Результаты мониторинга подземных вод на Северо-Комсомольском месторождении

Подробности

Автор: Палкин С.В., Палкин А.С.

Северо-Комсомольское месторождение пресных подземных вод (МПВ) было разведано Уралгидроэкспедицией б.Уралгеолуправления в 1982-83 г.г. для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения п.Комсомольский (сейчас г.Югорск) в климатической зоне с избыточным увлажнением. Утвержденные эксплуатационные запасы, подготовленные для промышленного освоения, составили 13,6 тыс.м³/сутки. Месторождение, располагаясь в междуречье рек Эсс и Ух (притоки верховий р.Конды), с 1989 года эксплуатируется групповым водозабором с современным среднегодовым расходом 10-12 тыс.м³/сутки при максимальных среднемесячных около 13 тыс.м³/сутки.

Основным на месторождении является олигоцен-четвертичный водоносный комплекс (рис.1), сложенный слоистым рыхлообломочным комплексом пород мощностью до 65-80 метров, который подстилается регионально развитым турон-тавдинским водоупором (глины, опоки, диатомиты).

Нижняя часть комплекса – атлым-новомихайловский водоносный горизонт мощностью 30-35 и более метров сложен в основном песчаными разностями пород и является на месторождении продуктивным. Четвертичный водоносный горизонт, залегая непосредственно на частично эродированном атлым-новомихайловском, имеет две особенности. Во-первых, в центральной части указанного междуречья он представлен плотными ледниковыми глинами мощностью от 0 до 20-30 м, образующие пласт с относительно низкой проницаемостью. Во-вторых, на многих участках в его кровле присутствуют обводненные торфяники: на водораздельной равнине это верховые и переходные болотные массивы; в долинах рек – повсеместно развитые низинные заболоченные пойменные и надпойменные комплексы. Основная фильтрующая часть четвертичного ВГ представлена флювиогляциальными песками. Мощность четвертичного ВГ от 5-10 м в днище долины р.Эсс до 30 м на водораздельной равнине, где и находится действующий водозабор.

Формирование естественных ресурсов всей олигоцен-четвертичной толщи происходит исключительно за счет инфильтрации атмосферных осадков с модулем питания 2,9 л/с*км² (20% от нормы осадков). Естественный уровень в атлым-новомихайловском ВГ непосредственно на водозаборном участке напорный, находится на глубине около 20 м; уровень в четвертичном ВГ (безнапорная зона) значительно выше, часто смыкается с уровнем болот, формируя зону нисходящего инфильтрационного питания. Разгрузка ресурсов происходит в долинах эрозионных врезов.

Водопроводимость атлым-новомихайловского ВГ, определенная по результатам кустовой откачки, уверенно определена равной 430 м²/сутки, пьезопроводность 2-3*10⁵ м²/сутки.

Качество подземных вод является типичным для водных объектов верхней гидродинамической зоны Западно-Сибирского сложного артезианского бассейна на территории ХМАО. Это пресные гидрокарбонатные воды со смешанным катионным составом (преобладают ионы кальция и магния) с около нейтральной (слабо кислой) реакцией, очень мягкие. В повышенных концентрациях (против ПДК для питьевых вод) содержатся кремний (до 18-20 мг/л), общее железо (до 5-6 редко более мг/л) и марганец (в среднем около 0,5 мг/л).

