Прогноз эксплуатации месторождений инфильтрационного типа в сложных гидро-геохимических условиях Волго-Ахтубинской поймы
logo1-color


Прогноз эксплуатации месторождений инфильтрационного типа в сложных гидро-геохимических условиях Волго-Ахтубинской поймы

Охарактеризованы основные особенности формирования химического состава подземных вод в четвертичных аллювиальных отложениях Волго-Ахтубинской поймы. Обоснована геомиграционная модель Ахтубинского месторождения,  приведены данные о схематизации фильтрационной среды и гидрогеохимических параметров. Описаны результаты по решению прогнозных задач, предложены рациональные схемы проектируемых водозаборов.

Ключевые слова: водоснабжение, схематизация, геофильтрационная модель, граничные условия, прогнозные задачи, эксплуатационная нагрузка, инфильтрационный водозабор.

 

Проблема хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных пунктов Волгоградского Заволжья за счет подземных вод стоит достаточно остро. Водоснабжение этой части территории Волгоградской области осуществляется в основном за счет поверхностных вод р. Волги ввиду неблагоприятных гидрогеологических условий.

Характеризуемая территория располагается в западной бортовой зоне Прикаспийской синеклизы, являющейся областью типичной соляной тектоники. Контрастно дифференцированное пространственное перераспределение соляных масс под действием гравитационного и тектонического факторов обусловило значительную расчлененность поверхности соленосного комплекса и возникновение специфических сложных структурных форм – соляных антиклиналей и разделяющих их прогибов, простирающихся субпараллельно борту синеклизы. В пределах соляных антиклиналей на выровненную доплиоценовую поверхность выведены эоценовые породы, разделяющие их прогибы сложены олигоценовыми и верхнеэоценовыми образованиями. В строении плиоцен-четвертичного структурного яруса принимают участие континентальные терригенные отложения различного генезиса, преимущественно морские песчано-глинистые образования. До эпохи эоплейстоцена в Прикаспии господствовал континентальный режим. В раннехвалынское время здесь располагались мелководные морские солоноватые бассейны с аккумуляцией в них терригенных осадков. В остальное время осадконакопление происходило только в континентальных условиях. В раннем хазаре в долине Пра-Волги и в голоцене в Волго-Ахтубинской пойме формировались глинисто-песчаные осадки, а в позднем неоплейстоцене-голоцене в понижениях рельефа – озерно-аллювиальные песчано-глинистые илы.

Пресные подземные воды в современных, сложных условиях встречаются редко в виде небольших линз, приуроченных к отрицательным формам рельефа, а также развиты в аллювиальных отложениях Волго-Ахтубинской поймы.

Волго-Ахтубинская пойма, образованная  под воздействием миграции русел рек Волги и Ахтубы, врезана в поверхность Прикаспийской низменности. По различию особенностей климата, почвенно-растительного покрова пойма является интразональным районом в пустынной зоне.

В пределах северной части Волго-Ахтубинской поймы ЗАО «ГИДЭК» проведены поисково-оценочные работы на подземные воды для водоснабжения г. Ленинска и р.п. Средняя Ахтуба Волгоградской области. По результатам работ было выделено Ахтубинское месторождение питьевых подземных вод.

В границах Ахтубинского месторождения подземные воды, приуроченные к верхней части осадочного чехла, развиты в палеогеновых, эоплейстоценовых и четвертичных отложениях (Рис. 1).

statia-13-ris-1

Водоносный среднечетвертичный-современный аллювиальный горизонт (aQII-IV) занимает всю Волго-Ахтубинскую пойму. Современные аллювиальные отложения почти повсеместно залегают на нижнехазарских песках и образуют единый водоносный горизонт мощностью 13-35 м. Коэффициент фильтрации песков изменяется от 10 до 31 м/сут, водопроводимость пласта составляет 150-650 м2/сут. Воды преимущественно пресные с минерализацией до 1 г/л, чаще смешанного химического состава. На участках пойм, прилегающих к коренным берегам Волги и Ахтубы, встречаются слабосолоноватые воды с минерализацией 2-4 г/л сульфатного кальциевого или трехкомпонентного по анионам и катионам состава. В грунтовых водах повсеместно отмечаются повышенные концентрации (до 13-30 мг/л) закисного железа. Воды горизонта широко используются для водоснабжения населенных пунктов, кемпингов, туристических баз Волго-Ахтубинской поймы.

