logo1-color

Специфика гидродинамического моделирования форсированного режима эксплуатации водозабора на Пушкинском месторождении.

Автор: Ершов Г.Е., Козак Н.С., Черняк А.Г.


 

В статье обосновывается возможность покрытия дефицита водоснабжения г. Владивостока подземными водами Раздольненского участка Пушкинского месторождения подземных вод за счет изменения режима работы водозабора. Общая величина балансовых запасов , разведанных в 1983 г, равна 124.5 тыс.м3/сут . Методом математического моделирования доказывается возможность форсированного режима работы водозабора с производительностью 250 тыс.м3/сут и с последующим восстановительным периодом водоотбора с производительностью до 60 тыс.м3/сут. Ключевые слова: подземные воды, водоснабжение, водоотбор, форсированный режим работы  водозабора.

Водоснабжение большинства городов России основывается на совместном использовании подземных и поверхностных вод. [1] Водообильность поверхностных источников водоснабжения напрямую зависит от количества выпадающих осадков. В тех случаях, когда объемы водохранилищ не могут обеспечить существующую потребность в воде во время маловодного года, целесообразно увеличивать долю использования подземных вод. Это может достигаться как за счёт использования резервных водозаборов, так и интенсификации водозабора из существующих. Для оценки возможности увеличения подземного водоотбора необходимо оценить запас емкости водовмещающих отложений, а также наличие источников восполнения подземных вод. Гидродинамическое моделирование при оценке возможности форсированного водоотбора должно базироваться на детальном изучении источников восполнения запасов подземных вод, реализовывать режим водоотбора и оценивать динамику привлечения ресурсов - поверхностного стока, увеличенной инфильтрации, паводкового затопления и т.д. Примером такой оценки запасов методом гидродинамического моделирования для реализации форсированного водоотбора на базе ранее оцененных запасов подземных вод является Раздольненский участок Пушкинского месторождения подземных вод. Пушкинское месторождение подземных вод, открытое и разведанное ПГО «Приморгеология» совместно с институтом ВСЕГИНГЕО в 1978-1983 г.г., предлагается использовать для водоснабжения г.Владивостока.

Водоснабжение г. Владивостока в настоящее время осуществляется из поверхностных источников – водохранилищ на р.Артемовке, р.Богатой, Пионерский и подруслового водозабора р.Шкотовки. Суммарная потребность в воде .г.Владивостока, Артема и прилегающих к ним населенных пунктов на 2003 год составляла 450 тыс. м3/сут, а на 2012 год составляет 570 тыс. м3/сут. В маловодные годы, повторяющиеся примерно один раз в 4-7 лет, сработанные запасы воды в водохранилищах практически не восполняются, и тогда города испытывают острый дефицит в воде. Нормализация ситуации с водоснабжением в маловодные годы может быть обеспечена за счет использования подземных вод. Эксплуатационные запасы подземных вод Пушкинского месторождения были оценены и утверждены ГКЗ СССР в количестве 124,5 тыс. м3/сут [2] по Раздольненскому участку, но они недостаточны для устойчивого гарантированного обеспечения водоснабжения города в периоды низкой водности. Авторами разведки и подсчета запасов подземных вод Пушкинского месторождения (Б. В. Боревский, А. С. Возняковский) была выдвинута идея форсированного режима эксплуатации участка с увеличением водоотбора в маловодные годы до 250 тыс. м3/сут и последующим снижением в годы нормальной и повышенной водности таким образом, чтобы в многолетнем разрезе сохранить водоотбор равным величине оцененных запасов 124,5 тыс. м3/сут.

