Оценка влияния отбора подземных вод из водоносных отложений в каменноугольных отложениях на режим...
logo1-color


Оценка влияния отбора подземных вод из водоносных отложений в каменноугольных отложениях на режим уровней грунтовых вод в пределах Московского региона

Автор: Колотов И.Б.


 

Вопрос о влиянии интенсивного отбора подземных вод из эксплуатационных водоносных горизонтов на режим уровней грунтовых вод обычно обсуждается при проектировании крупных водозаборов. В начале обсуждения рассматриваемой проблемы отметим, что любая деятельность человека влияет на окружающую его среду. В её рамках указанного вопрос оценки влияния отбора подземных вод на природные условия состоит не в изобретении запретительных мер, а в минимизации отрицательных эффектов функционирования природно-технических систем. Далее, вопрос состоит в том, на какие уровни грунтовых вод влияет водоотбор: меженные, паводковые, среднегодовые, среднемноголетние. В первую очередь следует анализировать изменения меженных уровней грунтовых вод. При обнаружении тенденции к их снижению можно предполагать отсутствие многолетнего регулирования запасов грунтовых вод. Городские территории, в пределах которых существенно влияние техногенного питания грунтовых вод, следует исключить из рассмотрения. Наконец, в Московской области ощутимое влияние эксплуатации подземных вод на уровень грунтовых вод следует ожидать в районах интенсивного водоотбора при наличии в их пределах гидрогеологических окон, сформированных в областях размыва юрских глин и моренных суглинков.

Если считать, что основной объём подземных вод зоны активного водообмена имеет инфильтрационный генезис, эксплуатация каменноугольных водоносных горизонтов не может не влиять на грунтовые воды, также относящиеся к зоне активного водообмена. В соответствии с [1] на основании опробования водоносных горизонтов на содержание трития в подземных водах каменноугольный водоносный комплекс на территории Москвы и Подмосковья не защищён от загрязнения до глубины 350-400 м, в то время как на глубине порядка 500 м время водообмена составляет 500-800 лет. Таким образом, мощность зоны активного водообмена имеет величину до 500 м. При этом обычная максимальная глубина заложения водозаборных скважин составляет 200-250м.

Для оценки влияния эксплуатации подземных вод Московского региона на грунтовые воды был выполнен анализ имеющихся графиков режимных наблюдений. Первичный анализ состоял в поиске режимных скважин с выраженной изменчивостью уровней подземных вод мезокайнозойских (в основном четвертичных) отложениях в многолетнем разрезе. Использовались среднемесячные значения уровней, преобладающий период наблюдений составлял 15 – 25 лет с 1970-80 по 1995-99 г.г. По результатам первичного анализа было отобрано 65 скважин. Далее, по данным наблюдений уровня подземных вод по этим скважинам был выполнен тренд-анализ (рис. 1). Использовалось программное обеспечение мониторинга, разработанное в СП Геолинк. При этом предполагалось, что фактический график режимных наблюдений представлял собой сумму полиномиального тренда, двух циклических составляющих с различной длиной периода и случайной составляющей временного ряда. Согласно принятому в программе алгоритму использовались полиномы от нулевой до одиннадцатой степени. По умолчанию длина большого периода (первая циклическая составляющая) принималась равной длине временного ряда, длина малого периода - 12-и месяцам. Далее предполагалось, что наличие переменного во времени полиномиального тренда указывало на причины, имеющие систематический характер, например, на влияние водоотбора на подземные воды.

statia-13-ris-1

Пробный статистический анализ среднегодовых уровней по скважине 3643 (рис. 2) (верховья р. Москвы) с периодом наблюдений 1970-93 г.г., выполненный Пыркиным В. И. по программе ВСЕГИНГЕО, показал наличие тренда и двух периодов. Первый период имеет амплитуду 10 см и длину 14 лет, второй период - амплитуду 6 см и длину 4 года.

statia-13-ris-2В связи с этим для каждого анализируемого графика просчитывались два варианта: с заданием длины большого периода 8-14, в среднем 11 лет и равной длине всего временного ряда. В первом случае предполагалась связь колебаний уровней грунтовых вод с многолетней цикличностью годовой суммы атмосферных осадков, во втором случае она предполагалась отсутствующей. Выбор большого периода длиной в 11 лет связан со следующими обстоятельствами.

По данным метеостанций Павлово-Посада, Наро-Фоминска, Можайска и Дмитрова годовая сумма осадков за период 1938-99 г.г. изменялась в пределах 350-900 мм в год с общей тенденцией с увеличением годовой суммы осадков за рассматриваемый период примерно на 100 мм. При этом с некоторым приближением прослеживаются следующие периоды между минимальными значениями водности года: 1938-48 (10 лет) 1948-61 (13 лет), 1961-72 (11 лет), 1972-84 (12 лет), 1984-96 (12 лет). Таким образом, годовая сумма осадков соответствует периоду солнечной активности 8-12 в среднем 11 лет.

