Обоснование численной геофильтрационной модели Тольяттинского месторождения подземных вод

Подробности

Автор: Язвин А.Л.

Как известно, обратные геофильтрационные задачи (поиск параметров модели) относятся к классу некорректно поставленных. Следствием этого являются сложности выбора расчетных значений из нескольких вариантов, при которых наблюдается удовлетворительное согласование модельных и фактических данных. Такая ситуация особенно характерна для месторождений подземных вод, находящихся в сложных условиях, где гидрогеологические процессы определяются большим количеством геофильтрационных параметров и источников возмущения. Соответственно, достоверность получаемых прогнозных решений зачастую недостаточна для принятия обоснованных проектных решений.

Тольяттинское месторождение является характерным примером объекта, где степень техногенного воздействия на гидрогеологические условия столь велика, что не только подлежит учету при оценке ЭЗПВ, но играет определяющую роль в их формировании. Для обоснования геофильтрационной модели потребовалось не только детально учитывать особенности геологического строения, определяющие закономерности изменения фильтрационных свойств водовмещающих пород, но и провести всесторонний анализ многолетней динамики гидрогеологических условий, обусловленной созданием Куйбышевского водохранилища, интенсивной эксплуатацией водозаборов подземных вод и техногенным увеличением инфильтрационного питания. Использование вышеуказанных материалов позволило разработать модель, адекватно отражающую природные процессы и, следовательно, пригодную для проведения прогнозных расчетов.

Разработка численной геофильтрационной модели Тольяттинского месторождения (рис. 1 ) была выполнена в составе работ по разведке и переоценке эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Тольятти, проведенных в 1996–2001 г. ЗАО ГИДЭК совместно с Куйбышевской ГГЭ. В данной статье рассматривается только гидродинамическая составляющая модели. Вопросы качества подземных вод и моделирования геомиграции изложены в [1, 2].

Геологическое строение Тольяттинского месторождения достаточно простое. Продуктивным является неоген-четвертичный аллювиальный водоносный комплекс (рис. 2), представленный разнозернистыми и гравелистыми песками средней мощностью 50-60 м. Нижним водоупором служат регионально выдержанные глины нижнего мела. Основными источниками формирования эксплуатационных запасов являются динамические ресурсы (перехват потока подземных вод, разгружающегося в р. Волгу) и привлекаемые ресурсы (поверхностные воды). Площадь месторождения составляет 50 х 40 км.

До середины 50-х годов положение уровенной поверхности подземных вод в многолетнем плане являлось стационарным и в значительной степени определялось уровнем поверхностных вод в р. Волге. Со второй половины 50-х годов произошло резкое изменение гидрогеологических условий, обусловленное следующими антропогенными факторами:

1. Строительство Волжской ГЭС и создание Куйбышевского водохранилища, в результате чего уровень воды в р.Волге выше плотины повысился на 20 м. Урез реки в сместился на величину от 2 до 8 км. Соотношение площадей территорий, занимаемых сушей и акваторией р.Волги (в пределах месторождения) изменилось с величины 15:1 до 3:1. Среднегодовое количество осадков увеличилось с 370 до 480 мм. Это явилось причиной длительного подъема уровней подземных вод.

2. Возникновение и развитие крупного промышленного центра – г.Тольятти, сопровождавшееся созданием ряда водозаборов подземных и поверхностных вод. В настоящее время эксплуатация подземных вод осуществляется 15 групповыми и ~ 90 малыми автономными водозаборами для хозяйственно-питьевого, технического водоснабжения и водопонижения с суммарным отбором 200 тыс. м³/сут. Отбор поверхностных вод – около 650 тыс. м³/сут.

Интенсивное водопотребление является причиной резкого снижения уровней - на участках расположения водозаборов подземных вод и повышения - на территориях селитебных и промышленных зон в результате утечек из водонесущих сетей.

3. Использование земель для сельскохозяйственного производства, обусловившее создание в 70-х - 80-х годах XX века 3 оросительных систем. Максимальный среднегодовой забор воды (поверхностной) был достигнут на рубеже 80-х / 90-х годов и составлял 170-220 тыс. м³/сут, в конце 90-х годов он снизился до 100-130 тыс. м³/сут. Орошение также внесло значительный вклад в подъем уровня.