Пушкинское месторождение подземных вод приурочено к кайнозойской депрессии, выполненной мощной толщей песчано-гравийно-галечных пород, переслаивающихся прослоями и линзами суглинков и глин. Продуктивной является ее верхняя часть, мощностью 100-250 м в отложениях усть-давыдовской (N11-2ud) и усть-суйфунской (N2s-N13us) свит миоцена (рис.1). Водосодержащие породы представлены гравийно-галечными отложениями, мощность которых изменяется от 10-20 м на востоке участка, до 150-200 м - на западе. Этот продуктивный водоносный комплекс обладает большой регулирующей емкостью водовмещающих пород. Расчётная доля емкостных запасов при равномерном водоотборе (при подсчете запасов методом математического моделирования в 1982 г) в начальный период эксплуатации достигает ~ 50%, на конец 25-летнего эксплуатации в расчетном балансе водоотбора она чуть превышает 4%. Ее значительная неиспользованная часть представляет возможность более интенсивной сработки емкости в периоды форсированного водоотбора. И соответственно - последующего частичного восполнения в периоды «щадящего» водоотбора (восстановительный режим). Для доказательства возможности реализации форсированного режима эксплуатации в маловодные годы и последующего восполнения запасов необходимо оценить изменения баланса подземных вод по источникам их формирования.

statia-7-ris-1

Современная многослойная гидрогеологическая модель Раздольненского участка Пушкинского МПВ, позволяющая реализовать периодический форсированный режим эксплуатации, была разработана на основе модели 1982 г, построенной при оценке запасов в значениях понижения. Для более полной оценки формирования запасов, воспроизведения динамики снижения и восстановления уровня, характеристики привлечения стока малых рек и воспроизведения объемной структуры потока современная модель была реализована в абсолютных отметках (рис 2).

statia-7-ris-2

Слой 1 представляет отложения современных речных долин. На водораздельных территориях он отсутствует. Характер взаимосвязи чет­вертичного горизонта с нижележащим продуктивным водоносным комплексом зависит от состава кровли усть-суйфунского горизонта. В средних и ниж­них течениях рек разделяющий их слой отсутствует, и оба горизонта представляют собой еди­ную гидравлическую систему. В верховьях долин малых рек существует гид­равлический разрыв между горизонтами, и их взаимосвязь осуществляется в режиме дождевания. Опытными откачками установлена тесная гидравлическая связь усть-суйфунского водоносного гори­зонта с четвертичным аллювиальным, а последнего - с реками, и доказана возможность восполнения эксплуатационных запасов подземных вод за счет привлечения поверхностного стока. Слой 2 соответствует подстилающим русловой аллювий глинистым илам, а также глинам и алевролитам, залегающим в кровле усть-суйфунского горизонта. В местах отсутствия аллювия (на водоразделах) он представляет базальты шуфанской свиты. Покровные базальты слагают все водораздельное пространство на западе участка, образуя обширное Борисовское плато. Слой 3 представляет собой основной продуктивный комплекс. В него включены залегающие в основании поймы р. Раздольная песчано-гравийные и гравийно–галечниковые аллювиальные отложения, отложения суйфунской и усть-суйфунской свит. В северной части Раздольненского участка в мощность слоя включены грубообломочные отложения усть-давыдовской свиты и трещиноватые водонасыщенные миоценовые базальты. Водообильность неравномерная, что связано с фациальной изменчивостью водовмещающих пород, измене­нием их мощности; наличием слабопрони­цаемых экранов; уплотнением пород под толщей базальтов. В районах развития аллювиально-пролювиальных фаций водообильность горизонта высокая. Дебиты разведочных и разведочно-эксплуатационных скважин достигают 30-35 л/с при понижениях 6-10 м. При удалении к западу дебиты скважин составляют 7-9 л/с, при понижениях 3-5 м. Также изменяются и коэффициенты фильтрации, от 12-14 м/сут. до 2 м/сут. Слой 4 представляет слабопроницаемые алеврито-глинистые отложения в кровле усть-давыдовской свиты, а также нетрещиноватые базальты сандуганской свиты. Мощность четвёртого слоя была задана условно равномерной, равной 10 м. Слой 5 соответствует водоносному горизонту усть-давыдовской свиты. Мощность слоя -70 м.

Основными источниками формирования запасов подземных вод на Раздольненском участке являются: подземный сток, формирующийся в пределах участка за счет инфильтрации атмосферных осадков и разгружающийся в русла и поймы рек; поверхностный сток малых рек, формирующийся в пределах участка; транзитный поверхностный сток р. Раздольной; емкостные запасы продуктивной водоносной толщи.