Статистический анализ по программам СП Геолинк показал, что при уменьшении длины большого периода обычно увеличивается коэффициент корреляции, и на высоких степенях полиномов сумма среднеквадратичных отклонений часто становится меньше варианта по умолчанию. Так по режимной скважине 3107 (рис. 1) при вычислениях в режиме умолчания коэффициент корреляции для степеней полинома выше нулевого равен 0.65 при сумме среднеквадратичных отклонений 4.1-4.0. При принятии длины большого периода 11 лет и малого периода 1 год для полинома 5-той степени указанные величины равны, соответственно, 0.71 и 3.3.

Таким образом, по данным выполненного анализа в районе Химок, Балашихи, Луховиц, Коломны, Егорьевска, Нарофоминска, Клина, Шатуры многолетняя изменчивость полиномиального тренда составила величину до 1 метра. Для рассматриваемых территорий преобладает понижающийся тренд. Возможно, эта изменчивость связана с влиянием водоотбора. Так как на остальных территориях установлен или повышающийся тренд, или относительное постоянство средних за год уровней, следует исключить региональное влияние водоотбора на грунтовые воды.

Влияние отбора подземных вод из каменноугольных отложений на уровни грунтовых вод можно также оценить по данным опытно-фильтрационных работ. Эту оценку следует выполнять на базе длительных откачек с наблюдениями за изменением уровней грунтовых и напорных вод. Подобная оценка была проведена по результатам пробно-эксплуатационной откачки на «элементе водозабора» в пределах Сестринского месторождения подземных вод Северной площади [12].

Откачка производилась из расположенных парами 4-х центральных скважин, пробуренных на клязьминско-ассельский водоносный горизонт. Откачные скважины располагались у населённого пункта Высоково в пойме реки Сестры на расстоянии между каждой парой порядка одного километра. Продолжительность пробно-эксплуатационной откачки - 79 суток, дата начала откачки - 08. 07. 1993.

В первые 33 дня откачки суммарный её дебит составил 305-320 л/сек, далее вследствие обрыва насосов был уменьшен до180 л/сек. При этом в первые 30 дней колебания уровня воды в реке Сестре составили 0.3 метра, и далее увеличились до 0.5 метров. Вследствие указанных причин качественно анализируются первые 20-30 дней откачки. В этот период размеры области влияния откачки по водоносным отложениям карбона, фиксируемые по величине понижения уровней 0.5 метров, составили 13-24 км. Непосредственно область влияния имела форму эллипса, вытянутую в субширотном направлении. В центре депрессии величина понижения имела значение 8.5-11 метров. В пределах указанной области влияния понижения уровней подземных вод в сетуньско-донском, подморенном водоносном горизонте имели величину 1-3 метра в центре депресионной воронки и 0.2-0.4 метра на её периферии. Для донско- московского, межморенного водоносного горизонта указанные величины имели значения, соответственно, 0.5-3 метра и до 0.1-0.4 метра; для надморенного водоносного горизонта - 0.1-1 и 0.1-0.2 метра.

При рассмотрении причин снижения уровней грунтовых вод следует учитывать влияние соединений водоносных горизонтов в четвертичных и более глубоких водоносных отложениях по затрубному пространству водозаборных, разведочных и режимных скважин. В результате этого осуществляется дренирование грунтовых вод путём нисходящей фильтрации. Например, в режимных скважинах на первый от дневной поверхности эксплуатационный касимовский водоносный горизонт, расположенных в районе города Химок, через 10-12 лет их существования наблюдался скачкообразный подъём уровней величиной 10-25 метров. Указанный скачок свидетельствует о соединении подземных вод касимовского водоносного горизонта с вышележащими подземными водами мезокайнозоя. Следует учесть также факт существования значительного объёма скважин различного назначения, подлежащих ликвидации.

Вопрос о влиянии эксплуатационного водоотбора на грунтовые воды можно рассмотреть на основании имеющегося опыта регионального моделирования в пределах Московского региона [8, 9, 13]. Обычная проблема воспроизведения гидрогеологических условий при решении геофильтрационных задач состояла в необходимости получения на моделях относительно низких (первые сантиметры) понижений уровней подземных вод первого от поверхности моделируемого водоносного горизонта при понижениях уровней напорных вод порядка 10-30 м. При решении нестационарных задач основным приёмом моделирования было повышение емкостных параметров напорных вод карбона. При подборе параметров водоотдачи водоносных горизонтов карбона их значение было близко к емкостным параметрам грунтовых вод: 10-2 -10-3 для горизонтов карбона, залегающих под мезокайнозойскими отложениями, и 10-3 - 10-4 для более глубоких каменноугольных отложений. Повышенное значение параметра водоотдачи можно объяснить дегидратацией (упругим отжатием) поровых вод, содержащихся в глинистых отложениях. При этом следует ожидать, что основным источником питания первых от поверхности водоносных горизонтов карбона являются поровые воды рыхлых мезокайнозойских отложений. Достаточно часто нижней их границей является подошва юрских глин.

