logo1-color

Анализ условий формирования и эксплуатации пресных подземных вод Троицкого месторождения (г. Элиста)

Рассмотрены схематизация гидрогеологических условий, баланс формирования линзы пресных вод Троицкого месторождения Калмыкии и его изменения в процессе эксплуатации, оцененные с помощью гидрогеологической численной модели месторождения. Определен лимит величины водоотбора, при котором не происходит ухудшения качества подземных вод.

Ключевые слова: линзы пресных вод, численное моделирование, миграционные модели, Калмыкия.

Известно, что техногенные воздействия человека на подземные воды не всегда имеют отрицательные последствия для формирования их ресурсов. Создание водохранилищ, перенос и углубление русел рек, утечки из ирригационных каналов в пустынных районах или водопроводов на городских территориях приводят к пополнению или сосредоточению пресных вод на территориях такого антропогенного воздействия [1]. Наиболее распространенным и масштабным воздействием человека на гидрогеологические условия является эксплуатация водозаборов подземных вод, которая может вызывать как ухудшение, так и улучшение их качества — в зависимости от расположения водоотбора и соотношения его величины с балансовыми составляющими питания. Известны примеры, когда эксплуатация подземных вод в сложных гидрогеохимических условиях способствует улучшению качества подземных вод за счет привлечения поверхностных. Одним из примеров такого рода является Кольчугинское месторождение пресных подземных вод во Владимирской области, где централизованный водоотбор привел к расширению линзы питьевых вод в условиях регионального распространения подземных вод повышенной жесткости [2]. В данной статье рассматривается пример анализа опыта эксплуатации линзы пресных вод в аридных условиях Калмыкии, где водоотбор Верхне-Яшкульского водозабора Троицкого месторождения в процессе эксплуатации в зависимости от своей величины оказывал как положительное воздействие на формирование качества питьевых подземных вод, так и отрицательное.

Троицкое месторождение подземных вод расположено в 18–22 км на северо-запад от г. Элисты в пределах Республики Калмыкия. Оно приурочено к долине балки Яшкуль, которая служит областью его питания на всем протяжении, а в нижней части — областью разгрузки ергенинского водоносного горизонта. Балка Яшкуль пересекает месторождение с северо-запада на юго-восток, наибольший уклон рельеф имеет в ее верховье, а вниз по течению уменьшается до 0,002.

Эксплуатируемый для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения ергенинский водоносный горизонт приурочен к песчаным с прослоями глин аллювиальным неогеновым отложениям и распространен регионально. Значительное сокращение его мощности до полного выклинивания происходит в юго-западной части Троицкого месторождении (рис. 1). Эффективная мощность горизонта составляет от 10 до 90 м (в среднем 30–40 м), и она весьма изменчива за счет локальных врезов вышезалегающих скифских глин, неровностей рельефа подошвы самих ергенинских отложений, врезанных в яшкульские, преимущественно слабопроницаемые отложения (рис. 2), а также развития глинистых прослоев, приуроченных в основном к нижней части горизонта. Питание горизонта осуществляется за счет площадной инфильтрации через перекрывающие горизонт мощные слабопроницаемые четвертичные эолово-делювиальные и субаэральные скифские отложения, представленные лёссовидными суглинками и прорезанные многочисленными балками. В верховьях балок осуществляется интенсивное инфильтрационное питание горизонта в паводковые периоды за счет перетекания поверхностных вод, а в их низовьях — частичная разгрузка подземных вод. Общее направление потока подземных вод — с юго-запада на северо-восток. Годовая амплитуда колебаний уровня в естественных условиях составляет преимущественно 40–70 см, за многолетний период — до 1 м.

statia-14-ris-1statia-14-ris-2

В 1960–1961 гг. проведены поиски и разведка подземных вод для водоснабжения г. Элисты, в результате которых открыто Троицкое месторождении подземных вод. Минерализация воды на месторождении в период разведки изменялась от 0,8 до 2,0 г/дм3, к северу от него — до 8 г/дм3. Повышенная минерализация воды (до 4 г/ дм3) отмечалась и в нижней части водоносного горизонта.

