Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Гидродинамические факторы формирования химического состава подземных вод при эксплуатации слоистых толщ

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидродинамические факторы формирования химического состава подземных вод при эксплуатации слоистых толщ"

На правах рукописи

Тытянок Николай Николаевич

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СЛОИСТЫХ

ТОЛЩ

(на примере Азово-Кубанского артезианского бассейна).

Специальность: 04.00.06 - гидрогеология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Ростов-на-Дону- 1998

Работа выполнена в ГК Кубаньгеология и Новочеркасском государственном техническом университете.

Научный руководитель - член-корреспондент РАЕН, доктор гео-

лого-минералогических наук, профессор

Попов В.Г.

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Боревский Б.В.

кандидат геолого-минералогических паук, доцент Волков В.Н.

Ведущая организация - Кавминводская гидрогеологическая экспе-

диция (п. Иноземцево, Ставропольского края).

Защита состоится 1998 г. в /г час. на заседании

диссертационного совета Д064.40.02 при Северо-Кавказском научном центре высшей школы по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, главный корпус, аудит.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Новочеркасского государственного технического университета.

Автореферат разослан «Л?» 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного /^¡/а/ /

совета, к. г.- м. н., доцент Сьян С. И.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Подземная гидросфера является одним из основных источников хозяйственно-питьевых, минеральных, промышленных, оросительных и других вод. Выяснение закономерностей формирования их химического состава в сложных гидрогеодинамических условиях является одной из наиболее важных проблем при использовании подземных вод. От установления закономерностей этих процессов зависит методическая направленность и технический комплекс мероприятий и приемов при изучении подземных вод на стадии разведки, оценки эксплутационных запасов и их добыче, а также интерпретация последствий гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов при мониторинге эксплуатируемых месторождений. Существенные отличия прогнозируемого химического состава подземных вод на стадии разведки месторождений и их эксплуатация в условиях многослойных водоносных комплексов, используемых как единая гидрогеологическая система, могут быть объяснены изменением пропорций смешения вод в скважинах, каптиругопщх разнонапорпые водоносные пласты. При длительной эксплуатации их происходит нивелирование пьезометрических уровней, а следовательно, изменение степени депрессии отдельных пластов и доли притока из них в общем дебите скважины и водозаборного сооружения в целом.

Выявленная тенденция увеличения содержания практически всех компонентов химического состава вод в описанном процессе, вероятно, связана с постоянным ростом доли притока из менее проницаемых слоев с относительно затрудненным водообменом, а потому- с ухудшенным качеством.

Предложенный в настоящей работе анализ и научные рекомендации по методике обработки фактического материала позволяют объяснить тенденции изменения качества подземных вод на действующих водозаборах и учитывать их при постановке работ с целью прогноза стабильности химического состава воды в период разведки месторождении и оценки запасов подземных вод в слоистых толщах. Этим определяется актуальность работы.

Цель работы: совершенствование научно-методических основ гидрогеодина-мического прогнозирования изменения химического состава подземных вод при их поисках, разведке с оценкой эксплутационных запасов и мониторинге в условиях частого переслаивания коллекторов и водоупоров (на примере Азово-Кубанского артезианского бассейна) для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения и ведения наблюдений за режимом подземных вод.

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

1. Районирование Азово-Кубанского артезианского бассейна (АКАБ) по особенностям формирования химического состава и геодинамического режима подасм-ных вод.

2.Типизация основных месторождений АКАБ по условиям формирования притока в скважины.

3.Анализ соответствия прогноза качества подземных вод на стадии оценки запасов и их солевого состава в период эксплуатации.

4. Гидрогеодинамическое обоснование тенденции изменения химического состава подземных вод в условиях эксплутационного водоотбора из слоистых толщ.

5. Математическое моделирование смешения подземных вод в скважине, каптирующей разнонапорные горизонты с различными проницаемостью и химическим составом подземных вод.

6. Оценка роли гидрогеодинамических факторов в формировании гидрохимической ситуации (на примере эксплуатации типичного Константиновского месторождения подземных вод).

Основные защищаемые положения.

1.Флуктуация значений содержания отдельных компонентов химического состава подземных вод и минерализации в целом в условиях эксплуатации разнона-!гарных слоистых толщ связана не только с перетеканием из смежных горизонтов и упругим отжатием из глин, но и с гидрогеодинамическим изменением степени депрессии отдельных водоносных слоев в процессе эксплуатации.