Относительно водоносный нижнехвалынский морской горизонт (mQIIIhv1>) распространен на левобережье Ахтубы. Водовмещающие породы представлены песками мелко-тонкозернистыми, глинистыми, суглинками и песчаными глинами, водоупором служат шоколадные глины. Водовмещающие породы слабопроницаемые. Коэффициент фильтрации песков составляет 1-1,5 м/сут, супесей – 0,2-0,5 м/сут, суглинков – 0,02-0,1 м/сут. Водопроводимость горизонта до 10 м2/сут. Воды горизонта пестрые по минерализации (от 0,3 до 46 г/л) и химическому составу. Преобладают сульфатные кальциево-натриевые или натриево-кальциевые, реже хлоридные магниево-натриевые воды. 

Водоносный нижнехазарский аллювиальный горизонт (aQIIhz1) распространен на хвалынской равнине. Кровлю горизонта образуют хвалынские суглинки и глины. Водовмещающие породы, мощностью от 10 до 30-34 м, представлены разнозернистыми кварцевыми песками с гравием и галькой в основании. Подстилается горизонт преимущественно водоупорными отложениями майкопской серии, апшеронского и акчагыльского региоярусов. Коэффициент фильтрации песков 2-30 м/сут; средняя водопроводимость пласта – 235 м2/сут. Воды преимущественно слабосолоноватые с минерализацией 1-3 г/л, смешанные трехкомпонентные по анионному составу и  кальциево-натриевого или натриево-кальциевого катионного состава. 

Водоносный апшеронский морской горизонт (mQEap) распространен в восточной части месторождения. Субнапорные воды здесь связаны с песками, мощностью 9-15 м, залегающими преимущественно в нижней части горизонта, а также в виде прослоев в толще глин. Кровлю образуют обычно одновозрастные глины, подошву - водоупорные породы майкопской и киевской серий или относительно водоносные песчано-глинистые отложения мечеткинской, царицынской и пролейской свит эоцена. Коэффициент фильтрации песков – 5-6 м/сут, водопроводимость – 154 м2/сут. Воды солоноватые с минерализацией 0,7-6 г/л смешанного химического состава.

Водоупорный киевский-майкопский горизонт (P2-3kv-mk) распространен практически повсеместно, за исключением небольших участков, где киевские и майкопские отложения размыты. Горизонт сложен преимущественно глинами и мергелями. Мощность водоупорного горизонта достигает 135 м и более.

Водоносный мечеткинский горизонт (P2mč) сложен сильно глинистыми песками и рыхлыми песчаниками с прослоями глин и кварцевых мелкозернистых песков, общей мощностью до 60-65 м. Минерализация вод увеличивается в южном направлении до 4,7 г/л. Пресные воды имеют смешанный химический состав, среди солоноватых преобладают сульфатно-хлоридные кальциево-натриевые воды, воды содержат повышенные концентрации железа (до 10 мг/л).