Согласно [4] для нормально уплотнённых глинистых несцементированных пород величина их упругоёмкости может быть приближённо рассчитана как 0.08/Zп, где Zп – глубина залегания пород. Например, для территории Щемиловского гидрогеологического полигона при средней глубине залегания юрских глин 30 м величина их упругоёмкости будет иметь значение порядка 0. 003. Соответственно, упругая водоотдача юрских глин при их мощности 10 м будет равна 0.03. На этом полигоне эксплуатируются турабьевский и касимовский водоносные горизонты. За период наблюдений 1960-92 г.г. максимальные снижения уровней подземных вод карбона составили, соответственно, 5 и 20 метров при практически постоянных среднегодовых уровнях грунтовых вод. Возможной причиной этого может являться сработка ёмкости юрских, щёлковских и ростиславльских глин, в результате чего влияние водоотбора в разрезе отложений до настоящего времени не распространилось на грунтовые воды.

При калибрации модели на основе обычных многослойных расчётных схем упругое отжатие поровых вод приводит к эффективным значениям параметра упругой водоотдачи водоносных горизонтов карбона.

Основным возражением против указанного объяснения является отсутствие значительных оседаний дневной поверхности, которое должно сопровождать дегидратацию глин. Рассмотрим этот вопрос на конкретных примерах [10, 11].

Материалы А. И. Снобковой (1963, 1975) свидетельствуют, что при снижении напора в каменноугольных водоносных горизонтах на 30 м осадка дневной поверхности в пределах города Москвы составила 10-14 мм за счёт, главным образом, дегидратационного уплотнения юрского регионального водоупора. Исследования по изучению оседания поверхности (С. И. Петренко, Л. П. Качесова и др. 1980) показали, что более интенсивное опускание глубинных реперов, опирающихся на известняки каменноугольной системы, происходит на территории Москвы, чем в пределах ЛПЗП, причём со скоростью в два раза большей (средняя скорость оседания в Москве по всем глубинным реперам за период 1957-78 г.г. - 0.7 мм/год, для ЛПЗП - 0.2 мм/год).Эта разница в скорости может быть объяснена большими эксплуатационными откачками подземных вод, но, как показывают сами величины оседаний, последствия таких откачек вызывают незначительные деформации земной поверхности в региональном плане.

Для приведённых выше оценок остаётся открытым вопрос о начальной точке отсчёта при оценке величины деформации и о влиянии на скорость деформации эффекта ползучести.

Для предварительной оценки указанного эффекта используем аналогию.

Снижение напоров подземных вод в батских песках на Белозёрском железорудном месторождении на 200 м привело к сжатию песчано-глинистой и мергельно-меловой толщ, залегающих на глубине около 300 м [2]. Общая осадка составила к настоящему времени около 2.5 м. В Московской области среднее снижение уровней подземных вод в первых от поверхности водоносных горизонтах карбона имеют величину 30-50, в среднем 40 м. При средней мощности отложений мезокайнозоя 50 м осадка дневной поверхности в пределах Московской области будет в (300:50)х(200:40)=:6х4=24 раза меньше, чем на Белозёрском месторождении. Таким образом, по рассматриваемой аналогии осадка дневной поверхности в пределах Московской области не может превышать 0.1 м.

Таким образом, на основании изложенного выше можно полагать, что влияние эксплуатации подземных вод карбона на уровни грунтовых вод существует, но это влияние имеет локальный характер. Если считать, что проведённый тренд-анализ отражает влияние водоотбора на грунтовые воды, это влияние не может превышать одного метра. В указанную величину могут быть вложены климатические факторы, отражающие их многолетнюю цикличность. Основные предположения о причинах малого влияния отбора подземных вод на грунтовые воды состоят в следующем:

а) увеличение питания грунтовых вод вследствие снижения их уровней, в основном, в долинах рек и на заболоченных пространствах. При этом предполагается, что указанное снижение не фиксируется при стандартных режимных наблюдениях. Возможно также регулирование уровня грунтовых вод в период паводка на затопляемых территориях.

Отметим, что за пределами затопляемых территорий увеличение питания грунтовых вод при снижении их уровней возможно только при исходной глубине их залегания менее 2-3 метров. При больших глубинах сезонное питание грунтовых вод практически не зависит от снижения их уровней.

При изучении перспектив использования подземных вод северо-запада Московского региона для целей водоснабжения при наращивании современного водоотбора на 130, 549 и 470 тыс. м3 в сутки 21-23% прироста водоотбора обеспечивается уменьшением площадной разгрузки грунтовых вод путём испарения [6]. При этом современное питание грунтовых вод происходит на площади 4430 км2, их разгрузка путём испарения - на площади 1570 км2.

