Методика поисково-оценочных работ на участках инфильтрационных водозаборов в долинах рек севера Кольского полуострова

Автор: Мелихова Г.С., Сычева Л.Б.

Результаты оценки прогнозных эксплуатационных ресурсов подземных вод, полученные при проведении работы по «Оценке обеспеченности населения Мурманской области ресурсами подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения», свидетельствуют о том, что значительные ресурсы подземных вод сосредоточены по долинам рек, где возможно создание береговых инфильтрационных водозаборов.

Месторождений подземных вод, посредством освоения которых могло бы быть обеспечено хозяйственно-питьевое потребление населением г.Мурманска, до настоящего времени выявлено не было.

Данные поисковых работ, проведенных с целью выявления ресурсов подземных вод для обеспечения в частности потребностей г.Мурманска и близ расположенных населенных пунктов (суммарная потребность – 210 тыс.м³/сут), показали, что наиболее эффективно целевая задача может быть решена посредством вовлечения в эксплуатацию подземных вод, локализованных в четвертичных отложениях долин рек Туломы и Колы.

В настоящее время для водоснабжения этих объектов используют исключительно поверхностные воды, отбираемые 3-мя водозаборами, размещенными на реках Кола и Тулома и системе озер Рог-озеро и Большого (рис. 1).

Поверхностные воды рек Колы и Туломы, оз.Большого характеризуются высокими значениями цветности (40-60⁰), мутности, окисляемости и, по комплексному индексу загрязнения, относятся к умеренно загрязненным (КИЗ 3-4). При этом довести их качество до питьевого посредством используемых систем водоподготовки не представляется возможным.

Гидрографическая сеть принадлежит бассейну Баренцева моря. От моря глубоко в сушу вдается Кольский залив, в который впадает самая крупная река района Тулома. Река Кола, вторая по величине река района, является правым притоком р.Туломы. Приливно-отливные явления на Кольском заливе достигают нижнего бьефа Туломской ГЭС (в связи с перепадом уровней в нижнем и верхнем бьефе не менее 14,0 м, подземные воды даже на острове, где расположена ГЭС, не засолоняются). Обилие озер, имеющих сток через небольшие ручьи и реки, обусловливает весьма густую и сложную гидросеть. Часть площади заболочена. Реки и ручьи характеризуются малой протяженностью, большими уклонами, невыработанным ступенчатым продольным профилем. Значительное количество ручьев имеет каньонообразные долины.

Река Тулома вытекает из Нот-озера. Русло реки слабоизвилистое и не имеет разветвлений. Ширина реки в устьевой части 1000-1500 м, глубина изменяется от 20 до 30 м, площадь водосбора 19100 км². Минимальный зимний 30-суточный речной сток составляет 35,6 м³/с, годовой сток 95% обеспеченности – 141 м³/с.

Река Кола берет начало из Колоозера. Ширина ее изменяется в основном от 40 до 50 м, достигая максимального значения у Зверосовхоза – 150 м; глубина 1,5-2,0 м, площадь водосбора 3780 км².

Территория района работ сложена разнообразными комплексами метаморфических и интрузивных пород архея и протерозоя. Кристаллические образования составляют нижний структурный ярус, перекрытый рыхлыми четвертичными образованиями верхнего яруса – ледниковыми, морскими, озерно-ледниковыми, флювиогляциальными, торфяно-болотными и элювиально-делювиальными отложениями.

Район работ входит в состав Балтийского гидрогеологического бассейна, который характеризуется широким развитием поровых грунтовых вод в четвертичных отложениях, трещинных вод кристаллических пород и трещинно-жильных напорных вод тектонических зон. Все подземные воды принадлежат зоне свободного водоотмена и формируются под влиянием климатических факторов и дренирующего воздействия речной сети. Вследствие отсутствия выдержанного водоупора между четвертичными отложениями и кристаллическими породами, подземные воды гидравлически взаимосвязаны, образуя единую гидродинамическую систему.