2.Прогнозирование тенденций и количественная оценка изменений содержания отдельных компонентов химического состава подземных вод возможна на поиско-

во-разведочных стадиях освоения месторождений при условии выполнения целенаправленных исследований.

З.В условиях дефицита подземных вод питьевого качества по иошю-солевому составу, в одной скважине возможно использование пластов, содержащих качественные и некондиционные воды, проводя при этом гидрогеодинамическую оптимизацию соотношения водопритоков из совместно каптируемых пластов.

Фактический материал получен автором в процессе проведения полевых и камеральных работ в качестве гидрогеолога, старшего гидрогеолога и главного гидрогеолога Краснодарской гидрогеологической партии (1974-1995 гг.) и главного геолога государственной компании «Кубаньгеология» (1995-1998 гг.).

Диссертационная работа завершена в ГК «Кубаньгеология» и Новочеркасском государственном техническом университете.

По теме диссертации автором проанализирован обширный фактический материал по гидрогеодинамическим и гидрогеохимическим особенностям АКАБ, Западного Кавказа и гидрогеологии Таманского полуострова. Под руководством и при непосредственном участии автора выполнен ряд работ по разведке и оценке эксплутационных запасов пресных подземных вод для водоснабжения г.г. Белоре-ченск, Темргок, Новороссийск, Крымск, Геленджик, Анапа, Краснодар, Тима-шевск, Ейск, Ашперонск, Приморско-Ахтарск и др. населенных пунктов Краснодарского края, разведано месторождение минеральных вод «Медуница» в Отрад-ненском районе, проведена гидрогеолого-мелиоративная съемка масштаба 1:200000 большей части Кубанской равнины, составлен проект по использованию разгрузки АКАБ в акватории Азовского моря для водоснабжения населенных пун кто г. Таманского полуострова.

Научная повизла. Впервые на основе комплексного анализа причин флуктуации значений содержания отдельных компонентов химического состава подземных вод и их минерализации при эксплуатации месторождений подземных вод в слоистых толщах в целом сделан вывод о закономерной связи разнонапорности пластов, каптируемых совместно в одной скважине, степени их проницаемости и характера изменения иошю-солевого состава получаемой воды.

Разработаны принципы схематизации формирования притока к водозаборному сооружению в сложных условиях многослойных разнонапорных толщ.

Описаны основные теоретические модели формирования пропорций притока из отдельных пластов во времени и принципы прогноза изменения химического состава получаемой воды.

Показано принципиальное решение проблемы формирования пьезометрического уровня в скважине в условиях разнонапорносш каптируемых пластов, как динамически результирующего процесс перетекания по стволу.

Исследованы и описаны технические причины изменения пьезометрического уровня в наблюдательных скважинах, ведущие к ошибочной интерпретации результатов мониторинговых и опытных работ.

Практическаа ценность определяется совершенствованием научно-методических основ прогнозирования качества подземных вод в условиях разнонапорных слоистых толщ при их эксплуатации на стадии разведки и оценки запасов. Разработанный на базе математического моделирования способ позволяет усовершенствовать методику поисково-разведочных работ на месторождениях подземных вод в артезианских бассейнах как во внутренних областях на участках нарушенных эксплуатацией, так и в краевых частях, а также в орогенных артезианских бассейнах, приуроченных к складчатым областям, внутри- и межгорным впадинам и, в отдельных случаях, к конусам выноса. Обоснован и впервые апробирован на действующем Константиновском водозаборе метод гидрогеодинамического анализа причин изменения качества отбираемой воды при эксплуатации месторождения.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на конференциях, НТС СК РГЦ при рассмотрении результатов многолетнего мониторинга подземных вод АКАБ, изложены в 8 публикациях, 5 сводных отчетах о мониторинге подземных вод АКАБ и 9 отчетах о разведке и оценке запасов пресных подземных вод для хозяйственно-питьевых целей, утвержденных ГКЗ СССР и России и ГКЗ при СК Р1 Ц.