По результатам разведки (1983 г.) эксплуатационные запасы были оценены гидродинамическим методом для линейного водозабора, состоящего из 17 равнодебитных скважин с суммарным расходом 13,4 тыс.м³/сутки. Расчетная схема – “напорный безграничный изолированный пласт” с понижением в центре эксплуатационной нагрузки 20 метров (до кровли атлым-новомихайловского ВГ под “ледниковой нашлепкой”). Полагая, что в нарушенных гидрогеологических условиях, указанная расчетная схема окажется несостоятельной и при водоотборе неизбежно начнется перетекание из верхней безнапорной зоны водоносного комплекса в нижнюю (продуктивную), авторы разведки, в качестве расчетного приняли значение коэффициента пьезопроводности равным 3*10³ м²/сутки, что на два порядка меньше полученного при кустовой откачке для этапа ее упругого режима. Этим самым они виртуально учли участие в эксплуатационном водоотборе гравитационной емкости четвертичной толщи, параметры которой в то время не были определены, но значительная роль которой в формировании запасов уже в начале 80-х годов предполагалась по опыту эксплуатации водозаборов с двухслойным строением геофильтрационного разреза.

Как уже отмечалось, Югорский водозабор был построен и пущен в эксплуатацию в 1989 году. Добытая из недр вода по 5-километровому магистральному водоводу сначала подается на станцию ВОС, где проводится ее подготовка (аэрация, фильтрация, обеззараживание), а затем в городскую водопроводную сеть.

Анализ 15-летнего опыта эксплуатации водозабора и выполненные в 2003-2004 г.г. мониторинговые наблюдения и исследования (УралГЭМП, 2005 г.) позволяет отметить следующее.

1. Конструктивные параметры водозабора существенно отличаются от расчетных (таблица 1.).

Несоответствие расчетных и фактических данных по схеме водозабора вызвано тем, что эксплуатационные скважины, сооружаемые по ранее сложившейся в регионе технологии, имеют существенно меньший (против расчетного) дебит; к тому же они часто его снижают в процессе эксплуатации из-за кольматации фильтров. Это, в конечном итоге, приводит к необходимости либо ремонта эксплуатационных скважин, либо к их перебурке. За прошедшие годы число таких “обновленных” скважинных каптажей составляет более 30%. Снижение производительности скважины происходит постепенно, сначала проявляется в ее работе с “подсосом” атмосферного воздуха, а затем – в последовательном снижении ее расхода и подаче воды с примесью взвешенных частиц, вплоть до выноса песка из водоносного горизонта, если произошло “прободение” сетчатой обмотки фильтра. При обследовании водозабора в августе и ноябре 2004 года было установлено, что по меньшей мере до трети (от числа работающих) скважин существенно снизили свой расход (задвижки “лудло” вынужденно “прижаты”) и подают воду, обогащенную воздухом.

Таким образом, мониторинг состояния Югорского группового водозабора показал, что часть его каптажных выработок работает с перегрузкой в силу своего несовершенства как по степени, так и по характеру вскрытия продуктивного горизонта. Громоздкость водозабора и указанные особенности работы эксплуатационных скважин объективно требуют его реконструкции, в том числе строительства скважин по новой освоенной сейчас на территории ХМАО технологии («Интер-Аква», ГИДЭК), способно обеспечить из песков “атлыма” эффективный скважинный расход на уровне 1000 и более м³/сутки.

2. При анализе гидродинамического режима эксплуатации водозабора было установлено, что его расход наращивался хронологически постепенно и в последние пять лет достиг величины 10 тыс.м³/сутки с доведением ее в 2004 году почти до 12 тыс.м³/сутки в среднем за год.