Таким образом, гидрогеологические условия месторождения в целом можно кратко сформулировать следующим образом:

  • в гидродинамическом отношении это система из двух водоносных пластов — распространенного локально (вдоль балок) современного аллювиально-го и регионального неогенового ергенинского, которые разделены мощным слабопроницаемым слоем скифских и четвертичных эолово-деллювиальных слабопроницаемых отложений, частично прорезанным в низовьях балочной сети;
  • по гидрохимической обстановке это пласт-полоса вод пониженной минерализации (0,7–2 г/л) и жесткости (8–12 мг-экв/л) в ергенинском водоносном горизонте, приуроченная к низовьям балок, выделяемая на фоне широкого развития слабоминерализованных жестких вод с минерализацией от 2 до 8 г/л и жесткостью до 60 мг-экв/л.

Эксплуатационные запасы подземных вод впервые были утверждены ГКЗ СССР в 1961 г. по трем участкам и составили 30 тыс. м3/сут, из них на Центральном участке по кат. А+В — 10 тыс. м3/сут. В протоколе комиссии отмечалось, что ввиду повышенной минерализации подземные воды Троицкого месторождения согласно решению Главной Государственной санитарной инспекции СССР в виде исключения могут быть использованы для временного хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Элисты.

В 1964 г. на Центральном участке Троицкого месторождения начала действовать I очередь Верхне-Яшкульского водозабора производительностью 10 тыс. м3/сут. Водозабор протяженностью 1 км представлял собой линейный ряд из семи эксплуатационных скважин.

В 1966–1967 гг. была проведена доразведка месторождения, ГКЗ СССР были переутверждены запасы кат. А+В по Центральному (Верхне-Яшкульскому) и Западному (Новому) участкам в количестве соответственно 12,3 и 13,6 тыс. м3/сут. Запасы по участку Восточному были оставлены в количестве 10 тыс. м3/сут по кат. С1.

В 1975 г. на Новом участке Троицкого месторождения была сооружена II очередь Верхне-Яшкульского водозабора производительностью 17 тыс. м3/сут. Она состояла из восьми скважин, протяженность линейного ряда — до 1,0 км.

В 1976–1977 гг. проведены поисково-разведочные работы для водоснабжения совхозов «Прудовый», «Чагортинский» и колхоза «Родина». Было пробурено и опробовано четыре скважины на участке Восточный Троицкого месторождения. Установлено, что мощность водоносного горизонта к востоку уменьшается, а минерализация подземных вод здесь повышается (от 1,7 до 2,8 г/дм3). В связи с этим участок Восточный не рекомендован для детальной разведки.

Фактическая схема водозабора отличается от принятой при утверждении запасов. В настоящее время Верх не-Яшкульский водозабор имеет два участка (очереди), которые состоят из 21 и 9 эксплуатационных скважин соответственно. Скважины расположены линейными рядами длиной 1,8 и 1 км перпендикулярно балкам Яшкуль и Хурын-Сала, а также вдоль самой балки Яшкуль. В последние годы работало от 17 до 30 эксплуатационных скважин.

До 1980 г. суммарная производительность водозабора медленно нарастала до 27 тыс. м3/сут, после чего снизилась до 23–25 тыс. м3/сут (рис. 3). С 1993 г. водоотбор снова начал увеличиваться и достиг 31 тыс. м3/сут. Отметим, что с 1989 по 1999 г. точных измерений величины водоотбора не производилось, значения для этого периода приняты предположительно, путем интерполяции между периодами, когда велись измерения общего расхода. Кроме того, сами дебиты отдельных скважин были рассчитаны преимущественно по маркам и часам работы насоса, после чего корректировались по величине суммарного отбора.

statia-14-ris-3

Среднесуточный водоотбор Верхне-Яшкульского водозабора после 2000 г. превышал утвержденные запасы в 1,3 раза и составлял в среднем 33,35 тыс. м3/сут (в 2006 г. — 37,51 тыс. м3/сут), в том числе по скважинам I и II очереди — 20,67 и 12,68 тыс. м3/сут (в 2006 г. — 23,52 и 14,00 тыс. м3/сут). К настоящему времени сформировалась общая воронка депрессии уровней от влияния работы двух водозаборных участков. При этом значение максимально допустимого понижения на месторождении в гидродинамическом отношении составляет 20–25 м (до верхней части фильтров водозаборных скважин, расположенных на абс. отметках +40 ÷ +45 м).