Особенности гидрогеологических условий участков определяются их приуроченностью к речным долинам, где мощность четвертичных отложений значительно возрастает по отношению к другим участкам района и достигает 80-100 м.

В водоносной системе четвертичных отложений долин рек Колы и Туломы, в верхней ее зоне, выделяются слабоводоносные горизонты, к которым (по преимущественному распространению) относятся: современный торфяно-болотный горизонт (вQ_IV) – в виде разобщенных участков, мощностью 0,5-1,5 м, и современный морской горизонт (mQ_IV), мощностью от 5 до 25 м (рис. 2, 3).

Залегающий ниже осташковский морской горизонт (mQ_IIIos) в долине р.Туломы – преимущественно водоносный, литологический состав изменяется от тонких песчаных фракций (в верхней части разреза) до валунно-галечных отложений – в нижней. Мощность горизонта до 60-70 м. В долине р.Колы горизонт слабоводоносный, на отдельных участках – водоупорный. Мощность изменяется от 10 до 40 м.

Осташковский морской горизонт представлен отложениями трансгрессии и регрессии моря. Они выполняют долины рек Туломы и Колы и языками вдаются вглубь района по притокам – рекам и ручьям. Питание горизонта осуществляется, в основном, за счет инфильтрации атмосферных осадков, частично перетеканием из верхних и нижних горизонтов.

В нижней части разреза четвертичных отложений развит горизонт флювиогляциальных отложений (f,lgQ_IIIpd). В долине р.Колы горизонт залегает узкой полосой (400-600 м) вдоль современного русла реки на глубине от 17-18 м (пос.Кильдинстрой) до 45-60 м (пос.Зверосовхоз). Мощность горизонта от 12 до 20 м. Сложен гравийно-галечниковыми отложениями с песчаным заполнителем. Горизонт напорный, залегает под слабоводоносным и водоупорным осташковским морским горизонтом. Удельные дебиты 18-25 л/с/м, К_ф = 80-200 м/сут. В долине р.Туломы горизонт залегает также узкой полосой (500-600 м) вдоль русла водохранилища (~150 м в переуглубленной части) на глубине 30-80 м. Мощность достигает 40 м. Представлен валунно-галечниковыми отложениями с высокой водообильностью. Удельные дебиты 5-7 л/с/м, К_ф = 80-300 м/сут.

Питание горизонта осуществляется за счет перетока из смежных горизонтов, преимущественно сверху из осташковского морского горизонта, который залегает непосредственно под современными отложениями и гидравлически связан с поверхностным стоком.

Учитывая сравнительно высокие фильтрационные свойства и большую мощность, водоносный подпорожский флювиогляциальный горизонт оценивается (совместно с нижней зоной осташковского морского горизонта) как наиболее перспективный для водоснабжения г.Мурманска.

Водообильность и фильтрационные свойства архейско-протерозойского комплекса метаморфических пород за редким исключением невысоки и определяются характером и степенью их трещиноватости.

Анализ имеющейся информации по гидрогеологическим условиям участков долин рек Колы и Туломы показал, что величина ресурсного потенциала подземных вод на этих участках определяется, в значительной степени, условиями залегания продуктивных горизонтов, которые, обладая высокими фильтрационными характеристиками, на большей части изучаемой площади располагаются под акваторией Нижнетуломского водохранилища и р.Колой, что осложняет выбор участков для создания береговых инфильтрационных водозаборов. С другой стороны, наличие слабопроницаемых и водоупорных отложений, залегающих выше продуктивного горизонта, затрудняет его гидравлическую взаимосвязь с поверхностными водами. Учитывая тот факт, что основное питание продуктивного горизонта осуществляется из поверхностных источников (р.Кола и Нижнетуломское водохранилище), при поисково-оценочных работах значительное внимание, наряду с изучением площадей распространения и фильтрационных характеристик горизонтов, должно быть уделено изучению вертикальной проницаемости верхних горизонтов (наличие проницаемых зон и гидравлических «окон»).