б) относительно малый объём отбора подземных вод. По собранным к настоящему времени данным за период 1984-98 г.г. суммарный водоотбор в пределах Москвы и области изменялся от 3500 до 4700 тыс. м3 /сутки, при этом максимальный водоотбор относился к 1987 году. Максимальное снижение уровней подземных вод в отложениях карбона наблюдается в районе города Щёлково Московской области. При максимальном отборе подземных вод 4.7 млн. м3 в сутки (1987 г.) и утверждённых эксплуатационных запасах 8.6 млн. м3 в сутки оценка естественных ресурсов подземных вод в пределах Московской области составила 5.3-11.6 млн. м3 в сутки [3].

в) сложнослоистое строение четвертичных и мезозойских отложений, определяющее влияние отбора подземных вод только на нижнюю часть разреза осадочного чехла. Следует ожидать существенную значимость этого фактора при росте вертикальных фильтрационных сопротивлений и при формировании отрыва уровней подземных вод от кровель водоносных горизонтов (формирование разрыва сплошности потоков подземных вод по вертикали в мезокайнозое). Отметим, что вероятность формирования указанных отрывов возрастает при росте вертикальных фильтрационных сопротивлений.

г) упругое отжатие воды из глинистых отложений при снижении уровней подземных вод в карбоне вследствие отбора подземных вод [4]. Вероятно, основную роль при этом играют емкостные запасы воды глинистых отложений в мезокайнозое при подчинённом значении более консолидированных глинистых отложений карбона. При упругом отжатии из глин возможно длительное распространение возмущений от работающих водозаборов в разрезе отложений. При прогнозе этого явления необходим учёт двух стадий консолидации - первичной фильтрационной и вторичной ползучести [5]. Рассмотрение этого вопроса следует производить во взаимоувязке с исследованием деформации дневной поверхности, в том числе и на объектах-аналогах.

 

Список литературы.

Изданная.

1. Клименко И. А., Поляков В. А., Соколовский Л. Г. Экологическое состояние природных вод Московского региона. – Обзор «Геоэкологические исследования и охрана недр», ЗАО «Геоинформмарк», М., 1999

2. Мироненко А. В., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. М., «Недра», 1974 г.

3. Пашковский И. С., Жильцова Н. Н. К вопросу о естественных ресурсах подземных вод Московского региона. Геологический вестник центральных районов России. № 1, 1998 г.

4. Шестаков В. М. Оценка параметров сжимаемости и упругоёмкости пород. В журнале «Инженерная геология», № 4. Издательство АН СССР, 1991 г.

5. Шестаков В. М. Теоретическая модель упругого режима фильтрации с реологической моделью Кельвина-Фойгта. В журнале «Инженерная геология», № 5. Издательство АН СССР, 1991 г.

 

Фондовая.

6. Колотов И. Б. и др. Изучение перспектив использования подземных вод северо- запада Московского региона для водоснабжения населения г. Москвы и Московской области. Отчёт по титулу 1123. Москва 1999 г.

7. Кочетков М. В., Нуриманов Р. Н., Плотников В. С. и др. Переоценка эксплуатационных запасов подземных вод Орехово-Зуевского промрайона… (по состоянию изученности на 1. 01. 1981 г.). Москва, 1981 г.

8. Кочетков М.В., Янкин В.И., Плотников В. С. и др. Отчёт о результатах разведки подземных вод для водоснабжения г. Загорска Московской области (по состоянию изученности на 01.01.1979 г.). Москва, 1980 г.

9. Отчёт по оценке эксплуатационных запасов подземных вод в пределах существующих и разведуемых водозаборов для г. Москвы, ЛПЗП и Московской области. Москва. Москва, 1969 г.

10. Петренко С. И. и др. Комплексное изучение района застройки Государственной библиотеки СССР имени В. И. с целью изучения опасных инженерно-геологических и гидрогеологических процессов Москва. Москва, 1988 г.

11. Петренко С. И. и др. Изучение оседания поверхности земли на территории г. Москвы под влиянием градопромышленного комплекса. Москва, 1987 г.

12. Федотов Е.В. и др. Отчёт о поисково-оценочных работах и изучению режима и баланса подземных вод на Северной площади Московской области для водоснабжения г. Москвы и городов Московской области (по состоянию на состоянию на на 01. 01. 1995). Москва 1996 г.

13. Янкин В. И., Порцелан А. А., Кочетков М. В. и др. Отчёт о результатах детальной разведки подземных вод на действующих водозаборах Пушкинского и Щёлковского районов Московской области (по состоянию изученности на 01. 07. 1986 г. Том 1, книга 2. Москва, 1986 г.