logo1-color

Оценка возможного влияния эксплуатации проектного Зеленодольского водозабора на природную среду Волжско-Камского заповедника

 

Автор: Олиферова О.А., Гараева Т.В.


 

На базе специально разработанной гидродинамической схемы взаимодействия подземных и поверхностных вод для территории Зеленодольского месторождения пресных подземных вод методом математического моделирования оценено влияние максимального проектного водоотбора на уровни подземных вод, баланс озер и растительность территории Волжско-Камского заповедника. Обосновано отсутствие такого влияния при освоении первой очереди месторождения, рекомендована дальнейшая схема освоения месторождения по результатам мониторинга состояния окружающей среды. Ключевые слова: прогнозное моделирования, оценка запасов, Зеленодольское месторождение, Волжско-Камский заповедник, понижение уровня, баланс озера.

 

Оценка влияния эксплуатации подземных вод на окружающую среду является одной из задач оценки эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ). Особенно актуальна эта задача для проектных водозаборов, в области влияния которых расположены особо охраняемые территории – заповедники, заказники и т.д. В этих случаях определяющими при обосновании схем водоотбора являются природоохранные ограничения, одним из примеров решения такой задачи является оценка ЭЗПВ Зеленодольского месторождения пресных подземных вод (МППВ), разведанного для водоснабжения г.Казани.

Хозяйственно – питьевое водоснабжение г. Казани в настоящее время осуществляется преимущественно за счет поверхностных вод р. Волги. Доля подземных вод в системе водоснабжения города составляет менее 20%, причем две трети общего количества отбираемой подземной воды по своему качеству не соответствует санитарным нормам. Гидрогеологические работы по обоснованию подземного источника водоснабжения г. Казани продолжаются с 1982 г. по настоящее время, в результате поисково-оценочных работ на территории левобережья Куйбышевского водохранилища была выявлена Приказанская группа месторождений подземных вод, включающая три месторождения: Столбищенское, Зеленодольское и Лаишевское.

Месторождения Приказанской группы приурочены к палеоврезам, заполненным древним плиоценовым аллювием крупных пра-рек - Волги и Камы. Эти структуры представляют собой протяженные довольно широкие (до 3-7 км), часто извилистые полосы с глубиной эрозионного вреза от 80-100 м до 150-200 м. Подземные воды, приуроченные к песчаным отложениям палеодолины, представлены пресными водами с минерализацией преимущественно 0,2-0,3 г/л. Плиоценовые палеодолины «вложены» в терригенно-карбонатную толщу верхнепермских отложений, представленную трещиноватыми мергелями, песчаниками, известняками и доломитами (рис.1). На большей части территории подземные воды верхнепермских горизонтов имеют минерализацию 0.4-0.6 г/л. Однако, в связи с тем, что эти горизонты подстилаются гипсово-ангидритовой нижнепермской толщей, содержащей хлоридные натриевые воды с минерализацией 5-9 г/л, в местах интенсивной разгрузки снизу (в основном в долинах рек) минерализация подземных вод верхнепермских водоносных горизонтов достигает значений 2-3 г/л. В процессе работы водозаборов подземных вод в плиоценовых палеодолинах возможно привлечение некондиционных по показателям жесткости и минерализации вод из нижних частей разреза. Поэтому, при прогнозных расчетах, наряду с учетом гидродинамических ограничений, которые накладываются на прогнозные понижения и дебиты водозаборов, определяющим является выполнение гидрогеохимических ограничений при прогнозе изменения качества подземных вод в процессе эксплуатации.

statia-8-ris-1

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) Приказанской группы месторождений для водоснабжения г. Казани была выполнена методом математического моделирования на специально разработанной геомиграционной модели с учетом гидродинамических и гидрогеохимических ограничений в количестве 600 тыс. м3/сут, в том числе:

Столбищенское месторождение – 200 тыс. м3/сут по категории С1

Зеленодольское месторождение - 200 тыс. м3/сут по категории С2

Лаишевское месторождение - 200 тыс. м3/сут по категории С2.