Формирование химического состава подземных вод в современных четвертичных аллювиальных отложениях на данной территории происходит в условиях аридного климата, когда испарение с земной поверхности значительно превышает количество атмосферных осадков. Следствием этого является засоление подземных вод легко растворимыми солями, в основном сульфатами и хлоридами, в период весенне-летних паводков, во время которых низменная часть поймы затапливается водой, а на незатопляемой территории происходит резкий подъем грунтовых вод и полное насыщение пород зоны аэрации. Процессы вторичного засоления почв, являющиеся результатом орошения земель, также изменяют природное качество вод за счет увеличения хлоридов, сульфатов и натрия. Кроме того, на ухудшение качества подземных вод в пределах Волго-Ахтубинской поймы влияют солоноватые подземные воды с минерализацией 1,5-2,0 г/л, развитые в хазарских и хвалынских отложениях на прилегающей с севера хвалынской равнине, а также залегающий ниже апшеронский водоносный горизонт с минерализацией подземных вод от 2,0 до 6,0 г/л и выше. В данных условиях основным источником рассоления геологического разреза являются пресные воды реки Ахтубы с минерализацией 0,3-0,4 г/л. Питание горизонта происходит в основном за счет паводковых вод, затапливающих часть поймы весной, фильтрации из реки и инфильтрации атмосферных осадков.

В рамках работы по оценке запасов питьевых подземных вод для водоснабжения г. Ленинска и р.п. Средняя Ахтуба было изучено распространение  минерализации подземных вод на площади месторождения в четвертичных аллювиальных отложениях, выделены площади с минерализацией подземных вод менее 1 г/л и выполнена оценка глубины до подошвы зоны пресных подземных вод. По результатам проведенных исследований было выделено два перспективных участка в долине реки Ахтубы, в пределах которых среднечетвертичный - современный аллювиальный водоносный горизонт содержит пресные подземные воды.

На первом – Среднеахтубинском участке оцениваемый водоносный горизонт представлен в основном хорошо промытыми аллювиальными песками, имеет хорошую гидравлическую связь с поверхностными водами реки. Вследствие этого в природных условиях формируются подземные воды с минерализацией 0,5-0,7 г/л, умеренно жесткие (3,5-7мг-экв/л), преимущественно гидрокарбонатные, сульфатно-гидрокарбонатные и смешанного анионного и катионного состава. С глубиной минерализация в продуктивном горизонте практически не изменяется.

На втором – Ленинском участке зона аэрации преимущественно сложена  глинами и суглинками с редкими прослоями песков. В таких условиях затрудняется инфильтрация пресных вод с атмосферными осадками и поверхностными водами реки. В данном случае, в условиях застойного режима, в естественных условиях в первом от поверхности водоносном горизонте формируются солоноватые подземные воды. На участках, где существуют литологические окна в глинистом покрове, формируются площади (линзы) с пресными подземными водами.

На основе анализа литологического строения водоносных комплексов и фильтрационных параметров водовмещающих отложений была разработана и откалибрована геофильтрационная модель Ахтубинского месторждения, на базе которой обоснована геомиграционная модель, построенная по данным распределения минерализации по площади и разрезу. Схематизация фильтрационной среды определилась распределением параметров пятипластовой водоносной системы (в скобках – на Ленинском участке) (Рис.2):

statia-13-ris-2

пласт 1 – верхняя часть среднечетвертичного-современного водоносного горизонта, представленная  суглинистыми отложениями, Кx = 0,5м/сут, Кz = 0,005м/сут, М = 0,5(0,5/0,8) г/л;

– область развития относительно водоносного нижнехвалынского горизонта, Кx = 0,1 м/сут, Кz = 0,01 м/сут, М = 1,5 г/л;

пласт 2 – средняя часть среднечетвертичного-современного водоносного горизонта, представленная р/з песками с гравием и галькой, Кx = 38 (25) м/сут, Кz = 0,1 (0,01) м/сут, М = 0,5/0,8 г/л;

- область развития нижнехазарского водоносного горизонта, Кx =10 м/сут, Кz = 0,001 м/сут, М = 1,5 г/л;

пласт 3 – нижняя часть среднечетвертичного-современного водоносного горизонта, Кx =10(25) м/сут, Кz =0,1 (0,01) м/сут, М = 0,5/0,8 (1,5) г/л;

- область развития нижнехазарского водоносного горизонта, Кx = 10 м/сут, Кz = 0,001 м/сут, М = 1,5 (2,0) г/л;

пласт 4 – водоносный апшеронский морской горизонт, Кx =0,5 (0,1) м/сут, Кz = 0,005 (0,0001) м/сут, М = 2,0 г/л;

пласт 5 – водоносный апшеронский морской горизонт, Кx = 0,5 (0,1) м/сут, Кz = 0,005 (0,0001) м/сут, М = 6,0 г/л.