Существенное влияние интенсивной хозяйственной деятельности, а также необходимость комплексного подхода к интерпретации большого объема фактических материалов, полученных при работах 1996-2001 г. и в результате ранее проведенных исследований, определили целесообразность применения для оценки ЭЗПВ метода математического моделирования. Для систематизации и анализа полученной информации потребовалась разработка компьютерной базы данных, которая являлась основой для создания системы взаимоувязанных численных моделей нескольких уровней детальности, состоящей из региональной модели Тольяттинского месторождения, локальных моделей его отдельных блоков и детальных моделей водозаборов.

На основании анализа результатов опытно-фильтрационных работ, выполненных на различных участках месторождения, с учетом единых закономерностей генезиса водовмещающих пород и условий их залегания для гидродинамических расчетов принималось отсутствие пространственной изменчивости значений коэффициента фильтрации в пределах выделенных слоев продуктивного комплекса.

Отличительной особенностью постановки задач при геофильтрационном моделировании является необходимость учета временных и пространственных изменений инфильтрационного питания. Модельный массив значений данного параметра задан зонами, соответствующими характеристикам поверхности территории, которые обусловлены различными природными и техногенными факторами. При этом в каждой из зон величина инфильтрации является переменной во времени – ввиду увеличения количества атмосферных осадков и техногенной составляющей питания (рост утечек, создание массивов орошения).

Калибрация моделей заключалась в уточнении фильтрационных и емкостных характеристик водовмещающих отложений, параметров взаимосвязи подземных и поверхностных вод; определении величин и динамики инфильтрационного питания. Калибрация проведена в стационарной и нестационарной постановках по данным наблюдений на режимных постах, ведущихся с 50-х годов, результатов детальной разведки (1969-1973 г.), работ по переоценке эксплуатационных запасов (1996-2001 г.) и других гидрогеологических исследований.

В связи с небольшим количеством кустовых откачек, проведенных на участках основных водозаборов г. Тольятти, и ввиду значительного расхождения получаемых значений параметра по данным одиночных откачек из эксплуатационных скважин, основным методом уточнения расчетных значений параметров являлось численное геофильтрационное моделирование опыта эксплуатации водозаборов и подпора подземных вод в результате заполнения Куйбышевского водохранилища. Отметим, что полученные при этих процессах возмущения уровня подземных вод (снижение до 15 м и повышение до 20 м соответственно) существенно превышают достигнутые при проведении опытных работ, а во временном масштабе составляют десятилетия.

Решение обратных задач базировалось на следующих основных группах исходных данных:

1) Материалы единовременных съемок положения уровенной поверхности подземных вод, выполненных в 1950 (до заполнения водохранилища), 1972 и 2000 годах.

2) Материалы режимных наблюдений за процессом повышения уровней подземных вод в результате заполнения Куйбышевского водохранилища (с 1955 г.).

3) Материалы режимных наблюдений за изменениями уровня подземных вод в процессе эксплуатации водозаборов, в результате ввода водозаборов и их остановок, в том числе:

- материалы групповой опытно-эксплуатационной откачки, проведенной на Прибрежном участке в период июль - октябрь 1972 г. (максимальный расход – до 40 тыс. м³/сут),

- данные наблюдений за восстановлением уровней в результате длительной остановки водозабора Комсомольский в период август 1998 – июнь 1999 г. и их последующим снижением (расход ~ 5.5 тыс. м³/сут).

Процесс подбора имел итерационный характер и заключался в последовательной корректировке значений параметров по мере приближения к окончательному варианту. Он включал два параллельных цикла моделирования и анализа получаемых решений:

1) многократные последовательные решения обратных задач на разномасштабных моделях;

2) анализ адекватности модели по данным о площадном распределении уровней подземных вод на конкретные моменты времени и по временным изменениям уровня.