Численная модель Троицкого месторождения была построена для оценки достоверности принятых при прогнозных расчетах геофильтрационных параметров, анализа гидродинамического и гидрохимического режима эксплуатации и закономерностей формирования качества подземных вод, а также оценки реальных эксплуатационных возможностей водозабора. Модель учитывает основные элементы геологического разреза, в виде отдельных слоев: 1) первый от поверхности четвертичный водоносный горизонт (в балках) или горизонт эолово-деллювиальных отложений (на водоразделах и склонах); 2) подстилающий их слой скифских глин (на площади их распространения); 3) ергенинский водоносный горизонт.

Слабопроницаемые отложения подстилающего яшкульского (онкофорового) горизонта схематизированы как преимущественно непроницаемые, но обеспечивающие поддержание повышенной минерализации в подошве ергенинского горизонта. Структура слоев и уровни подземных вод задавались в значениях абс. отметок. Гидродинамические задачи решались в напорно-безнапорной постановке. В качестве основного источника питания подземных вод задавалась инфильтрация, временные поверхностные водотоки (р. Яшкуль, балка Хурын-Сала и др.) воспроизведены на моделях в виде дрен, а питание из них — увеличением величины инфильтрации атмосферных осадков в пределах заливаемой площади балок. Поскольку в условиях водовмещающих песчано-глинистых отложений ергенинской свиты рассматриваемая система обладает существенной регулируюшей емкостью и соответственно инерционностью и в гидродинамическом отношении, и, тем более, в миграционном, калибровка моделей базировалась на среднегодовых значениях уровней подземных вод, водоотбора и инфильтрации.

Первый (верхний) слой модели представляет современные аллювиальные отложения в долинах балок и эолово-делювиальные отложения на водораздельной территории. Второй преимущественно моделирует толщу слабопроницаемых скифских глин, а там, где они отсутствуют, также соответствует эолово-делювиальным отложениям или врезам современного аллювия. Ергенинский горизонт в разрезе при моделировании гидродинамических задач был разделен на два слоя, соответствующие верхней, более песчанистой и нижней, более глинистой частям разреза. Впоследствии в самой нижней части был выделен пятый расчетный слой модели мощностью 2 м для задания граничных условий при решении миграционных задач (поддержание постоянной концентрации на подошве пласта). Таким образом, третий, четвертый и пятый слои модели представляют ергенинский водоносный горизонт. На гидродинамической модели было выполнено решение эпигнозных задач по воспроизведению естественных гидрогеологических условий и опыта эксплуатации водозабора от начала водоотбора до 2009 г.

По результатам решения гидродинамической и миграционной задач воспроизведения естественных условий образования линзы пресных вод в ергенинском горизонте были сделаны следующие выводы:

