О прогнозе изменения уровня грунтовых вод под влиянием крупного водоотбора из подземных источников

Подробности

Автор: Просеков А.М., Козак Н.С.

При проектировании крупного водоотбора из подземных источников важное значение имеют прогнозы изменения уровня грунтовых вод, поскольку его понижение может изменить водный баланс территории с нанесением ущерба естественным ландшафтам. Весьма важное значение эти вопросы приобретают в ходе выполнения поисково-оценочных на подземные воды работ на территории Московской области, где на фоне уже достигнутого крупного водоотбора рассматриваются возможности его дальнейшего увеличения с целью дополнительного водоснабжения населенных пунктов, в т.ч. и г.Москвы.

Одним из участков проведения поисково-оценочных работ является северная часть Московской области в зоне канала им.Москвы.

Гидрогеологические условия рассматриваемой территории определяются ее приуроченностью к Московскому артезианскому бассейну. В вертикальном разрезе выделяются два резко отличающихся по фильтрационным свойствам водоносных комплекса, представленных песчано-глинистыми отложениями мезо-кайнозоя и карбонатными каменноугольными водоносными пластами, сложенными трещиноватыми и закарстованными известняками с прослоями доломитов, мергелей и глин. Существующие водозаборы подземных вод эксплуатируют каменноугольные водоносные горизонты, оказывая в различной степени влияние на режим мезо-кайнозойских водоносных горизонтов, в том числе и грунтовых вод.

В северной части Московской области расположены как крупные действующие водозаборы подземных вод (Клин, Дмитров, Сергиев Посад) с достигнутым водоотбором от 40 до 80-100 тыс.м³/сут, так и более мелкие (Запрудня, Талдом и др.), учтенный водоотбор по которым не превышает 5-25 тыс.м³/сут. На этой же территории имеются и удаленные от действующих водозаборов области с естественным режимом фильтрации, что позволяет выполнить сравнительный анализ уровенного режима грунтовых вод в зависимости от степени его нарушения в каменноугольных водоносных горизонтах. Дополнительный прогнозный водоотбор на этой территории для обеспечения потребностей Северной водозаборной системы может составить около 600 тыс.м³/сут. Особенности уровенного режима подземных вод достаточно изучены в результате выполнения комплекса режимных наблюдений при их продолжительности на отдельных участках до 40 лет.

С использованием данных режимных наблюдений были построены графики изменения уровней подземных вод основных каменноугольных водоносных горизонтов, перекрывающих их пластов и грунтовых вод, развитых в отложениях московской морены. По результатам этих наблюдений видно, что на участках крупных водозаборов (Клин, Дмитров) последовательное понижение уровня подземных вод в каменноугольных пластах не сопровождается таким же многолетним понижением уровня грунтовых вод, несмотря на то, что разрыв в их отметках достигает 30-40 м. Характерным является лишь увеличение амплитуды колебания уровня грунтовых вод на участках крупных водозаборов по сравнению с режимом в естественных условиях фильтрации (до 4-5 м против 1.5-2 м) при практически ежегодном восполнении.

Данное обстоятельство объясняется, очевидно, интенсификацией питания грунтовых вод в областях их нарушения за счет ежегодного паводкового восполнения, обусловленного как дождевыми паводками, так и весенним снеготаянием. Заметим, что в последнем случае очагами дополнительного питания служат, в основном, русла рек, канав, днища озер, болот, т.е. талые участки местности на пестром фоне сезонномерзлых пород.

Этот источник формирования эксплуатационных запасов подземных вод (паводковое регулирование), как правило, не учитывается при подсчете запасов и прогнозе изменения уровня, что объясняется сложностью процессов паводкового регулирования запасов, зависящих от множества факторов, которые не могут быть достаточно полно учтены даже методами моделирования. Многолетний тренд изменения среднегодовых и минимальных глубин уровней зависит от водности соответствующего периода наблюдений, а амплитуда – от состава водовмещающих пород и строения разреза.

В ходе выполнения поисково-оценочных на подземные воды работ в зоне канала им.Москвы нами была предпринята попытка оценить прогнозное изменение уровня грунтовых вод с учетом их паводкового регулирования в условиях дополнительного водоотбора из каменноугольных водоносных горизонтов с использованием методов математического моделирования и аналитических расчетов, базирующихся на результатах многолетних режимных наблюдений.

Методом моделирования на геофильтрационной модели территории канала им.Москвы был оценен прогнозный темп понижения уровня грунтовых вод при планируемом водоотборе из каменноугольных пластов (без учета их паводкового восполнения).

Аналитическими расчетами выполнена оценка дополнительного питания подземных вод в паводковые периоды. В результате было установлено, что возможный ежегодный объем паводкового восполнения грунтовых вод может превышать сумму расходных частей баланса фильтрационной модели (подземный сток рек 50% обеспеченности, прогнозный водоотбор, родниковый сток, отток за пределы моделируемой площади и эвапотранспирация).

Модельный темп сработки уровня грунтовых вод в пунктах проведения стационарных режимных наблюдений накладывался на графики фактических среднегодовых колебаний уровня, в результате чего был установлен прогнозный темп изменения уровня грунтовых вод. При построении прогнозных графиков в периоды естественного спада уровня графики фактических данных суммировались с модельным графиком понижения уровня. В паводковые периоды принималось, что пониженный под влиянием эксплуатации уровень грунтовых вод полностью восстанавливается. Основанием для этого служили фактические данные многолетних режимных наблюдений на участках крупных действующих водозаборов и аналитические расчеты запасов паводкового регулирования.

Таким образом, в результате выполненных аналитических расчетов и моделирования был установлен прогнозный график изменения уровня грунтовых вод под влиянием крупного прогнозного водоотбора из каменноугольных водоносных горизонтов в зоне канала им.Москвы.

Результаты выполненных расчетов для участка в районе г.Дмитрова приведены на рис.1. Как видно, прогнозная амплитуда колебания уровня грунтовых вод под влиянием дополнительного водоотбора может увеличится еще приблизительно на 1 м.

Выводы:

1. Анализ опыта эксплуатации подземных вод каменноугольных водоносных горизонтов на участках крупных водозаборов в северной части Московской области свидетельствует об отсутствии последовательного понижения уровня грунтовых вод несмотря на то, что величина понижения уровня в продуктивных каменноугольных пластах достигает 40-50 м.

2. Влияние крупного водоотбора сказывается лишь на увеличении амплитуды годовых колебаний уровня грунтовых вод, достигающей 4-5 м против 1.5-2 м в естественных условиях фильтрации для условий московской морены, пользующейся в северной части Московской области повсеместным распространением.

3. Прогнозные расчеты уровня грунтовых вод под влиянием крупного прогнозного водоотбора могут быть выполнены комплексированием методов аналитических расчетов, базирующихся на данных режимных наблюдений, и моделирования геофильтрации в общепринятой постановке. Собственно подсчет запасов подземных вод может осуществляться с условием постоянства уровня в грунтовом потоке.

В заключение необходимо заметить, что устойчивого понижения уровня грунтовых вод под влиянием эксплуатации подземных вод основных каменноугольных водоносных горизонтов не отмечается и на всей территории Московской области.