Завершался подбор параметров при достижении соблюдения критериев соответствия модели реальным гидрогеологическим условиям. Степень соответствия контролировалась путем сопоставления фактических и модельных данных по следующим позициям:

1) Структура потока подземных вод до строительства Волжской ГЭС (до 1955 г.). В данный период времени структуру потока условно можно считать естественной, поскольку процесс сооружения города только начинался, а эксплуатация подземных вод была минимальной.

2) Структура потока подземных вод в условиях, нарушенных в результате заполнения водохранилища, возникновения и развития г.Тольятти и эксплуатации подземных вод на территории месторождения (1972 и 2000 годы).

3) Изменения уровня подземных вод за период 1955 – 2000 г., обусловленные вышеуказанными антропогенными факторами.

4) Соотношение абс. отметок (и их изменений) уровней подземных вод и водных объектов.

Модельные уровни подземных вод, полученные для естественных условий при воспроизведении ситуации 1950 года (стационарный режим фильтрации), были приняты в качестве начальных. При этом область фоновых значений параметра инфильтрации (W = 45 мм/год) включает практически всю площадь месторождения, поскольку селитебные, промышленные зоны и массивы орошения еще не были образованы. Далее моделирование выполнялось в нестационарной постановке.

Среди большого числа действующих в различные периоды времени наблюдательных скважин для анализа динамики уровня подземных вод и калибрации модели были отобраны ~ 20 скважин, обладающих наиболее представительными данными. В качестве критериев отбора использовались следующие показатели:

1) наличие длительных рядов наблюдений;

2) оборудование фильтров на основной эксплуатируемый интервал продуктивного комплекса;

3) расположение скважин, позволяющее оценить доминирующее влияние различных факторов, параметров и процессов формирования режима подземных вод.

Для подбора параметров использовалась совокупность всех имеющихся данных о временной динамике и площадном распределении уровней подземных вод. При этом данные по различным группам скважин, выделяемым по пространственному положению, играли главенствующую роль при определении того или иного параметра.

Так, для определения сопротивления подрусловых отложений использовались уровни по ближайшим к реке наблюдательным скважинам, расположенным на участке Прибрежного водозабора (рис. 3). Ввиду значительной удаленности от уреза Куйбышевского водохранилища, сопротивление ложа реки не оказывает существенного влияния на отметки и понижения уровня подземных вод в скважинах, находящихся на участках других водозаборов. Поэтому эти данные учитывались в первую очередь для определения коэффициента фильтрации водоносных отложений (рис. 4). Скважины, расположенные вне прибрежных территорий и водозаборных участков, использовались для определения инфильтрационного питания (рис. 4).

Полученная при моделировании современная уровенная поверхность подземных вод продуктивного комплекса и динамика ее изменения за период техногенного воздействия (1950 – 2000 г.) в пределах всей области моделирования хорошо согласуется с фактическими данными. Таким образом, использование системы разномасштабных и разновременных моделей, отражающих структуру потока подземных вод в естественных условиях и ее изменения, обусловленные изменениями конфигурации акватории и уровня р. Волги, отбора подземных вод и инфильтрационного питания, позволяет свести к минимуму неоднозначность подбора параметров при решении обратных задач и добиться требуемой достоверности прогнозных расчетов.

По результатам решения обратной задачи приняты следующие значения основных геофильтрационных параметров. Коэффициент фильтрации верхней части неоген-четвертичного комплекса - 20 м/сут, нижней части (в которой расположены фильтры эксплуатационных скважин) - 34 м/сут, коэффициент перетока подрусловых отложений р.Волги - 0.05 сут^-1, гравитационная водоотдача – 0.15. Все эти параметры приняты неизменными во времени, в отличие от величины инфильтрационного питания.

К 1973 г. последняя изменилась по сравнению с исходной (45 мм/год), главным образом, для селитебных территорий (65 мм/год) и для центрального промышленного узла (100 мм/год). Максимальные значения инфильтрации были получены на рубеже 80-х / 90-х годов. Фоновое значение – 60 мм/год (увеличение на 1/3 соответствует росту атмосферных осадков), массивы орошения – 100 мм/год. Для селитебных зон значения инфильтрационного питания составляют 70 -90 мм/год, для промышленных – 500 - 700 мм/год. Сопоставляя эти данные с водопотреблением предприятиями центрального промышленного узла (350-400 тыс. м³/сут при площади – 21 км²) получаем величину утечек из водопроводных сетей, составляющую приблизительно 10%. Это значение свидетельствует о реальности принятой на модели величины инфильтрационного питания для промышленных зон.

