logo1-color

Особенности оценки эксплуатационных запасов подземных вод на территориях крупных городов

 

Охарактеризованы основные особенности гидрогеологических и водохозяйственных условий, сформировавшихся в результате интенсивной эксплуатации подземных вод на территориях крупных городов и городских агломераций. Приведены результаты сопоставления данных прогнозных расчетов и фактического опыта эксплуатации подземных вод на территории городов Тамбов и Рязань. Предложены рациональные подходы к выполнению оценки эксплуатационных запасов подземных вод на урбанизированных территориях, реализованные на рассмотренных объектах-примерах. Ключевые слова: оценка эксплуатационных запасов подземных вод, разрешенный лицензиями водоотбор, депрессионная воронка, прогнозное моделирование, управление эксплуатацией.

В водоснабжении наиболее крупных городов нашей страны – прежде всего Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Екатеринбурга, Челябинска, Волгограда, Омска, Перми, Ростова-на-Дону осуществляются практически полностью за счет поверхностных вод, так как на территориях этих городов и в ближайших окрестностях отсутствуют подземные воды в объеме достаточном для организации системы водоснабжения.

В то же время водоснабжение таких крупных и средних городов как Краснодар, Воронеж, Тамбов, Белгород, Липецк, Грозный, Курск, Сургут практически целиком базируются на подземных водах. Многие, преимущественно средние города, используют для водоснабжения смешанные источники водоснабжения: поверхностные и подземные воды (Барнаул, Рязань, Калуга, Йошкар-Ола и т.д.).

При использовании подземных вод для водоснабжения городов возможны три варианта организации системы водозаборов:

  1. Создание водозаборов непосредственно на территориях городов и их пригородов при площадном распространении водоносных горизонтов (Тамбов, Рязань, все крупные города Московской области и др.).
  2. Создание локальных водозаборов (как правило, инфильтрационных) в таких же условиях, но при этом нет возможности размещения водозаборных узлов по всей территории города (Воронеж, Новокузнецк, Сочи и др.).
  3. Создание централизованных водозаборов на удалении от потребителей с подачей воды по магистральным трубопроводам (Кемерово, Новороссийск, Березники и др.).

Во втором и третьем случаях никакие специфические особенности оценки эксплуатационных запасов не появляются. Проблемы возникают при прогнозировании работы многочисленных городских водозаборов, расположенных непосредственно на площади распространения эксплуатируемых продуктивных водоносных горизонтов.

Разведка и оценка эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) по участкам недр, на которых базируется современное водоснабжение крупных городов в основном была выполнена в 70-80 годах прошлого века. Гидродинамические прогнозы выполнялись сначала аналитически, затем методом моделирования относительно естественных (или слабонарушенных) условий для расчетных схем крупных групповых водозаборов (будущих водозаборов централизованного водоснабжения).

Исторически сложившаяся к настоящему времени система водоснабжения крупных городов за счет подземных вод, как правило, включает в себя систему централизованного водоснабжения, а также большое количество автономных водозаборов, доля которых в общей величине водоотбора подземных вод на территории города может достигать 20-30%. Эксплуатация подземных вод в городах ведется как на участках недр, запасы которых прошли Государственную экспертизу и включены в Государственный учет, так и на участках недр с неутвержденными запасами. Таким образом, в условиях интенсивной урбанизации происходят существенные изменения водохозяйственной обстановки (относительно принятой при оценке ЭЗПВ) - эксплуатационная нагрузка распределяется по всей территории города и пригородов, в результате чего формируется обширная депрессионная воронка, осложненная локальными воронками от работы наиболее крупных водозаборных узлов (ВЗУ). В таких ситуациях происходит коренная перестройка гидродинамического и гидрогеохимического балансов месторождений пресных подземных вод (МППВ), что приводит к следующим негативным последствиям:

  • осушению целевых водоносных горизонтов,
  • интенсификации природных гидрогеохимических процессов за счет увеличения перетекания из смежных пластов и усиления притока подземных вод по эксплуатируемому пласту из областей с некондиционными водами,
  • интенсификации процессов техногенного загрязнения,
  • ущербу речному стоку

В последние десятилетия в связи с истечением сроков утверждения запасов гидрогеологическими организациями страны, в том числе и ГИДЭКом, выполнены работы по переоценке запасов подземных вод территорий городских агломераций применительно к новым экономическим условиям, нормативно-правовой базе недропользования и накопленному опыту эксплуатации.