Среднемноголетняя величина атмосферных осадков – 630 мм. Большая доля осадков связана с выходом на Приморье тайфунов. В среднем за год проходит 2-3 тайфуна, однако раз в 5-8 лет отмечается их отсутствие, либо малая интенсивность. При моделировании режима форсировано-восстановительного водоотбора были выделены зоны, по которым принимались различные величины инфильтрации. Со склонов базальтового плато атмосферные осадки рассредоточенным стоком преимущественно поступают ниже, в долины. В связи с этим на высоких абсолютных отметках, крутых склонах инфильтрационное питание составляет не более до 50 мм/год. А по долинам малых рек, где во время многоводных лет, паводков и тайфунов происходит затопление этих долин, инфильтрационное питание задавалось разным по времени - в маловодные годы – 100 мм/год, а в многоводные годы - до 300 мм/год. Площадь их незначительна . В долине р.Раздольная инфильтрационное питание принималось - 100 мм/год, так как там большое количество атмосферных осадков поверхностным стоком через дренажные канавы разгружается в р. Раздольную.

Главной водной артерией района является р. Раздольная. Практически вся ее пойма заболочена. В местах заболачивания были заданы дрены, которые воспроизводят разгрузку подземного потока в озера и болота при выходе вдоль тылового шва поймы. Притоки р. Раздольной являются основными источниками восполнения подземных вод. По внутригодовому водному режиму они относятся к рекам дальневосточного типа. Особенностью такого режима является его крайняя неравномерность, поскольку в теплый период иногда проходит до 98% объема годового стока. Максимальный расход воды летних дождевых паводков может в 20 раз превышать средний годовой расход. При подсчете запасов величина суммарного поверхностного стока была оценена в 110 тыс.м3/сут в год 95% обеспеченности. Для восполнения запасов подземных вод, учитывая изменчивость параметров сопротивления русловых отложений, была принята минимальная величина привлечения в объеме 60 тыс.м3/сут. Качественно изменчивость сопротивления русловых отложений была оценена при переоценке запасов в ходе аквагеофизических работ по руслам рек. Русла малых рек сложены галечно-валунными отложениями, в нижнем течении они песчано-галечные или песчано-илистые, что определяет благоприятные условия взаимосвязи поверхностных и подземных вод и восполнения последних, в т.ч. в период ливневых осадков. Количественная оценка проводилась методом моделирования групповых откачек. Подземный сток в реки, формирующийся в пределах Раздольненского участка, был оценен в количестве 62 тыс.м3/сут для года 50% обеспеченности и 32.5 тыс.м3/сут для года 95% обеспеченности. Суммарная величина привлекаемых запасов, по данным математического моделирования в 1982 г составила 120 тыс.м3/сут. При переоценке запасов на модели были дополнительно воспроизведены естественные условия Раздольненского участка Пушкинского месторождения. При калибровке модели большое значение имело сопоставление величин модельного и фактического подземного стока для замыкающих створов рек. После сопоставления баланса модели при равномерном водоотборе с величинами, полученными при оценке запасов в 1982 г., и корректировки параметров модели в сторону соответствия ранее выполненным оценкам, на модели был реализован форсированно – восстановительный режим водотбора.

Прогнозные задачи учитывали наихудшую климатическую ситуацию, когда маловодные периоды повторяются два года подряд. В соответствии с климатическими особенностями территории годы, когда не происходит наполнения водохранилищ, случаются раз в 4-7 лет. В маловодный период предполагается форсированный водоотбор из подземных вод Раздольненского участка. Было решено две основные задачи. 1) С равномерным водоотбором в количестве 124,5 тыс.м3/сут, соответствующем утвержденным ранее ЭЗПВ. Этот вариант предусматривал возможность перехода водозабора в форсированный режим эксплуатации, в связи с чем для него была выполнена оптимизация водоотбора (по сравнению с предыдущей водозаборной схемой). 2) С форсировано-восстановительным режимом работы водозабора. Начиная с осени маловодного периода предусматривался перевод Раздольненского водозабора в режим форсированной эксплуатации с суммарным водоотбором порядка 250 тыс.м3/сут. После этого в течение 3-4 лет необходим сниженный (реабилитирующий) водоотбор на водозаборе, для приведения величины среднемноголетнего водоотбора к эксплуатационным запасам подземных вод месторождения. Для этой задачи было выполнено два основных варианта: c шестилетним повторяющимся циклом (два года подряд форсированного режима с отбором 250 тыс.м3/сут и четыре последующих – восстановительный период с суммарным отбором по 61,75 тыс.м3/сут, среднемноголетнее значение – 124,5 тыс.м3/сут равно сумме утверждённых запасов); 2Б -c трёхлетним повторяющимся циклом форсированного водоотбора (один год форсированного режима с отбором 250 тыс.м3/сут и два последующих – восстановительный период с суммарным отбором 61,75 тыс.м3/сут).