Зеленодольское месторождение располагается к западу от г.Казани (практически примыкает к городу) в междуречье рек Казанка и Илеть, приурочено к палеодолине р.Волги. Непосредственно на территории месторождения расположен Волжско-Камский государственный природный биосферный заповедник, территория которого является особо охраняемой природной территорией, где запрещена любая деятельность, противоречащая задачам государственного природного заповедника. В связи с этим, в процессе оценки ЭЗПВ Зеленодольского месторождения центральная и большая часть палеодолины, расположенная на территории заповедника, была исключена из расчетной схемы, и в пределах палеодолины было выделено два перспективных для размещения проектных водозаборов участка - Западнозеленодольский и Восточнозеленодольский (рис.2).

statia-8-ris-2

В сложившейся ситуации оценка эксплуатационных запасов подземных вод Зеленодольского месторождения с целью перевода запасов категории С2 в категорию С1 была выполнена применительно к проектной схеме двух водозаборов подземных вод (водозаборные узлы вынесены за границу охранной зоны заповедника) и с учетом природоохранных ограничений, связанных с возможным влиянием эксплуатации проектных водозаборов на водный баланс поверхностных вод и природные ландшафты территории Волжско-Камского заповедника.

statia-8-ris-3

Основой для оценки влияния проектного водоотбора подземных вод Зеленодольского месторождения на водный режим рек, озер и болот территории заповедника послужила специально разработанная гидродинамическая схема взаимодействия подземных и поверхностных территории заповедника и его охранной зоны. При обосновании гидродинамической схемы использовались данные о поверхностных водах территории заповедника, приведенные в статьях и монографиях А.С. Тайсина, Н.М.Мингазовой, Е.Н Унковской, Л.Р.Павлововой [1,3,4], детальные карты гидроизогипс и глубин залегания подземных вод масштаба 1:50000 этой территории и батиметрические планы озер. В результате, условия взаимосвязи подземных и поверхностных вод территории заповедника были охарактеризованы следующим образом (рис.3):

1. Поверхностные воды на территории заповедника и его охранной зоны представляют собой единую озерно-речную систему, основными реками которой являются река Сумка, ее приток река Сер-Булак, а также располо­женные в их долинах карстово-суффозионные озера: Белобезводное, Черное, Раифское, Ильинское, Илантово, Крутое, Шатуниха, Казанское, Круглое, Долгое.

2. Реки Сумка и Сер-Булак на рассматриваемой территории являются «сухими реками» и в течение всего года гидравлически не связаны с подземными водами.

3. Постоянными водотоками на рассматриваемой территории в течение всего года являются нижнее течение реки Сумки (ниже озера Ильинское), а также озера Белое, Раифское и Ильинское.

4. Уровни воды в озерах Раифское и Белое выше, чем уровни подземных вод, перепад напоров составляет около 2м, следовательно, питание озер осуществляется не за счет подземных вод, а за счет поверхностных вод, в основном в период паводков. Так, например, в озеро Раифское в течение паводка поступает около 10 млн. м3 воды, а объем воды в озере в четыре раза меньше - 2.4 млн. м3.

В районе озера Ильинское уровни подземных и поверхностных вод совпадают.

5. Придонные отложения озер, определяющие фильтрационное сопротивление ложа водотоков Ko/mo, имеют глинистый состав и достигают мощности 5м. Эти данные приведены в монографии А.С.Тайсина [3], рассмотрены вопросы деградации водоемов Раифы в результате аккумуляции в них суглинистого и глинистого материала приносимого паводковыми водами.

Разработанная гидродинамическая схема взаимодействия подземных и поверхностных вод территории заповедника (уровни в реках и озерах, уровни подземных вод, ориентировочные параметры придонных отложений озер) дала возможность подробно задать на модели Зеленодольского месторождения его верхнюю границу и выполнить прогнозные расчеты разных схем эксплуатации подземных вод с оценкой возможного изменения водного баланса озер территории Волжско-Камского заповедника.