Переоценка ЭЗПВ в сложившихся на территории крупных городов нарушенных условиях осуществлялась с учетом гидродинамических, гидрогеохимических и природоохранных ограничений. Учет в прогнозных расчетах изменений водохозяйственной обстановки и влияния уже проявившихся негативных процессов (или возможность их проявления в будущем) на прогнозируемое количество и качество подземных вод осуществлялся на геофильтрационных и геомиграционных моделях. Создаваемые для этих целей численные математические модели проходили основательную калибровку по результатам 30-70-летнего опыта эксплуатации водозаборов подземных вод, по данным эксплуатационных разведок и мониторинга подземных вод.

В качестве примера таких работ на урбанизированных территориях приведены результаты переоценок выполненных в последние годы по Рязанскому и Тамбовскому МППВ, иллюстрирующие основные особенности оценки ЭЗПВ на территориях городских агломераций.

Рязанский промрайон. Современная система водоснабжения города Рязани за счет подземных вод базируется на использовании подземных вод трех водоносных горизонтов Рязанского МППВ: подольско-мячковского, каширского и алексинско-протвинского. На рис.1 приведены графики фактического водоотбора по всем трем эксплуатируемым пластам в течение 60-ти лет эксплуатации подземных вод на территории г.Рязани и его пригородов. Система водоснабжения города включает в себя систему централизованного водоснабжения, а также большое количество ведомственных водозаборов. В 2007-2008 годах водоотбор подземных вод производился 130 водозаборами, из которых 23 принадлежат МП «Водоканал города Рязани» и 107 ведомственным предприятиям. Суммарная среднегодовая величина водоотбора в 2008 году по всем водозаборам, расположенным на территории Рязанского промрайона составляет – 128 тыс. м3/сут.

statia-5-ris-1

Cуммарная величина запасов питьевых подземных вод на территории Рязанского промрайона, оцененных в 1970 году по семи участкам недр ( Рязанская КГЭ ГУЦР – Царева Н.С., Плотников В.С.) составляет 398 тыс.м3/сут. Заявленная потребность города на 1980г., применительно к которой была выполнена оценка ЭЗПВ -380 тыс.м3/сут, что в три раза меньше величины современного водоотбора (рис.1). Шесть участков из семи, по которым утверждены ЭЗПВ эксплуатируются в настоящее время с суммарным водоотбором 97 тыс. м3/сут, что составляет менее половины величины запасов по этим участкам – 212 тыс. м3/сут. Следует отметить, что почти половина запасов - 186,7 тыс. м3/сут оценена для участка, находящегося на другой стороне реки Оки, который не эксплуатируется в настоящее время и его освоение не предусматривается даже в далекой перспективе в связи с экономической нецелесообразностью.

Таким образом, существующий водоотбор формально обеспечен запасами питьевых подземных вод. Однако фактически сложившаяся схема эксплуатации подземных вод (размещение ВЗУ по территории месторождения, распределение эксплуатационных нагрузок по пластам) принципиально отличается от прогнозной расчетной схемы. В результате, в каширском водоносном горизонте, на который приходится наибольшая эксплуатационная нагрузка, к настоящему времени в центральной части общей депрессионной воронки наблюдается снижение уровней ниже кровли пласта (рис.1). В то же время смежные с ним пласты имеют не столь напряженный баланс подземных вод.

Переоценка ЭЗПВ в сложившихся условиях, согласно существующим требованиям, должна быть выполнена на базе расчетной схемы, в которую включаются не только участки действующих водозаборов, но и участки недр нераспределенного фонда с оцененными ранее запасами, а также участки ВЗУ, работающие на неутвержденных запасах с эксплуатационной нагрузкой, соответствующей разрешенному лицензиями водоотбору. При этом не рассматривается степень обоснованности перспективных потребностей, применительно к которым несколько десятилетий назад была выполнена оценка ЭЗПВ. Согласно результатам моделирования такой расчетной схемы водоотбора на территории Рязанского промрайона было показано, что на наиболее «напряженных» участках происходит осушение одного или всех целевых горизонтов. Такой прогноз отражает абстрактную гидродинамическую картину и не имеют отношения к действительности и соответственно задача оценки фактической обеспеченности потребностей территории запасами подземных вод не может быть решена.

