуатационных запасов по подольско-мячковскому водоносному горизонту для Московской пивоваренной компании расчетная нагрузка была ограничена 1 тыс.м3/сут при том, что напор над кровлей водоносного горизонта составлял около 20 м, а понижение уровня от работы самих скважин около 4.5 м. Однако, расчетная срезка уровня от взаимодействия с другими неосвоенными, но стоящими на государственном учете запасами составила примерно в 10 раз больше, т.е. около 45 м, что и привело к существенному ограничению водоотбора из этого горизонта. В результате основной водоотбор был перенесен на алексинско-протвинский горизонт нижнего карбона с почти двукратным увеличением глубины скважин и существенно худшим качеством воды, что увеличило затраты на водоподготовку, а значит и стоимость конечной продукции для потребителя.

К каким же последствиям приводит прогнозное завышение водоотбора и глубин уровней подземных вод по сравнению с их реальным состоянием:

  1. Предоставление права добычи подземных вод новым недропользователям из более глубоких водоносных горизонтов с увеличением глубины скважин и часто ухудшением качества подземных вод за счет увеличения содержания сверхнормативных микрокомпонентов.
  2. Завышению изъятия подземного стока рек.
  3. Завышению размеров зон санитарной охраны за счет расчетного увеличения уклонов подземных вод против реального.
  4. Соответствующему завышению скоростей миграции при прогнозах изменения качества подземных вод.
  5. Завышению негативного воздействия эксплуатации на особо охраняемые территории.

В комплексе на фоне интенсивной эксплуатации проекты новых водозаборных узлов оказываются нерациональными и более дорогостоящими.

Возникает вопрос – что делать?

Отказаться от принятой практики подсчета запасов совсем или найти компромиссные варианты взаимоувязки возникающих противоречий между выполняемыми прогнозами и реальным состоянием подземных вод? Естественно, что этот вопрос требует специальной проработки и не может быть решен в рамках данной статьи. Однако, на основе вышеизложенного, уже сейчас можно дать следующие предварительные предложения.

1. Выполняемые в настоящее время расчеты, особенно в условиях взаимодействия большого количества действующих и проектных водозаборов, в т.ч. с использованием региональных моделей и других компьютерных информационных систем, продолжить в следующих вариантах, в которых учитываются:

  • вся система действующих водозаборов и оцененных неэксплуатируемых участков распределенного и нераспределенного фонда недр для оценки максимально возможного водоотбора;
  • система только действующих водозаборов и других участков распределенного фонда недр в объеме водоотбора, определенного лицензиями на добычу подземных вод;
  • система действующих водозаборов и участков недр, на освоение которых имеются разработанные и согласованные проектные решения.

2. Расчеты водозаборов на вновь оцениваемых участках недр осуществлять на фоне перечисленных вариантов. Основной вариант соответствует последнему из них, т.к. ближе всего будет отвечать прогнозу реального состояния подземных вод.

3. При расчетах задаваемый водоотбор должен соответствовать не общей величине эксплуатационных запасов, рассчитанных на дату их подсчета, а реальному графику освоения водозабора по очередям. Такой подход должен распространяться не только на проектируемые водозаборы, но и на участки распределенного фонда недр, фактический водоотбор на которых, существенно меньше разрешенного.

4. Эксплуатационные запасы всех участков нераспределенного фонда недр должны быть переведены в забалансовые и в расчетах учитываться только при оценках возможностей общей величины водоотбора и не учитываться при расчетах конкретных водозаборов.

5. Эксплуатационные запасы категории В могут выделяться только при наличии разработанных проектных решений.

6. Одним из вариантов оценки запасов на новых участках недр, представленных для геологического изучения и добычи подземных вод, является расчет самого нового водозабора с определением региональной срезки уровня по данным многолетнего мониторинга подземных вод.

Такой подход особенно эффективен для интенсивно эксплуатируемых районов многими недропользователями при оценке запасов новых одиночных водозаборов (Центральная часть Московского бассейна, Азово-Кубанский бассейн и т.п.).