Положение динамического уровня в продуктивном ВГ, определенное в 2004 году по нескольким наблюдательным ярусным узлам (продуктивный и четвертичный ВГ) показывает, что максимальное понижение в нем составляет 8-9 метров (абс. отм. 93 м). На флангах водозаборного ряда оно еще меньше. Соотношение уровней в атлым-новомихайловской и четвертичной частях водоносного комплекса за время эксплуатации изменилось: в естественных условиях их “разрыв” составлял 11,5 метра, в 2004 году эта разница (в центре ряда) увеличилась до 19 метров. На 0,5-1,0 метр понизился уровень и в самой четвертичной толще (летняя межень), что согласуется с заметным изменением природного ландшафта (по опросным данным): водная гладь на ближайшем к водозабору верховом болоте исчезла, а небольшие таежные заболоченности западинного характера в пределах водозаборного участка обсохли. Все это указывает на то, что эксплуатационный водоотбор формируется под влиянием перетекания из четвертичной толщи и даже с небольшим, вероятно периодическим осушением верхней безнапорной зоны, весной восполняемой свои сработанные за меженный период запасы. При достигнутом водоотборе уровенный режим в сложно слоистой олигоцен-четвертичной толще, вероятно, близок к установившемуся. В этом отношении авторский прогноз (1983 г.) оправдался, а абсолютная величина понижения уровня к концу расчетного 25-летнего срока (2014 г.) будет явно меньше прогнозировавшейся. С учетом отмеченного, С-Комсомольское МПВ имеет реальные перспективы для наращивания эксплуатационных запасов подземных вод.

Характерно, что отметка современного динамического уровня (+93 м) существенно выше днища долины ближайшей к водозабору реки Эсс (80-85 м. абс.).

3. Качество подземных вод в период разведки месторождения было изучено по ограниченному набору показателей макро- и микрокомпонентного состава. В период мониторингового доизучения объекта (УралГЭМП, 2003-2004 г.г.) их набор был существенно расширен, в том числе и в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01. В результате установлено, что макрокомпонентный состав, минерализация, общая жесткость и рН за время 15-летнего водоотбора практически не изменились и состав воды характеризуется следующей обобщенной формулой:

Температура воды на устьях скважин находится в пределах 3,2-4,5?С (ноябрь 2004 г.). Характерным по-прежнему является высокое содержание в воде кремния (до 18-20 мг/л), что отражает природно-климатические условия региона. Значение перманганатной окисляемости в среднем составляет 3,15 мгО₂/л (максимальное по отдельным скважинам 5,5) при достаточно высоком ХПК (около 18 мг/л). Поскольку, как было определено, суммарное содержание органических веществ относительно невелико (см. ниже), указанные значения окисляемости и ХПК в основном связаны с содержащимися в воде закисными формами переменновалентных компонентов (железо, марганец и др.).

Специальное исследование органики показало, что содержание в воде Сорг. находится в пределах 1,83-3,62 мг/л, а фульвокислот от 1,25 до 1,6 мг/л при подчиненном содержании гуминовых – от 0,11 до 0,24 мг/л (АЛ ВСЕГИНГЕО); отношение ФК/ГК от 7 до 11. Приведенные характеристики органики относительно невелики, но имеют значение для формирования в воде устойчивых органожелезистых (и особенно органомарганцевых) соединений, которые, в свою очередь, определяют природную повышенную и устойчивую цветность подземных вод (до 40-50 град. на устьях скважин). Характерным является присутствие практически во всех скважинах водозабора запаха Н₂S, в отдельных из них весьма заметного. Это является следствием микробиологического преобразования сульфат-иона (сульфат-редукция), что в относительно закрытом коллекторе определяет восстановительную обстановку с достаточно низким значением ОR-потенциала (Еh) – около 150 (при минимальных 115) mV.

Восстановительная обстановка в атлым-новомихайловском ВГ способствует накоплению в воде общего железа (от 3-4 до 10-12 мг/л по разным скважинам) и марганца (от 0,3 до 0,7-1,0 мг/л). Вариации их содержаний по площади (т.е. в разных скважинах) связаны, помимо прочего, с неравномерным распределением в глинисто-песчаных породах ВГ органических веществ, присутствие которых, как известно (работы ГИДЭК на крупных групповых водозаборах ХМАО), усиливает переход Fe и Mn из твердой (породы) фазы в жидкую (подземные воды).

Микробиологические показатели добываемой воды всегда соответствуют нормативным для питьевых вод, она не имеет следов техногенного воздействия, в чем находит отражение хорошая защищенность олигоценового коллектора от антропогенного загрязнения.