Анализ соотношения современного водоотбора, разрешенного лицензиями уровня добычи подземных вод и величины ЭЗПВ по территории Рязанского промрайона показал, что разрешенный лицензиями суммарный водоотбор - 325 тыс. м3/сут значительно превышает как ранее утвержденные запасы по шести действующим участкам – 212 тыс. м3/сут так и величину суммарного водоотбора по г. Рязани и его окрестностям – 128 тыс.м3/сут. Таким образом, лимиты добычи подземных вод, значительно превышающие величину ЭЗПВ, должны быть приведены в соответствие с ресурсным потенциалом Рязанского месторождения, общая величина которого по оценкам, выполненным в 2009 году компанией ГИДЭК составляет 383 тыс. м3/сут.

В рамках управления эксплуатацией подземных вод на территории Рязанской агломерации, в связи с признанной неэффективностью использования седьмого участка, ранее оцененные по нему ЭЗПВ участка нераспределенного фонда недр были списаны с государственного баланса. Ресурсный потенциал этой части месторождения может обеспечить добавочную величину водоотбора в восточной части города Рязани, где в настоящее время работают крупные водозаборы централизованного и ведомственного водоснабжения на участках с неутвержденными запасами.

Тамбовский промрайон. Основным источником водоснабжения территории Тамбовского промрайона являются подземные воды среднефаменского водоносного горизонта . В настоящее время добыча пресных подземных вод для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Тамбова осуществляется 5 крупными («Тамбовводоканал») и 11 ведомственными групповыми водозаборами, суммарный водоотбор которых составляет 110 тыс. м3/сут. Все водозаборы работают на утвержденных в 1981 году эксплуатационных запасах подземных вод. ЭЗПВ были оценены Придонской ГРЭ ПГО «Центргеология», подсчитаны методом аналогового моделирования Московской ГРЭ ПГО «Центргеология» (Шульженко В.Н., Плотников В.С.) к количестве 540 тыс. м3/сут применительно к потребности на 2000 г. - 530 тыс. м3/сут, которая превышает современный фактический водоотбор более чем в 3 раза (рис.2). В расчентую схему были включены городские водозаборы и пять участков, находящиеся на расстоянии 20-50 км от города. Прогнозирование выполнялось с учетом только гидродинамических ограничений, что позволило получить такие большие величины прогнозного водоотбора (рис.2).

statia-5-ris-2

В результате интенсивной эксплуатации подземных вод непосредственно на территории г.Тамбова в течение последних 30 лет в среднефаменском водоносном горизонте сформировалась обширная депрессионная воронка вытянутая вдоль левого берега долины реки Цны с двумя областями максимальных понижений 45 м и 35м. В результате этого произошли существенные изменения в условиях питания и разгрузки водоносного горизонта, которые повлекли за собой изменения гидрогеохимической обстановки. Анализ временного изменения минерализации и общей жесткости показал существенный их рост практически на всех водозаборных участках г. Тамбова. Особенно заметны изменения за последние 20 лет, когда отдельные очаги с повышенными значениями слились в одну обширную зону, выделенную по изолиниям минерализации 0,7 г/л и общей жесткости 7,0 мг-экв/л. В связи с этим, «Тамбовводоканал» был вынужден сократить водоотбор на части водозаборов и закрыть несколько скважин из-за превышения величины минерализации и жесткости по сравнению с нормативными требованиями.

В современных водохозяйственных условиях, когда фактический водоотбор меньше чем прогнозируемый при оценке ЭЗПВ в 1981г., но сконцентрирован непосредственно на территории города, на некоторых водозаборах г. Тамбова наметилась тенденция ухудшения качества подземных. В связи с возникшими гидрогеохимическими проблемами, а также в связи с тем, что истек срок, на который были утверждены запасы, возникла необходимость в поставке работ по переоценке ЭЗПВ территории Тамбовского промрайона.

Наиболее значимым региональным фактором определяющим изменения качества подземных вод целевого водоносного горизонта в рассматриваемых условиях является интенсификация перетекания снизу подземных вод повышенной минерализации и жесткости. Следовательно, в сложившихся условиях, определяющими при оценке ЭЗПВ являются гидрогеохимические ограничения и поэтому переоценка запасов была выполнена на основе результатов геомиграционного моделирования