Необходимо подчеркнуть, что если данные мониторинга широко и эффективно используются при проведении геологического изучения недр, в т.ч. решении обратных задач при моделировании, то многолетние тенденции изменения уровней и водоотбора практически не используются для прогнозирования.

Между тем, в ряде развитых стран, например, в Израиле, экстраполяция результатов мониторинга, является основным методом прогнозирования не только уровней, но и квот на добычу подземных вод.

Исторически в СССР на фоне изучения закономерностей естественного режима подземных вод по их результатам выполнялись краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные прогнозы положения уровней.

Поскольку подсчет эксплуатационных запасов выполнялся применительно к заявленной потребности в воде, режим подземных вод и выявление закономерности его изменения перестали быть инструментом прогнозирования. Приведенные выше примеры многолетнего мониторинга с выявленными закономерностями изменения уровней на фоне фактического водоотбора безусловно должны и могут быть важнейшим инструментом прогноза при подсчете эксплуатационных запасов подземных вод.

В заключение отметим, что в данной статье не рассмотрены вопросы достоверности прогнозов изменения качества подземных вод при эксплуатации. Можно констатировать, что эти вопросы сегодня наиболее слабо разработанная часть гидрогеологических прогнозов. Имеется много примеров, когда реальная ситуация оказалась гораздо хуже прогнозной в части ухудшения качества воды, либо прогнозного улучшения качества за счет подтягивания речных вод фактически не происходит. Представляется необходимым приступить к выполнению работ на действующих водозаборах по сопоставлению данных прогнозов изменения качества подземных вод и результатов эксплуатации.

 

Выводы

1. В настоящее время возник существенный разрыв между прогнозируемым при оценке эксплуатационных запасов и фактическим состоянием подземных вод. Прогнозные уровни уже в течение многих десятилетий существенно превышают фактические. Это связано с резким несоответствием прогнозного и фактического водоотбора, поскольку подсчитанные и состоящие на государственном учете запасы многократно превышают фактический водоотбор.

2. В последние десятилетия в разных регионах страны выявилась тенденция постепенного понижения водоотбора на фоне продолжающегося роста величины состоящих на государственном учете эксплуатационных запасов подземных вод.

3. Наименее достоверными составляющими прогноза являются величина и схемы проектного водоотбора. Поэтому необходимо перейти от "мифического" к реальному прогнозированию, учитывая в прогнозах только реально освоенные или реально намеченные к освоению эксплуатационные запасы подземных вод.

Заявляемые и учитываемые в расчетах потребности в воде являются "мифическими", т.к. они в большинстве случаев многократно завышены, никогда не достигались, а в обозримом будущем, как показывает сформировавшаяся в последние десятилетия тенденция динамики водоотбора, никогда не будут достигнуты.

4. Для реализации сделанных предложений должны быть внесены соответствующие коррективы в нормативную базу, регламентирующую принципы подсчета и учета запасов подземных вод. В первую очередь требуется увеличить долю забалансовых запасов в их общей структуре, относя к ним все запасы нераспределенного фонда недр.

5. Необходимо также усилить роль мониторинга подземных вод как реальной базы прогнозирования изменения состояния подземных вод, а не только его констатации.

6. Одной из насущных и недостаточно разработанных проблем являются прогнозы изменения качества воды при эксплуатации, достоверность которых в настоящее время нельзя признать удовлетворительной. Для этого было бы крайне необходимо выполнить сопоставление данных прогнозов и результатов эксплуатации на действующих водозаборах.

7. Вопросы, рассмотренные в настоящей статье, потребуют также разработки соответствующих методик для их реализации.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Язвин Л.С. Достоверность гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод (Методические рекомендации). М., ВСЕГИНГЕО, 1972, 149 с.
  2. Ведение государственного мониторинга состояния недр территории Московской области. Вып.15, ОАО "Геоцентр-Москва". М., 2010, 209 с.

 

 


1 - Несмотря на то, что из действующей "Классификации ... " понятие "эксплуатационные" исключено, авторы считают необходимым его сохранение.