Научная разработка темы выполнена в рамках утвержденных Правительст -венной комиссией по научно-технической политике Приоритетных направлений

фундаментальных исследований в области наук о Земле (№ 2727п-ПВ от 21.07.96 г.):

"Ресурсы, динамика и охрана подземных вод";

"Критические технологии федерального уровня";

"Технология мониторинга природно-тсхногенной среды".

Построение и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 158 страницах, проиллюстрирована 15 рисунками и 11 таблицами. В списке литературы -70 наименований.

Диссертация выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора В. Г. Попова, которому автор приносит особую благодарность и признательность за всестороннюю помощь, конструктивную критику и внимание.

На протяжении всех исследований по теме диссертации автор пользовался консультациями д. г.-м. н. И.И. Крашина, к. г.-м. н. А.Б. Островского, к. г.-м. н. В.Ф. Суханова, которым выражает свою искреннюю признательность.

Автор пользуется случаем выразить свою благодарность коллегам по совместной работе В.А. Лободину, H.H. Кутепову, В.Л. Ереминой, Л.Л. Ляшеико, C.B. Величко, C.B. Лымарь, В.М. Шереметьеву, Ю.А. Сандецкому В.И. Горяеву за советы, высказанные в период подготовки диссертации. Автор также благодарен Т.А. Плугиной, Е. В. Федотову, Г. А. Ершову, а также сотрудникам ВСЕГИНГЕО, CK РЩ, Кубаньгеолкома, НПФ »Гидек», ГК »Кубаньгеология», НИПИ «Океанге-офизика» и Краснодарской ГГП.

Глава 1 .Состояние изученности, специфика исС!ШДонл1й!йипгоблематика Изученность геологического строения и гидрогеологических условий АКАБ не одинакова для всех его структурных элементов вследствие их разнообразия и сложности и, в целом, оценивается масштабом 1:200000. Систематическое изучение АКАБ связано с деятельностью Геологического комитета, по заданию которого была проведена съемка масштаба 1:42000 предгорий Кубанской области (К.И. Богданович, С.И. Чарноцкий, 1906; И.М. Губкин, К. А. Прокопов, 1911).

В довоенный период (1917-1940 гг.) производится геологическое и гидрогеологическое картирование. В это время в степных районах ведутся многолетние гидрогеологические работы К.И. Лисициным, Г.И. Поповым, Н.И. Кононовым, И.И. Ильченко и др. В 1934 г. С. А. Гатуев впервые выделяет Азово-Кубанский артезианский бассейн и определяет его границы. К.И. Лисицын в 1936 г. предложил первую схему гидрогеологического районирования Азово-Черноморскош края.

В послевоенный период опубликовано много работ, посвященных стратиграфической схеме неогена. В 1961-62 гг. Н.Г. Волкова проводит региональную оценку эксплутациоиных ресурсов подземных вод Краснодарского края, применительно к масштабу 1:500000.

В целом гидрогеологические условия АКАБ изучены сравнительно хорошо и, хотя большинство работ носят узко специализированный характер, они могут служить основанием для решения вопроса о комплексном использовании подземных вод бассейна. При этом в каждом отдельном случае должен быть сформирован оптимальный методический и технологический комплекс, позволяющий наиболее полно и достоверно решать геологические задачи в условиях гидродинамически и гидрогеологически многофакторной слоистой системы.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям гидрогеодинамических и гидравлических характеристик притока подземных вод к скважине посвящено большое число публикаций. В связи со сложностью применения строгих математических уравнений движения жидкостей в пористой среде разработано большое количество решений (схем) фильтрации, применяющихся в практике гидрогеологических исследований. Эти работы в большей части посвящены как оценке влияния отдельных конструктивных особенностей скважины на потери напора в ней при откачке, так и определению суммарных гидравлических потерь при расчетах параметров водоносных горизонтов.

Основу проблематики настоящей работы составляет вывод о том, что прогноз изменения уровней в каждом пласте многослойного горизонта, при оборудовании фильтрами в одной скважине нескольких пластов с различной проницаемостью, представляет собой сложную задачу, которая еще более усложняется в условиях каптирования нескольких пластов с разными пьезометрическими уровнями. Это-

му в условиях большей части территории АКАБ способствует незначительная мощность отдельных пластов и стратиграфический принцип разведки, оценки экс-плутационных запасов и использования подземных вод. В связи с тем, что разница в уровнях крайних пластов одного водоносного комплекса на отдельных участках нарушенных эксплуатацией и в предгорной зоне АКАБ достигает 30 и более метров, а понижения уровней при опытных откачках на разведочных стадиях составляют 5-15 м (без потерь на несовершенство скважин), задача определения фильтрационных параметров становится неопределенной. При этом, в связи с неопределенностью прогноза изменения соотношения притоков из отдельных пластов во времени, необходимо считать недостаточно достоверным вывод о постоянстве качества подземных вод в процессе длительной эксплуатации крупных водозаборов.