Моделирование гидрогеологических условий Тольяттинского месторождения за период 1950 – 2000 г., помимо определения геофильтрационных параметров модели, преследовало цель проведения анализа роли отдельных режимообразующих факторов. В связи с этим моделирование было проведено в трех вариантах:

1 – реальные гидрогеологические условия,

2 – отсутствует отбор подземных вод, учитывается изменение инфильтрационного питания,

3 – отсутствует отбор подземных вод, инфильтрационное питание является неизменным во времени (сохраняется на уровне 1950 г.).

Рассмотрим изменение уровня за указанный период по нескольким скважинам, характеризующим различные типы режима (рис. 4).

Скв. 4р (водозабор Прибрежный). Расстояние до уреза реки 3.8 км (до заполнения водохранилища), 300 м (после заполнения). Реконструкция изменения уровней подземных вод позволяет сделать следующие выводы. Повышение уровня в результате подпора составляет 19 м (с 32-33 м до 51-52 м), оно достигло максимума уже к 1960 г. Влияние увеличения инфильтрационного питания минимально и не превышает 1-2 м. Понижение в результате эксплуатации – 4 м.

Скв. 50 (водозабор Соцгородской). В результате заполнения водохранилища повышение составило 14 м (с 40 м до 54 м), дополнительный вклад увеличения питания – 4 м. При этом с середины 70-х годов фактор влияния подпора уже не играет существенной роли. Влияние водоотбора, начиная с первой половины 60-х годов, постоянно увеличивается, достигая максимума в период 80-х, и компенсирует влияние остальных факторов. В результате в настоящее время уровни подземных вод в центре участка Соцгородского водозабора соответствуют их значениям в естественных условиях.

Скв. 1 (Центральный промузел). Здесь происходит многолетний подъем уровней подземных вод, который прекратился только в конце 90-х годов. Повышение уровня в результате подпора составляет 10 м (с 47 до 57 м). С 70-х годов изменения уровня подземных вод определяются дальнейшим увеличением инфильтрационного питания, обусловленным в первую очередь антропогенным воздействием, а также усилением интенсивности их отбора. Вследствие того, что скважина расположена вблизи промзоны, влияние роста инфильтрационного питания в ней максимально и составляет 12 м. Таким образом, в данном районе влияние факторов, обусловливающих подъем уровня, существенно превышает воздействие отбора подземных вод.

Основные выводы. Степень техногенного воздействия на гидрогеологические условия Тольяттинского месторождения столь велика, что играет определяющую роль в формировании эксплуатационных запасов подземных вод. Основным методом определения расчетных значений параметров являлось численное геофильтрационное моделирование опыта эксплуатации водозаборов и подпора подземных вод в результате заполнения Куйбышевского водохранилища. Отличительной особенностью постановки задач при геофильтрационном моделировании является необходимость учета временных и пространственных изменений инфильтрационного питания. Использование модели, отражающей структуру потока в естественных условиях и ее изменения, обусловленные изменениями конфигурации акватории и уровня р. Волги, отбора подземных вод и инфильтрационного питания, позволяет свести к минимуму неоднозначность подбора параметров при решении обратных задач.

ЛИТЕРАТУРА

 1. Боревский Б.В., Ершов Г.Е., Закутин В.П., Язвин А.Л. Влияние антропогенной нагрузки на формирование химического состава питьевых подземных вод (на примере г. Тольятти) / / "Современные проблемы изучения и использования питьевых подземных вод. Материалы Совещания", М., 2003, стр. 180-183.

2. Боревский Б.В., Ершов Г.Е., Закутин В.П., Язвин А.Л. Исследования влияния антропогенеза на условия формирования эксплуатационных запасов подземных вод (на примере Тольяттинского месторождения) / / "Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование. Сборник докладов конференции, посященной 50-летию кафедры гидрогеологии МГУ им. М.В.Ломоносова", М., 2003, стр. 226-238.