По результатам моделирования было получено, что в естественных условиях, какими в настоящее время являются гидрогеологические условия на территории заповедника, условия питания озер характеризуются следующим образом:

- Раифское озеро при превышении уровня воды в озере над уровнем подземных вод ΔН = 2м и Ko/mo = 5*10-4 1/сут не получает питание за счет подземных вод, а расчетная величина среднегодового расхода воды из озера в водоносный горизонт составляет 200 м3/сут . При объеме воды в озере 2.4 млн. м3 величина оттока в естественных условиях составляет 3 % объема воды озера, восполнение этой величины происходит ежегодно в период паводка.

- Белое озеро при ΔН = 2м и Ko/mo = 5*10-4 1/сут также не получает питание за счет подземных вод, полученная при моделировании расчетная величина расхода воды из озера в водоносный горизонт мала - ниже точности гидродинамических расчетов.

- Ильинское озеро по условиям формирования стока отличается от Раифского и Белого. Озеро находится в низовьях реки Сумки близко от зоны региональной разгрузки подземных вод - прибрежной зоны Куйбышевского водохранилища. Уровни подземных вод выше воды в озере, расчетный расход разгрузки подземных вод в озеро Ильинское полученный при моделировании составил 130 м3/сут.

Для оценки влияния на водный баланс озер работы прогнозных водозаборов на Зеленодольском месторождении была решена серия прогнозных вариантов, в которых проектная нагрузка последовательно увеличивалась от 32.5 тыс м3/сут (первая очередь освоения месторождения – проектные узлы I и II - рис.2) до 200.0 тыс м3/сут ( полное освоение месторождения). Кроме того, в прогнозных расчетах задавались эксплуатационные нагрузки на участках Волжского месторождения, соответствующие ранее оцененным ЭЗПВ, суммарная величина которых составляет 166.8 тыс м3/сут .

В результате моделирования первой очереди освоения Зеленодольского месторождения (Qпр= 32.5 тыс. м3/сут) прогнозные понижения Sпр в эксплуатируемом водоносном горизонте на участке Западнозеленодольского водозабора составили 7.2 м, а в первом от поверхности водоносном горизонте, связанном с озерами на Раифском участке заповедника вблизи озер составили: Раифское озеро – 1.5 м, Ильинское озеро – 1.4-1.8 м, Белое озеро – 1.4 м. Следует отметить, что полученные прогнозные величины характеризуют предельные понижения, которые сформируются в течение длительного, практически неограниченного периода эксплуатации. Вместе с тем, депрессионная воронка развивается постепенно и достигает своего предельного понижения через несколько десятилетий эксплуатации. При решении нестационарной задачи было показано, что на участке Раифского озера при Qпр= 32.5 тыс. м3/сут в первые годы эксплуатации понижение уровня не превысит 0.8 м и даже через 25 лет эксплуатации понижение не достигает своего предельного значения.

Расчетные фильтрационные потери из озер полученные при моделировании на Западнозеленодольском участке Qпр= 32.5 тыс. м3/сут составили:

- Раифское озеро – 540 м3/сут (относительно современных условий ΔQ = 340 м3/сут),    

- Ильинское – 50 м3/сут (разгрузка в озеро прекратилась, ΔQ = 180 м3/сут),

- Белое - 30 м3/сут (ΔQ = 20 м3/сут).

В этом случае, даже самая большая величина фильтрационных потерь, полученная для Раифского озера ΔQ = 340 м3/сут составляет всего 5% от объема воды в озере ( V = 2.4 млн.м3 ). Величина потерь рассчитана по достаточно «жесткой» гидродинамической схеме, в которой не учтено внутригодовое движение влаги в зоне аэрации.

Таким образом, эксплуатация водозабора на Западнозеленодольском участке с Qпр= 32.5 тыс. м3/сут практически не скажется на формировании водного баланса озер Раифского участка, поскольку полученные при моделировании расчетные уровни первого от поверхности водоносного горизонта не снижаются ниже дна озер, а фильтрационные потери, составляющие меньше 5% от объема воды в озерах будут ежегодно компенсироваться в период прохождения паводка.