Изучению этой проблемы и посвящена настоящая работа.

Глава 2.гадюшологические условия и факторы формирования подземных вод азово-кубанского артезианского бассейна

Формирование вод артезианских бассейнов платформенного типа, к которым относится АКАЛ, определяется рядом природпо-техногешшх генетических фа [порой, наибольшее значение го которых имеют естественные геологические, гидрогеологические, ландшафтно- климатические и искусственные факторы.

В главе приведена оценка физико-географических, геологических условий и факторов, влияющих на формирование подземных вод.

Подземные воды в пределах АКАБ содержатся во всех стратиграфических горизонтах мезозоя и кайнозоя. Пресные подземные воды формируются в зоне активного водообмена, которая включает в себя верхний гидрогеологический этаж, региональным водоупором которого являются глины майкопской серии. Более подробная характеристика дана гидрогеологическим условиям водоносных комплексов, залегающих в этой зоне, которая включает подземные воды четвертичных верхнеплиоценовых (атперонских, акчагыльских), среднеплиоценовы (куяльниц-ких, киммерийских) и, в периферийных частях бассейна, поэтических, мэотиче-скях и сарматских отложений с предельной глубиной залегания после днях до 2000-2200 м.

Параметры основных водоносных комплексов АКАБ

Параметры ВОДОНОСНЫЙ КОМПЛЕКС ОТЛОЖЕНИЙ

ангро-пог. верхнеплиоценовых отложений куяльшщиого яруса киммерийского яруса шнгического яруса нэотического яруса верхиссарматского яруса

Районы: Западно-Кубанского (ЗКП), Восточно - Кубанского (ВКП) прогибов и платформенного склона (ПС)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20

ЗКП ЗКП ВКП ПС ЗКП ВКП ПС ЗКП ВКП ПС ЗКП ВКП ПС ЗКП ВКП ПС ЗКП ВКП ПС

Глубина залегания кроили водоносного комплекса отповерхвооти земли, м 21-72 2-163 3-60 20-103 44-471 40-236 20-320 6-693 30-250 7-230 321223 8-405 40-390 1751645 30-510 120. 495 4902215 35-645 220480

Глубина залегания урогня подз гмнык вод от поверхности земга, м 1-30 +5-18 +17-59 + 15-24 +8-23 4-28 6-32 +27-1 +1.527 +5-25 +40-+1..5 + 18-46 + 1.340 +50-1 +8-43 +15-40 +37+10 +31-30 +10-33

Абсолютная отметка уровня подземных вол, м +20-+2 +210+2 -360+50 +1900.0 +120-О.О +230+40 +130+5 +105+5 +270+40 +350.0 +160+40 +285+55 +60+10 +180+50 +350+60 +170+40 +200+40 +520+88 + 200+50

Внугрихомплексиая разница уровне?!, м 0-3 3-17 5-25 1-21 7-15 4-7 14 5-18 5-7 0-11 7-22 5-32 3-7 5-41 5-37 3-5 — 3-27 —

Уклон пьезометрической повер:шости подземных вод, 10'. 2.5 х х Ю-1 9x10'"' 110' 8.5 х хЮ'1 х2х х 101 3 х х Ю'!-10" 4 х х 10'-7 х х10"' 4 х х 10'3-х 10' 2х х 10! -2 х х Ю" 7 х хЮ'- 7 X хЮ" 5 х х 10'1- 4 X х10л Зх х 10"-10" 10<-ю" 4 х х 10!-10" 7 х х 10" -10" Зх х Ю'! - 5 х х 10" 7 х х 10-'-5 X 10" 10"'-3 X X 10" 4 х х №'- 9 х х 10" 5 х х 10"3- 1.2 X х10'! 4 х х 10-'- 5 х хЮ"