  1. Формирование линзы подземных вод с пониженными по сравнению с фоновым значениями минерализации (сухого остатка) обусловлено перетоком пресных поверхностных и подземных вод из горизонта современных отложений поймы и через него, преимущественно в местах отсутствия глинистых слабопроницаемых скифских отложений. На остальной части площади атмосферные осадки, медленно инфильтрующиеся через глинистые породы в условиях аридного климата, обогащаются солями, что приводит к повышению их жесткости и минерализации.
  2. Область перетока вод с низкой концентрацией солей в ергенинский водоносный горизонт в естественных условиях имеет ограниченные размеры, поскольку уже на участке расположения водозабора I очереди и ниже него по течению р. Яшкуль уровни подземных вод находились выше уровня дренирования р. Яшкуль, и здесь преимущественно (большую часть года) происходила разгрузка подземных вод в поверхностные водотоки. Таким образом, поступление вод с низкой минерализацией происходило только на отрезке длиной 5–7 км выше участка Центральный. Распространение их ниже участка I очереди Верхне-Яшкульского водозабора в естественных условиях обусловлено миграцией вниз по потоку от области питания, без дополнительного разбавления за счет инфильтрации атмосферных осадков.
  3. При эксплуатации водозабора, с одной стороны, за счет формирования воронки депрессии возможно дополнительное привлечение вод с низкой минерализацией из водоносного горизонта современных отложений и поверхностных вод, особенно в паводковый период, что должно способствовать снижению минерализации в скважинах, расположенных в пойменной части непосредственно у русла р. Яшкуль. С другой стороны, привлечение более минерализованных вод с периферийных частей воронки депрессии и из нижних частей разреза водоносного горизонта может приводить к ухудшению качества эксплуатируемых подземных вод.
  4. Оцененная сумма инфильтрационного питания в пределах площади модели в естественных условиях составила всего около 27 тыс. м3/сут. В условиях эксплуатации Верхне-Яшкульского водозабора происходило привлечение дополнительного инфильтрационного питания в пойме балки Яшкуль в паводковые периоды за счет сокращения площади разгрузки подземных вод в ее нижней части.

Действительно, при рассмотрении режимных данных о величине сухого остатка в отдельных эксплуатационных скважинах (рис. 4) достаточно сложно уловить четко выраженные тенденции изменений качества подземных вод при эксплуатации — они характеризуются значительной амплитудой колебаний, по ряду скважин отмечаются тенденции к уменьшению, по ряду — к увеличению величины сухого остатка. Существенный разброс фактических значений сухого остатка, скорее всего, свидетельствует о быстром и неравномерном проникновении пресных поверхностных вод в отдельных локальных зонах в руслах балок, а кратковременность периода восполнения при нестабильной работе (включениях—отключениях) отдельных скважин приводит к резким колебаниям сухого остатка. Все эти процессы в полной мере не могут быть отражены на численной модели месторождения, поэтому миграционная модель была ориентирована преимущественно на средние значения минерализации на водозаборных участках в целом и воспроизведение основных тенденций их изменения. Однако при рассмотрении графиков средних значений сухого остатка в накопительных резервуарах Центрального и Нового участков (рис. 3) можно увидеть, что начиная с 1978 г. отмечалась явная тенденция к снижению сухого остатка в накопительном резервуаре I очереди, аналогичная тенденция наблюдалась и по резервуару II очереди. Снижение величины сухого остатка продолжалось до конца 1990-х годов, пока суммарный водоотбор водозабора оставался ниже 31 000 м3/сут, и практически достигло нормативной величины 1,5 г/дм3. В начале 2000-х годов (а возможно, чуть раньше, поскольку точных измерений водоотбора не производилось), водоотбор существенно возрос — до 35–37 тыс. м3/сут. Это привело к быстрому увеличению величины сухого остатка до 1,8–2,0 г/дм3.

statia-14-ris-4

По результатам воспроизведения на численной гидродинамической модели опыта эксплуатации водозабора величина дополнительной инфильтрации в пойме балки Яшкуль на территории, где уровни подземных вод опустились ниже поверхности земли и создались условия для привлечения поверхностных вод в паводковый период, составила 9,8 тыс. м3/сут. При этом было получено близкое совпадение хода фактических и расчетных уровней подземных вод по всем наблюдательным скважинам. В балансе модели текущий водоотбор на 2009 г. (34,2 тыс. м3/сут) обеспечен сокращением расхода подземных вод в балки (на 14,4 тыс. м3/сут), увеличением инфильтрации в русле балок Яшкуль (на 9,8 тыс. м3/сут) и Троицкая (2,9 тыс. м3/сут), а также емкостью водоносного горизонта.