При увеличении эксплуатационной нагрузки на Зеленодольском месторождении в результате ввода в эксплуатацию новых водозаборных узлов скважин будет происходить углубление депрессионной воронки. При полном освоении Зеленодольского месторождения (Qпр= 200 тыс. м3/сут) и при условии, что будут осваиваться ранее оцененные запасы Волжского месторождения, согласно результатам моделирования, на территории месторождения сформируется единая депрессионная воронка с прогнозными понижениями на водозаборных участках 17.0-24.0 м. При этом, в балансе озер прогнозируются следующие изменения:

- уровни подземных вод опустятся ниже дна Белого озера и фильтрационные потери из него в условиях отрыва уровня составят 120 м3/сут (дождевание), для всех последующих прогнозных вариантов эта величина останется неизменной,

- фильтрационные потери из Раифского озера составят 1380 м3/сут ( 20% от объема воды в озере), что является уже значимой величиной в балансе озера и требует специального обоснования при разработке проекта водозабора с учетом ежегодного восполнения за счет паводковых вод,

- фильтрационные потери из Ильинского озера составят 710 м3/сут (32% от объема воды в озере), что также как и для Раифского озера необходимо учесть при проектировании водозаборов ( вместе с тем, озеро находится не на территории самого заповедника, а лишь в его охранной зоне).

Следует учесть, что расчетные величины потерь из озер, расположенных на территории заповедника, получены при Qпр= 366.8 тыс. м3/сут, половину этой величины составляют не освоенные до настоящего времени ЭЗПВ Волжского месторождения ( срок на который были утверждены запасы истек в 2005 году). Вместе с тем, поскольку согласно результатам прогнозного моделирования при максимальной эксплуатационной нагрузке возможно проявится влияние вобоотбора на уровни подземных вод и баланс озер, оцененные запасы подземных вод Зеленодольского месторождения были отнесены к забалансовым, в качетстве балансовых были выделены только запасы, соответствующие водоотбору I очереди освоения местрождения - 32.5 тыс. м3/сут (рис.2).

Важной составляющей прогноза влияния водоотбора на окружающую среду является оценка состояния растительности. Для решения этой задачи была разработана схема районирования территории Волжско-Камского заповедника по режиму водного питания растений в естественных условиях, который определяется граничной глубиной залегания грунтовых вод (сумма глубины расположения корней растений и высоты капиллярного поднятия). Глубина залегания подземных вод на территории заповедника определяется в первую очередь рельефом местности и составляет 40-50 м на водораздельных пространствах и 3-5 м в долине реки Сумки. Таким образом, на большей части рассматриваемой территории глубина залегания подземных вод превышает 3.5 м и соответственно режим водного питания растений является автоморфным – независимым от положения уровня подземных вод [2]. В этих условиях снижение уровня подземных вод не окажет никакого влияния на состояние растительности.

Более чувствительна к снижению уровня подземных вод гидроморфная растительность, которая формируется в условиях постоянного или периодического переувлажнения на участках с неглубоким залеганием уровня подземных вод. Такие условия характерны для долины реки Сумки, где глубина залеганием подземных вод – менее 5 м, к которой приурочены озера – Белобезводное, Раифское, Ильинское и примыкающие к ним заболоченные участки, которые формируются за счет стока поверхностных вод и в течение всего года не пересыхают. Гидроморфное сообщество на этом участке заповедника представлено луговой и болотной растительностью, кустарниками, плавнями и т.д. Режим водного питания этих растений определяется с одной стороны положением уровня подземных вод, а с другой стороны аккумуляцией всего поверхностного стока рассматриваемой территории в понижении рельефа, приуроченного к долинам «сухих рек» Сумка и Сер-Булак.