Дебаты скважин, д/о 2-45 8-40 0.7-70 1-14 3.5-13 2.2-12..5 0.1-5.2 5-15 2.5-45 1.5-43 1.6-13 4-10 0.7-8.3 1-4.4 5.820.5 1.3-21 0.5-20 0.351.4 1.5-8.8

Понижение уровне, м 4.8-19 1340 2-42 5-25 7-29 5.9-30 15-31 10-36 15-30 7-40 8-4« 9-25 0-48 15-47 11-47 1745 9-35 2-31 9-43.4

Удельные дебеты сквадсин, л/с 1.2-8.9 0.1-3.9 0.3-17..3 01.1.6 0.3-1.1 0.1-0.7 0.010.3 0.5-1.5 0,1-2.8 0.1-5.1 0.1-0.4 0.1-0.8 0.1-0.7 0.030.2 0.2-1.2 0.1-0,9 0.071.0 0.1-2.1 0.040,4

Коэффициент фильтрации водов мещающих пород, м/сут, 22-33.7 4.118.3 2.3-78 0.5-3 0.512.5 0.9-5.1 0.1-3.7 1.9-4.5 1,210,0 0.419.0 0,52.6 0.8-5.3 1.2-4.5 0.4-2.8 0.5-2.0 0.2-1.5 0.3-7.0 1.011.2 0,6-5,3

Водопроводнмость, ма/1.ут, 150-1180 251250 751550 25-125 25-400 50-175 10-150 125250 25-250 251965 25-350 25-175 25-595 70-450 25-175 10-75 8-450 25-340 25-75

Коэффициент пьезогцю водности, м3/суг. ю'-1.4 х 110' 2х хЮ4-1.2 х х Ю' 7х X Ю"-10' 5 х х 10'-1.5 х х10' 5 х х 10'- 10' 8 х х 10'- 10е 5 х х 10'-10" 1.5 х х 10й-5 >: хЮ' 10' 5 X х10!-4 х ХЮ* 5 х х 10'-10' 2х х Ю'-10' 5 х х 10'- 10' 2.8 х хЮ'-5x10' 5 х хЮ'-1.5 х X 10" 5 х х10!-10' Зх хЮ'-5 х х 10' 1.3 х х 10'-2 х хЮ' 10'

Коэффициент водоотдачи, % 10.5-21.1 12-19 14-29 6.2-13 8-22 9-19 2-13 7-16 2.2-21 12-26 9.6-17 11-18 16-26 9-12 11-17 12-15 3-18 6-26 8-27

Сухой остаток воды , г/л 0.3-0.8 0.3-2.3 0.212.0 0.5-4.6 0.4-1.8 0.2-3.0 0.8-5.7 0.4-1 0.4-2.0 0.7-16 0.327.4 0.3-14 0.612.6 0.3-92 0.2-1.9 0.4-8.0 0.3. 78.8 0.2-09 0.5-4.0

Водоотбор, тыс. м3/сут. 170 347 40 133 23 30 92 55 24 306 6 18 207 - 22 68 47 28

Примечание: 1. Глубина кровли водоносного комплекса отличается от кровли первого от поверхности водоносного прослоя в области "закрытого" залегания пород. 2. Уровень подземных вод, устанавливающийся выше поверхности земли, дан со знаком "+"

Формирование подземных вод АКАБ связано с инфильтрационными или континентальными генетическими циклами (по Г.Н. Каменскому, 1943), ведущими процессами в которых являются инфильтрация и инфлюация атмосферных и поверхностных вод через пористые и трещиноватые породы. Основная область питания водоносных горизонтов и комплексов находится на южном крыле бассейна. Снижение напоров происходит от южной и юго-восточной областей питания в северо-западном и западном направлениях к Азовскому морю.

Региональной областью разгрузки вод бассейна является Азовское море. Но большая доля потока дренируется в долины р. Кубань и ее притоков.

Основные характеристики водоносных комплексов приведены в таблице 1.

В главе также проанализирована роль искусственных факторов формирования подземных вод

Глава З.районирова11ие АЗОВО-КУБАНСКОГО артезианского бассейна по условиям формирования «особенности режима подземных под Азово-Кубанский артезианский бассейн в региональном плане относятся к Каспийско - Черноморской артезианской области (Кирюхин, Толстихин, 1987).