Таким образом, рассматривались предельно возможные случаи повторения маловодных лет (два года подряд и повторение раз в три года) в соответствии с климатическими особенностями территории годы, когда не происходит наполнения водохранилищ, случаются раз в 4-7 лет. Соответственно, все реально возможные случаи лежат в пределах этих рассмотренных ситуаций (меньшее количество и повторяемость ситуаций, требующих форсированного режима), то есть требуют менее напряжённого режима. Для обоснования возможности форсировано-восстановительного режима требовалось оценить достаточность и изменение роли и величины различных балансовых составляющих водоотбора в многолетнем разрезе при равномерном водоотборе 124.5 тыс.м3/сут, его интенсификации в маловодные годы до 250 тыс.м3/сут и последующем снижении в многоводные годы. Инфильтрационное питание   для естественных условий, по всей территории модели составляет порядка 60 тыс.м3/сут. В маловодный или же маловодный год оно соответственно изменяется на 6 тыс. м3/сут. При эксплуатации водозабора будет происходить сокращение стока малых рек и осушение болот в долине р. Раздольная. При подсчете запасов было принято, что привлечение поверхностного стока   будет не меньше величины подземного стока, фиксируемого в руслах рек, за исключением тех участков, где в естественных условиях уровень продуктивного водоносного комплекса оторван от рек. Часть подземного стока, формирующаяся в верховьях рек в пределах четвертичных отложений, не будет участвовать в формировании эксплуатационных запасов. По данным моделирования на конец прогнозного периода (25 лет) привлечение поверхностного стока рек составляет порядка 35 тыс.м3/сут (рис.3). Разгрузка подземных вод в реки, которая в естественном состоянии достигает 48. тыс.м3/сут сокращается - до 14 тыс.м3/сут. Общий ущерб речному стоку (за счёт сокращения разгрузки и привлечения поверхностного стока) при постоянной работе водозабора в равномерном режиме составит 68 тыс.м3/сут, а в последний год форсированного водоотбора составит 70 тыс.м3/сут. Еще около 32 - тыс.м3/сут составляет сокращение стока в болота и дрены, преимущественно в пойме р. Раздольной. Общая сумма уменьшения разгрузки и привлечения поверхностного стока на 25 м году работы водозабора составляет 102,2 тыс.м3/сут при работе водозабора в форсировано-восстановительном режиме и 100.2 тыс.м3/сут при работе в равномерном режиме, т.е. в многолетнем разрезе практически не менялся. Сокращение стока в реки на конец расчётного срока эксплуатации нигде не превышает их расхода 95% обеспеченности, т.е. полностью обеспечено величиной среднегодового поверхностного стока. В данных природных условиях при расчете водозабора вследствие большой регулирующей емкости можно рассматривать не минимальное, а среднегодовое расчетного года и даже среднемноголетнее питание подземных вод. В то же время, для оценки величины сокращения стока рек следует рассматривать среднегодовой меженный сток лет и меженных периодов низкой водности. Привлекаемая величина поверхностного стока, после первого года работы водозабора является практически постоянной. В течение эксплуатации водозабора   привлечение подземного стока увеличивается, но когда в результате понижения уровня продуктивного водоносного горизонта происходит отрыв уровня подземных вод от дна мелких рек, привлекаемая величина ресурсов из рек перестает изменяться. Протяженность участков русел рек, где происходит отрыв уровня постепенно увеличивается. Для рек Большая Кедровка, Малая Кедровка, и Грязнушка отрыв уровней происходит в первые два года работы водозабора, для рек Клепочная и Первая Речка отрыв уровней происходит только на части территории и в первые пять лет подземный сток привлекается наиболее интенсивно, а затем величина перехватываемого подземного стока увеличивается значительно медленней. А для р.Кедровка, где отрыв уровней происходит в незначительной части территории, величина привлекаемого подземного стока увеличивается более существенно, чем для остальных. В настоящее время сток в малых реках в январе-феврале практически отсутствует из-за перемерзания русла, а в остальные зимние месяцы, к которым можно отнести также и март, составляет менее 2% среднегодового стока, т.е. также очень незначителен. Таким образом, поверхностный сток в малых реках отмечается в течение 8 месяцев в году. Влияние водоотбора приведёт к увеличению периода отсутствия стока в реках в маловодные годы (при отсутствии осенних тайфунов) до 6 месяцев, с сентября по март. В годы средней водности сентябрьский поверхностный сток по всем рекам в несколько раз превышает величину рассчитанного ущерба, т.е. период отсутствия стока в такие годы составит 4,5-5 месяцев. При сохранении водоотбора в среднемноголетнем значении ущерб речному стоку близок для разных вариантов эксплуатации и практически не изменился по отношению к оценке запасов в 1983 г. Переход от равномерного режима водоотбора к форсировано-восстановительному практически не меняет влияния работы водозабора на бассейн реки Раздольная.