Области развития киевско-майкопского водоупорного горизонта и мечеткинского водоносного горизонта в четвертом и пятом пластах заданы неактивными блоками.

В среднечетвертичном-современном водоносном горизонте приняты значения коэффициента упругой емкости 1∙10-51/м; гравитационной емкости– 0,15; эффективной пористости – 0,15.

На Среднеахтубинском участке оконтурены площади распространения пресных подземных вод (М=0,5 и 0,8 г/л) в среднечетвертичном-современном водоносном горизонте в первых трех пластах практически по всей пойме р. Ахтубы, на Ленинском выделено  два небольших участка только в первом и втором пластах.

Обоснование геомиграционной модели проводилось путем решения обратных задач по воспроизведению фактической картины распределения величины минерализации по площади и разрезу месторождения в естественных условиях. В результате решения обратной задачи по воспроизведению современных условий на модели была получена модельная карта минерализации целевого пласта, которая послужила основой для прогнозных расчетов.

По результатам решения прогнозных задач рассчитано, что при эксплуатации водозабор обеспечивается практически полностью привлекаемыми ресурсами поверхностных вод (99%). В данных условиях проблему водоснабжения целесообразно решать с помощью строительства инфильтрационного водозабора. Были разработаны проектные схемы инфильтрационных водозаборов для двух выделенных участков.

На первом участке эксплуатационная нагрузка 3,3 тыс.м3/сут распределена между 4–мя водозаборными скважинами, расположенными в ряду на расстоянии 200м друг от друга, в 50м от уреза реки. Прогнозные расчеты показали, что понижение уровня в скважинах не превысят допустимого (9,5 м), а среднее значение минерализации на конец эксплуатации (25 лет) составит 0,5 г/л (Рис.3).

statia-13-ris-3

 На втором участке выделена небольшая зона (линза) пресных подземных вод, ограниченная по глубине, мощностью 12-15 м. Целесообразно в таких условиях эксплуатировать верхнюю часть горизонта, чтобы исключить подтягивание солоноватых вод, не изолированных от вышезалегающих пресных. В связи с этим рациональной схемой водозабора в рассматриваемых условиях является сифонный водозабор. Эксплуатационная нагрузка на участке составляет 3,2 тыс.м3/сут. Прогнозные расчеты показали, что динамические уровни в колодцах не превысят максимальных допустимых уровней при строительстве сифонного водозабора. Среднее значение минерализации на проектной глубине составит – 0,5 г/л.

Относительное постоянство минерализации для принятых условий сформируется на Среднеахтубинском участке после двух лет эксплуатации, на Ленинском - через 8-10 лет (Рис.3). На Ленинском участке в первый год по результатам моделирования произойдет небольшое увеличение минерализации, далее идет ее плавное уменьшение. На Среднеахтубинском участке минерализация в продуктивном пласте начнет снижаться сразу после начала эксплуатации.

Как показали проведенные исследования, в данной непростой гидрогеологической ситуации проблему централизованного водоснабжения можно решить только строительством инфильтрационного водозабора. При обосновании глубины проектных скважин необходимо учитывать, что уменьшение глубины скважин будет способствовать сокращению доли некондиционных подземных вод из более глубоких горизонтов при эксплуатации, поскольку с глубиной происходит увеличение общей жесткости и минерализации подземных вод. В зависимости от мощности водонасыщенной толщи проектируется тип водозаборного сооружения (скважина, дрена, сифонный водозабор).