Основные принципы и положения по районированию АКАБ разработаны В.Ф. Сухановым. (1976, 1980 гг.). Следует отметить, что под геологической структурой описываемого бассейна понимается неоструктура Западного Предкавказья, которая в разрезе определяется положением верхнесарматского яруса. Поэтому за границы исследуемой части АКАБ приняты: на юге и востоке выходы сарматских отложений на поверхность; на севере - p.p. Дон и Маныч, врез русел которых практически достигает майкопских глип; на западе - акватория Азовского моря -региональная дрена бассейна. Выделенная часть АКАБ представляет собой целостную гидрогеодинамическую неоструктуру, в которой можно учесть полный баланс питания и расходования подземных вод.

Неоструктура рассматривается как балансовый район первого порядка. АКАБ относится к бассейнам платформенного типа с наибольшей гидрогеологической контрастностью в краевых и внутриплатформенных его частях, выражающуюся в

смене гидродинамических, гидрохимических и гидрогеотермических полей. Условия формирования подземных вод АКАБ существенно изменяются от области питания к области транзита, особенно с увеличением глубины залегания водоносных комплексов, что и находит свое отражение в указанной выше смене полей.

При районировании уделяется внимание выявлению выдержанных водоупо-ров, разделяющих изучаемые водоносные комплексы. Выше регионального водо-упора, представленного майкопскими и миоценовыми глинами, замыкающими неоструктуру АКАБ, подобного водоупора нет.

Несмотря на то, что химический состав и минерализация подземных вод в большой степени зависит от фильтрационных свойств водовмещающих пород, их петрографо-минералогического состава, градиента напора, анализ покомплексно построенных гидрогеохимических карт (В.Ф. Суханов, 1980 г.) и хронологических графиков химического состава подземных вод АКАБ дает определенное представление об участках относительной изоляции в разрезе смежных водоносных комплексов.

Районы второго поря дка выделялись на базе схематичного геолого-структурного деления АКАБ, площадей распространения основных водоносных комплексов, на которые затем накладывались специальные признаки: модуль подземного стока, минерализация и химический состав вод, перспективность комплексов, типы режима и т.д. Выделенные структуры второго порядка, как емкости (по размерам я эффективной мощности), оцениваются так: Западно-Кубанский прогиб (-26 тыс. м3) превышает Восточно-Кубанский (~5 тыс. м3) в пять раз, а платформенную часть (~8 тыс. м3)- в 3 раза.

Глава 4.ШПЮАЦИЯ гидрогеодшм-мчЕских ипц^гео:о»мческих

УСЛОВИЙ АКАБ И ОСНОВНЫХ ВОДОЗАБОРОВ Описанные выше естественные и искусственные факторы формирования химического состава подземных вод АКАБ позволили сформулировать общие региональные закономерности гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов. В условиях нарушенных эксплуатацией, в каждом конкретном случае, региональные закономерности претерпевают техногенные изменения, направленность которых в известной мере специфична и имеет общие признаки.

Для обобщения большого фактического материала по разведке и эксплуатации месторождений пресных подземных вод проведена типизация территории АКАБ по условиям формирования ионного состава вод и притока к водозаборам.

Приняты следующие критерии типизации:

1. Строение водовмешдющей толщи водоносных горизонтов (комплексов):

а) однослойное; б) многослойное.

2.Соотношение проницаемости отдельных пластов водоносного комплекса охарактеризовано соотношением коэффициентов фильтрации (К):

а) однородные водоносные комплексы (Ктах / Ктт < 5);

б) разнородные (Ктах/ Ктш > 5).

3. Пьезометрическое соотношение напоров (уровней) отдельных пластов разделено на три интервала: 0 - 5 м; 5 - 15 м; более 15 м. В соответствии с этим вся территория АКАБ по внутрикомплексному соотношению уровней делится на 3 субширотные гидрогеодинамические зоны.

4. Особенности режима в эксплуатируемом горизонте делятся на:

а) безнапорный; б) напорный.

В связи со спецификой геологического строения АКАБ безнапорные воды (грунтовый поток) формируются в слабопроницаеыых отложениях (суглинки, супеси), имеют пестрый химический состав и незначительную водообильность при каптаже, поэтому крупных водозаборов эксплуатирующих эти горизонты нет. Подземные воды аллювиальных отложений рек, используемые для водоснабжения, имеют субнапорный и напорный характер. Поэтому в состав типизации входят только напорные воды.