В архиве химлаборатории ВОС сохранились данные об определении содержаний Fe и Mn за длительный период. Анализ данных проб, отобранных на общем входе воды на станцию, не обнаружил сколько-нибудь заметного и направленного изменения во времени содержаний в воде общего железа, марганца и других показателей макрокомпонентного состава и их соотношений между собой.

Таким образом, подземные воды рассматриваемого объекта по своему химическому облику являются типичными для западной части Западно-Сибирского АБ и соответствуют бескислородной обстановке в атлым-новомихайловском ВГ. Их многолетняя добыча рассредоточенной системой водозаборных скважин не привела к заметным изменениям основных показателей качества подземных вод как питьевых. Они, как и в период разведки, не отвечают современному питьевому стандарту только по природным концентрациям Fe, Mn, Si, что является их региональной особенностью.

4. Как отмечалось, добываемая из недр вода поступает на станцию ВОС по 5-километровому водоводу. Он заканчивается приемной “камерой гашения”, в которую вода изливается из вертикально поставленной магистральной трубы (рис.2) и, двигаясь вниз, обогащается воздухом в восходящем его потоке от компрессорной установки.

Завершается аэрация в шести фильтровальных бассейнах открытого типа (площадь каждого 14 м²), имеющих в своем основании кварцево-песчаный фильтр (размер частиц 0,8-1,2 мм) со щебнем в основании общей толщиной 1,3 метра. Из фильтров вода самотеком поступает в резервуары чистой воды, из которых центробежными насосами по стальному водоводу подается в городскую распределительную сеть, предварительно (в “голове” водовода) обеззараживаясь гипохлоридом Nа. На выходе со станции ВОС содержание кремния составляет 18 мг/л, общего железа – около 1 мг/л, марганца – 0,4-0,5 мг/л; цветность – 40 град., что либо не соответствует питьевому стандарту, либо находится на верхнем пределе допустимых нормативов. По отношению к железу, марганцу, цветности это является результатом недостаточности окисления и последующего гидролиза труднорастворимых органических комплексов этих элементов.

5. Эксплуатационная служба водозабора, начиная с конца 2001 года, столкнулась с явлением постоянного прихода на станцию ВОС “грязной” (“коричневой”, “мутной”) воды, что ранее не наблюдалось. Это обуславливается присутствием в ней хлопьевидной взвеси с размерами частиц от микроскопических до сгустков в 0,5-1,5 мм. Как было установлено в 2004 году лабораторными исследованиями, эта взвесь состоит в основном из гидроокислов железа, органики и в меньшей степени – из окислов кремнезема. Оседая в фильтровальных бассейнах на поверхности песчано-кварцевой загрузки в виде тонкодисперсной (“жирной”) массы толщиной 10-15 см, эта “грязь” быстро и резко снижает ее фильтрующую способность, создает необходимость частой (внерегламентной) промывки фильтров и др. После проведения специальных наблюдений и совокупного анализа всех данных стало очевидным, что процесс обезжелезивания воды начинается и активно идет на Югорском водозаборе уже в магистральном водоводе (рис.3).

Основными причинами этого являются периодическая работа эксплуатационных скважин “на храп” и их пескование, что обеспечивается поступлением в магистраль воздуха и мелких частиц песка. Под влиянием кислорода воздуха в водоводе происходит переход содержащегося в воде закисного железа в окисное и его гидролиз. Процесс коагуляции, то есть образование заметной коллоидной взвеси (“грязи”), происходит под действием наведенного электрического поля, поскольку водовод проходит через электрозащитные устройства магистрального газопровода, идущего с водоводом в одном коридоре. По-видимому, здесь проявляется известное явление электрокоагуляции – ускорение слипания коллоидных частиц под действием электрического поля. Результаты проведенных мониторинговых работ с соответствующими рекомендациями по дальнейшей эксплуатации водозабора переданы недропользователю для реализации.