Исходя из специфики геологического строения и гидрогеологических условий района исследований, с учетом сложившейся к настоящему времени схемы водоснабжения г.Мурманска и величины потребности в воде, разработаны методика и объемы исследований, необходимые для оценки ресурсного потенциала подземных вод на участках долин рек Колы и Туломы.

Приведенные общие характеристики долин обусловили направленность поисково-оценочных работ на изучение строения речных долин, выделение участков распространения четвертичных отложений наибольшей мощности и, преимущественно, песчаного и обломочного состава и, таким образом, выявление участков, перспективных для сооружения водозаборов инфильтрационного типа.

С целью получения необходимой информации в комплекс проводимых исследований (на стадии поисково-оценочных работ) включены как традиционные (бурение, режимные наблюдения, кратковременные откачки, сейсмокаротаж и сейсморазведка), так и специальные виды работ:

- специальные геофизические работы (акваториальная геофизика, сейсморазведка МОВ ОГТ, КМПВ, индукционное зондирование – ЗСБ, термометрия и резистивиметрия);

- детальное изучение строения и свойств отложений, перекрывающих продуктивный водоносный пласт в долинах рек Колы и Туломы, определяющие условия привлечения поверхностного стока при эксплуатации;

- разработка гидрогеологических моделей объектов и моделирование (в т.ч. разведочное моделирование, проводимое в процессе исследований, с целью корректировки методики и объемов исследований).

Исходя из целевого назначения исследований, при производстве работ в долине р.Туломы основное внимание уделено выявлению площадей распространения и мощностей продуктивных горизонтов, получению сравнительных характеристик фильтрационных свойств этих горизонтов (как на суше, так и под Нижнетуломским водохранилищем); выявлению участков возможной гидравлической взаимосвязи продуктивных горизонтов с поверхностными водами.

Для решения этой проблемы перед геофизикой поставлены задачи по проведению исследований непосредственно в пределах Нижнетуломского водохранилища, включающие: детальное изучение литологии придонного слоя; выделение возможных участков субаквальной разгрузки; оценка вертикальной изменчивости минерализации вод Туломского водохранилища.

При производстве работ в долине р.Колы основное внимание, помимо выявления площадей распространения продуктивных горизонтов и их фильтрационных характеристик, также уделено оценке условий привлечения поверхностного стока при эксплуатации (стратиграфическая приуроченность глинистых пластов, их инженерно-геологические свойства, соотношения напоров подземных вод, локализованных в толще слабопроницаемых отложений, в выше и ниже залегающих водоносных горизонтах). С этой же целью запланированы и выполнены акваториальные геофизические работы вдоль береговой линии р.Кола (левый и правый берег), с дальнейшей детализацией на участках предполагаемого улучшения гидравлической взаимосвязи продуктивного горизонта с речными водами.

Намеченные и выполненные в пределах долин рек Кола и Тулома исследования (на стадии поисково-оценочных работ) позволили выявить участки, перспективные для создания инфильтрационных водозаборов, и предварительно оценить их ресурсный потенциал. Дальнейшие исследования для оценки эксплуатационных запасов подземных вод рассматриваемых береговых водозаборов на правобережье р.Колы и Нижнетуломского водохранилища должны быть связаны с бурением скважин по длине проектируемого водозабора и проведением кустовых и групповых откачек в сети наблюдательных скважин, как на продуктивный горизонт, так и на вышележащие горизонты, обеспечивающие привлечение поверхностного стока при эксплуатации. Для получения достоверных данных по фильтрационным характеристикам пластов и выявления условий формирования водопритоков при эксплуатации, целесообразно проведение опытно-промышленной эксплуатации с сооружением 3-4-х разведочно-эксплуатационных скважин по длине проектируемого водозабора, дебит которых соответствует проектной нагрузке при эксплуатации.