5.Сложиость гндр01-еохимит1еских условий месторождений пресных подземных вод определяется кондиционными требованиями ГОСТ «Вода питьевая». По этим признакам они разделены на два типа:

а) простые, где все пласты единого водоносного комплекса содержат воду, качество которой отвечает требованиям ГОСТа;

б) сложные - отдельные пласты содержат некондиционные воды по одному или нескольким (всем) показателям.

Химический состав подземных вод АКАБ как в коллекторах, так и в разделяющих глинах генетически связан с инфильтрационными циклами водообмена. Об этом свидетельствует однотипность содержащихся в них вод и норовых растворов глин. Повышенная (в 1,5-5,0 раз) минерализация последних по отношению к водам коллекторов обусловлена значительной разницей в скоростях вертикального и латерального водообменов (1-3 порядка). По этой же причине влияние перетекания поровых растворов на минерализацию вод коллекторов незначительно.

Анализ большого фактического материала по химическому составу подземных вод и поровых растворов разделяющих глин, их проницаемости и градиентам вертикальной фильтрации, гидрогеологическим циклам вертикального и латерального водообмена и др. на всей территории АКАБ позволил выделить 4 площадные гидрогеохимические зоны, которые генетически связаны с особенностями питашш подземных вод и гидрогеодинамической зональностью. В соответствии с гидрогеохимической зональностью состав вод АКАБ изменяется от гидрокарбонатного натриевого с минерализацией 0,2-0,5 г/л в южной части (1-я зона) до гидрокарбонатных (гидрокарбонатно-сульфатиых) натриево-кальциевых с минерализацией 0,5-1,5 г/л -в центральной (2, 4 зоны) и далее в северо-западной части развиты смешанные воды с минерализацией до 3-5 г/л (3 зона).

Для применения критериев составлена таблица 2, в которой на базе гидрогеологического районирования проведена типизация основных месторождений и водозаборов по условиям формирования пришка в скважины. В результате этого месторождения АКАБ разделены на 7 типов: А1а2, Б161, Б162, БН61, БП62, БШ61 , БШ62 (рис 1).

Прямой связи между гидрогеологическим районированием и предлагаемой типизацией нет, однако общность условий формирования подземных вод обусловливают расположение типов в пределах нескольких гидрогеологических районов.

Вышеизложенная типизация, анализ натурного фактического материала и экспериментальные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Несмотря на в значительной мере прикладной характер, типизация основана на объективных факторах и является основой для понимания гидроди-

Типизация основных месторождений АКАБ по условиям формирования притоков в скважины

Гидрогеологические районы АКАБ Месторождения подземных вод Критерга типизации и их градация Тип месторождения

Строение водо-вмещагащей толщи Соотношение уровней, м Межпластовое соотношение. Соответствие воды ГОСТ

тип ПОДТИП КЛАСС ПО ДКЛАСС

Односл. Многосл. 0-5 5-15 более 15 <5 >5 кондиц. не-кондиц.

ИНДЕС КРИТЕРИЯ

А Б I II III а б 1 2

1 2 3 4 г б 7 8 9 10 11 12

Платформенная область(П) 1. Ленинградское + + н- + АI а2

2. Пр.-Ахтарское + + + + А 1а2

3, Каневское + + + + А 1а2

4. Кисляковское + + + + А 1а2

5. Павловское + + + + Б 162

б. Тихорецкое + + + + Б И 62

Западно-Кубанский прогиб (3) 7. Курчанское + + + + Б 162

8. Варениковское + + + Б II62

9. Троицкое + + + + БII61

Ю.Тимашевское + + + + Б 161

П.Кореновское + + + + Б И 61

12.Данское + + + + Б II 61

13.Славянское + + + + Б 1161

14.Крымское + + + + Б II61

15.Абинское + + + + Б II 62

16.Краснодарское + + + + Б II 62

17,Усть-Лабинское + + + + Б II 61

1 (¡Саратовское + + + + Б III 62

19.Тверское + + + + Б III 61

Восточно-Кубанский прогиб (В) 20.Белоречснское + + + + Б III62

21.Майкопское + -t- + + Б 1161

22.Кэопоткинское + + + + Б И 62

2:).Курганинское + + + + Б III62

Примечание: знак + обозначает, что соответствующая градация присуща данному водозабору

Рис, 1, Карта типизации гидродинамических и гидрохимических условий АКАБ.