statia-7-ris-3

При работе водозабора в форсировано-восстановительном режиме, меняется только амплитуда колебания балансовых составляющих, сами величины, в среднем, остаются теми же. Понижения уровней при сохранении водоотбора в среднемноголетнем значении близки, для разных вариантов форсировано-восстановительного водоотбора отличаются только амплитуды колебания. Расчётные понижения уровней на период их максимального снижения повсеместно меньше величины допустимых понижений, которые приняты исходя из остаточной обводнённой мощности пласта не менее 20 м, обеспечивающих прогнозные дебиты скважин. Разница в динамических уровнях для форсированного и штатно-равномерного режима составляет от 4 до 11 метров. Снижение уровней подземных вод происходит весь период эксплуатации месторождения за счёт постоянной сработки ёмкости основного эксплуатируемого горизонта. В восстановительный период после форсированной эксплуатации снижение уровней существенно замедляется и происходит их частичное восстановление. Таким образом, данные расчетов показали, что при сохранении водоотбора в среднемноголетнем значении и понижения уровней и ущерб речному стоку, близки для разных вариантов. При моделировании форсировано-восстановительного режима работы водозабора   увеличение снижения уровня подземных вод в год форсированного водоотбора ( по сравнению с равномерным водоотбором)   нивелируется восстановлением уровня в годы щадящего водотбора. Продолжительность периода щадящего водоотбора зависит от величины минимально возможного водоотбора, который определяется необходимостью поддержания постоянных рабочих давлений в водоводах. Таким образом при восстановительном водоотборе в 61,75 тыс. м3/сут необходимо два года работы водозабора в восстановительном режиме. Однако, при увеличении величины восстановительного водоотбора до требуемого водопользователем минимальной возможной величины (82.7 тыс. м3/сут) восстановительный режим работы необходим в течение 3 лет для приведения величины среднемноголетнего водоотбора к величине эксплуатационных запасов подземных вод.

Таким образом, результаты численного моделирования полностью подтвердили высказанное ранее предположение о решающей регулирующей роли усиления сработки емкости пласта в обеспечении форсированного водоотбора и возможности ее восполнения в периоды восстановительного режима. В то же время, переход к схеме форсированной эксплуатации требует уточнения схемы водозабора, обоснования перераспределения нагрузок между скважинами в связи с ограничениями на величину допустимых понижений в периоды форсированного режима, а продолжительность восстановительного периода должна определяться величиной минимального допустимого водоотбора, определяемого условиями поддержания рабочего состояния водоводов.

 

Список использованной литературы.

  1. Подземные воды Мира: ресурсы, использование, прогнозы. Под ред И.С.Зекцера .М,Наука,2007
  2. Рынков В.С.,Боревский Б.В. Возняковский А.С. Возможности открытия и особенности разведки месторождений подземных вод в условиях Приморья, Тезисы докл.Всесоюз.совещ.по подземным водам Востока СССР,СО АН СССР,1985