После решения эпигнозной гидродинамической задачи на миграционной модели Верхне-Яшкульского водозабора также был воспроизведен опыт эксплуатации водозабора до 2009 г. Подбор концентраций на границах модели осуществлялся при решении стационарной задачи в соответствии с фактическими значениями сухого остатка, измеренными в разведочных скважинах, расположенных на периферии модели. Значение расчетной концентрации в инфильтрующихся водах задавалось величиной 0,2 г/дм3 вдоль русла балки Яшкуль и 1 г/дм3 на всей остальной площади месторождения. Сухой остаток на подошве ергенинских отложений был задан значением 3,5 г/дм3 как граничное условие 1-го рода (постоянная концентрация) в слое 5. Целью моделирования было воспроизведение наблюдавшихся тенденций изменения качества подземных вод по эксплуатационным скважинам при заданных граничных условиях.

Для большинства эксплуатационных скважин в результате дополнительного подбора геофильтрационных параметров было получено соответствие фактических и модельных данных по скорости изменения минерализации эксплуатируемых вод во времени до 2000 г. Расчетные значения изменения минерализации подземных вод в скважинах на разных участках месторождения характеризуются графиками рис. 4, а на рис. 3 представлены графики расчетного сухого остатка в сборных емкостях I и II очередей водозабора. Несмотря на то что на модели они выглядят более сглаженными, в целом отмечается соответствие расчетных и фактических точек по максимальным значениям расчетной концентрации.

В то же время нельзя не отметить, что на модели не удалось получить как снижения минерализации к 1995 г. до 1,5 г/дм3 (минимальное значение составило 1,66 г/дм3), так и столь резкого роста расчетной концентрации в сборных водоводах в период 2005–2009 гг. Формальный подбор минерализации в скважинах может быть получен на численной модели путем «волевого» снижения минерализации в поверхностных водах и увеличения ее в подошве горизонта или задания областей распространения более минерализованных вод на окружающей площади. Однако такого рода построения будут гипотетическими и не охарактеризованы достаточными фактическими данными. При сопоставлении хода изменений расчетной величины сухого остатка в сборных резервуарах Верхне-Яшкульского водозабора с фактическими видно, что до 2000 г. наблюдается снижение расчетного содержания солей в подземных водах, а после увеличения суммарного водоотбора выше 29 тыс. м3/сут начинается рост минерализации. Таким образом, модель воспроизводит основную наблюдаемую тенденцию, заключающуюся в том, что при водоотборе более 29 тыс. м3/сут произошло превышение величины отбора в пределах линзы опреснения над величиной поступления пресных поверхностных вод. В связи с этим дальнейший подбор расчетных значений сухого остатка в отсутствие детальных данных о распределении его в разрезе и по площади не производился, а величину запасов подземных вод было решено ограничить значением 29 000 м3/сут не по гидродинамическим причинам, а по показателям прогнозного качества. Прогнозные миграционные расчеты показали, что при снижении водоотбора до уровня 25–30 тыс. м3/сут будет отмечаться тенденция к стабилизации и снижению значений солесодержания в эксплуатационных скважинах водозабора.

Для информационного обеспечения достоверной прогнозной миграционной модели в данном случае требуется детальное изучение распределения солесодержания в подземных водах как по площади, так и в разрезе, а также данные детальных режимных наблюдений как за уровнями, так и за минерализацией подземных вод во внутригодовом разрезе (особенно в период паводков), что требует значительных финансовых затрат. Однако даже в отсутствие детальной гидрохимической информации воспроизведение на миграционной модели основных тенденций изменения качества подземных вод подтверждает правильность сделанных выводов о закономерностях его формирования и достоверности баланса созданной гидродинамической модели.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Бабушкин В.Д., Глазунов И.С., Гольдберг В.М. и др. Поиски, разведка, оценка запасов и эксплуатация линз пресных вод. — М.: Недра, 1969.
  2. Боревский Б.В., Поляков В.А., Ершов Г.Е. Формирование линзы питьевых вод в слоистой толще под влиянием перетекания в процессе эксплуатации / Изучение условий формирования эксплуатируемых ресурсов пресных подземных вод. — М., 1985. — С. 16–24.