Площадь области развития гидроморфной растительности незначительна по сравнению с территорией всего заповедника, кроме того именно эта часть долины реки Сумки (узкий прирусловой участок), на которой происходит ежегодное восполнение поверхностных вод и влагозарядка зоны аэрации за счет паводковых вод. В период весеннего снеготаяния и последующего восполнения запасов происходит компенсация запасов грунтовых вод, срабатываемых в летнюю и зимнюю межени, т.е. основная вегетация приходится на период относительно высокого стояния уровня грунтовых вод. Кроме того, следует учитывать, что сезонные внутригодовые колебания уровня грунтовых вод, т.е. его сезонное повышение после снеготаяния и последующий спад определяются климатическими факторами и происходят независимо от режима водоотбора и его последствий на снижение уровней грунтовых вод. Таким образом, есть все основания утверждать, что при освоении первой очереди Зеленодольского МППВ угнетения растительности на территории заповедника не будет происходить. И тем более, влияние водоотбора не повлияет на произрастание автоморфной растительности на водораздельных участках с глубоким залеганием грунтовых вод, поскольку ее жизнедеятельность не зависит от положения уровня грунтовых вод.

Полученные при моделировании разных схем работы проектных водозаборов на Зеленодольском МППВ расчетные величины понижений уровней и фильтрационных потерь из озер позволяют сделать следующие выводы:

1. Эксплуатация водозабора I очереди на Западнозеленодольском участке с Qпр= 32.5 тыс. м3/сут практически не скажется на формировании водного баланса озер, расположенных на территории Волжско-Камского заповедника, поскольку полученные при моделировании расчетные уровни первого от поверхности водоносного горизонта не снижаются ниже дна озер, а в первые годы эксплуатации влияние водоотбора не достигает границ заповедника. Фильтрационные потери, составляющие менее 5% от объема воды в озерах будут ежегодно компенсироваться в период прохождения паводков.

2. Все последующие схемы водоотбора, согласно результатам гидродинамических расчетов, выполненных по достаточно «жесткой» схеме, в которой не учтено внутригодовое движение влаги в зоне аэрации а также ежегодное восполнение объeма воды в озерах в паводковый период, могут привести к некоторой перестройке в водном балансе озер Раифского участка. Однако следует учитывать, что прямая связь между эксплуатируемым пластом и грунтовыми водами на Раифском участке заповедника будет отсутствовать, поскольку при больших понижениях будет происходить отрыв уровня от подошвы покровного слоя.

3. Вероятность проявления влияния водоотбора подземных вод на природную среду в пределах территории Волжско-Камского заповедника при больших эксплуатационных нагрузках определяет целесообразность поэтапного введение в эксплуатацию проектных водозаборов. В первую очередь рекомендуется освоение Западнозеленодольского участка с водоотбором – 32.5 тыс. м3/сут , которое должно сопровождаться ведением мониторинга. Далее по результатам мониторинга за развитием депрессионной воронки и изменением баланса поверхностных вод, организованного на Западнозеленодольскос водозаборе и на территории Волжско-Камского заповедника, будут приниматься решения об очередности и целесообразности ввода в эксплуатацию остальных водозаборных узлов на Зеленодольском месторождении.

 

Литература

  1. Дедков А.П., Тайсин А.С. Плиоценовые долины и четвертичные террасы Раифы. Труды Волжско-Камского государственного природного заповедника, выпуск 6, Казань, 2005 г.
  2. Жоров А.А. Подземные воды и окружающая среда: Западноевропейский опыт комплексных мсследований влияния эксплуатации подземных вод и водопонижения на окружающую среду. Под ред. А.Н.Клюквина и И.С.Пашковского. М.,1995.
  3. Тайсин А.С. Озера Приказанского района, их современные природные и антропогенные изменения. Казань, ТГГПУ, 2006 г.
  4. Унковская Е.Н., Мингазова Н.М., Павлова Л.Р. Гидрологическая и гидрохимическая характеристика водоемов Раифы. Труды Волжско-Камского государственного природного заповедника, выпуск 5, Казань, 2002 г.