Геомиграционная схематизация гидрогеохимических условий и калибровка модели были выполнены по данным об изменении химического состава подземных вод в течении пятидесятилетней эксплуатации водозаборов г. Тамбова. По результатам оптимизационных геомиграционных расчетов на участках интенсивной эксплуатации, где проявляется ухудшение качества подземных вод за счёт подтягивания минерализованных вод из нижних частей разреза была уменьшена проектная нагрузка и относительно ЭЗПВ, на которых эти водозаборы работают, и относительно заявленной потребности. В результате, величина ЭЗПВ по участкам водозаборов централизованного водоснабжения составила 126 тыс.м3/сут (уменьшилась по сравнению с ранее оцененными запасами на 16 тыс.м3/сут). а по участкам ведомственных водозаборов составила 32.8 тыс. м3/сут, что меньше ранее утвержденных запасов на 52 тыс.м3/сут. Выполненный комплекс геомиграционного моделирования позволил обосновать возможность сохранения качества питьевых вод в процессе всего прогнозного периода работы водозаборов при соблюдении разработанной с учетом гидрогеохимических ограничений схемы эксплуатации взаимодействующих водозаборов г.Тамбова.

Накопленный опыт проведенных ГИДЭК работ на территориях крупных городов позволяет сформулировать основные особенности оценки эксплуатационных запасов подземных вод в рассматриваемых условиях.

  1. Потребности городов, принятые при первоначальной оценке запасов оказались существенно (часто многократно) завышенными, что привело к резкому несоответствию фактического и прогнозного состояния подземных вод, прежде всего, вследствие несоответствия прогнозного и фактического водоотбора.
  2. Развиваемая в 70-80 годы прошлого века концепция ликвидации многочисленных автономных одиночных водозаборов (ВЗУ) на городских территориях и замена их централизованными водозаборами на экологически чистых участках недр в новых экономических условиях не оправдалась. Одиночные ВЗУ в своем большинстве не только не были ликвидированы, но и возникали вновь. Поэтому расчетные схемы эксплуатации часто отличались от фактически реализованных.
  3. Эксплуатация месторождений на территориях городов осуществляется десятками и сотнями недропользователей - как централизованными водозаборами, так и небольшими одиночными ВЗУ. При этом, число и местоположение одиночных ВЗУ часто изменчиво (одни ликвидируются, другие обустраиваются заново).
  4. Наблюдается заметная тенденция увеличения количества недропользователей без заметного роста (а часто и с уменьшением) суммарного водоотбора.
  5. Многолетняя тенденция изменения водоотбора не свидетельствует о том, что и заявленные в настоящее время потребности в случаях, когда они заметно превышают фактический водоотбор, когда-нибудь будут достигнуты, т.к. практически везде наблюдается тенденция снижения нормы водопотребления на одного человека, которая сейчас в нашей стране составляет 300 литров в сутки (в 1.5 раза превышает общеевропейские нормы). Поэтому, даже определенный лицензиями на добычу подземных вод водоотбор, как правило, заметно превышает фактический.
  6. Несмотря на отмеченные выше тенденции превышения разрешенного водоотбора над фактическим на отдельных участках городских территорий наблюдается излишняя концентрация водозабора, превышающая эксплуатационные возможности этих участков, что требует рассредоточения водоотбора
  7. В условиях интенсивной урбанизации эксплуатационная нагрузка распределяется по всей территории города и его окрестностей, уменьшаясь, как правило, от центральной части к периферии. В результате подобной системы эксплуатации формируется обширная общая депрессионная воронка с центром на наиболее нагруженном участке городской территории, осложненная локальными воронками от работы наиболее крупных ВЗУ.
  8. В районах с выраженной гидрохимической зональностью она недостаточно учитывается при определении нагрузок не только в целом на городское месторождение, но и, прежде всего, на отдельные водозаборные узлы, в результате чего происходит необратимые изменения качество подземных вод за счет подтягивания некондиционных вод снизу. Одновременно надо иметь ввиду, что городские территории особенно ранимы для техногенного загрязнения подземных вод с поверхности земли, прежде всего по затрубному пространству "дефектных" скважин, а также из-за сложности организации зоны санитарной охраны. Обычно возможна организация только I пояса ЗСО. Все это требует ограничения водоотбора на городских территориях вопреки желанию недропользователей создавать на них новые ВЗУ.

Опыт выполненных работ показывает, что данные многолетнего мониторинга уровней, водоотбора и качества подземных вод позволяют установить основные тенденции их изменения и прогнозировать состояние подземных вод, во всяком случае, на краткосрочную и среднесрочную перспективу.

Наиболее эффективное управление эксплуатацией и геологическим изучением недр может вестись на основе создания постоянно действующих математических моделей, которые должны стать непосредственной составляющей частью мониторинга.