1- Границы районов АКАБ

2- Границы типов

3- Площади распространения типов

намических закономерностей формирования химического состава подземных вод в системе пласт-скважина в условиях совместного кэширования нескольких пластов слоистой толщи.

2. Основной причиной флуктуации химического состава подземных вод при откачке из слоистой толщи является наличие разницы в напорах смежных пластов.

3. Гидродинамические условия, обусловливающие смешение подземных вод при эксплуатации, распространены на большей части территории АКАБ. По предложенной типизации - это область распространения типа Б.

4. Интенсивность и контрастность процессов смешения подземных вод в каждой конкретной скважине прямо зависят от соотношения уровней.

5. В связи со сложным характером соотношения проницаемости, водоотдачи и емкости водоносных пластов, прямая зависимость доли притока при нестационарном режиме фильтрации от коэффициента водопроводимости конкретного пласта в общем дебите скважины неочевидна.

Глава 5. ЛИЛЛЮ РЕЖИМА ФОРМИРОВАНИЯ ПРИТОКА В СКВАЖИНЫ

С целью количественной оценки и анализа степени взаимовлияния различных факторов формирования притока выполнено математическое пространственное моделирование водоотбора из скважины, расположенной в слоистой толще, состоящей из двух напорных пластов и разделяющего непроницаемого слоя.

Моделирование выполнено в 2-х вариантах - на базе программы "1)АТР1<", разработанной в НППФ "ГИДЭК", и программной системы ССПО МОДЕЛЬ. Сходимость результатов по обоим вариантам хорошая.

Для моделирования были приняты следующие исходные условия:

1 .Совершенная скважина расположена в двухслойном водоносном горизонте, разделенном водонепроницаемым слоем. Строение пластов изотропное.

2.Режим фильтрации нестационарный.

3.Водоносный горизонт неограниченный.

Исходные данные для решения прогнозных задач приведены в таблице 3.

Исходные данные для моделирования

№№ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ пласт 1 пласт 2

п/п (верхний) (гшжний)

1 Коэффициент водопроводимости (кт), м^/сут. 100 30

2 Водоотдача 0,001 0,0003

3 Параметр перетекания 0 0

4 Начальный уровень, м -25 -1

На базе этих условий решены две прогнозные фильтрационные задачи.

1. Длительная "выстойка" скважины без водоотбора.

2.Откачка скважины с дебитом 1000 м3/сут.

Итоги решения первой задачи свидетельствуют о том, что в начальный момент времени (первые минуты) уровень ( Но ) стабилизируется в положении, относительно начальных уровней первого и второго пластов, пропорциональном их коэффициентам водопроводимости по соотношению:

Но= (Н^тп, + Н2кт2)/кто ; ( 1 )

График уровней, полученный при решения первой задачи, показан на рис. 2а. Анализ графика позволяет сделать вывод о том, что по стволу скважины, каптирующей два и более разнонапорных пластов, происходиг перетекание воды из более напорных в менее напорные. При этом расход перетекания может быть определен по формуле Тейса при депрессии уровня второго горизонта равной Но -Н2, а статический уровень, измеряемый в скважине, является результирующим динамического состояния условий перетекания внутри обсадной колонны. Кроме того, в более напорном пласте формируется площадная воронка депрессии и купола растекания в менее напорном.

Очевидно также, что результирующее динамическое равновесие зависит от степени совершенства скважины и может изменяться в процессе декольматации (разглинизации) и кольматации при длительном перетекании. Задача влияния совершенства скважин на динамический характер результирующего уровня в скважине имеют многочисленные решения, зависящие от степени несовершенства, которые могут быть использованы для оценки конкретных ситуаций.

В связи с тем, что эта тема выходит за рамки дашшгх исследований, она может быть разработана дополнительно.

В качеств примера приведены типовые результаты решений двух простых задач этой тематики о неполной декольматации верхнего и (или) нижнего пластов рис. 2 б и 2 в.

Вторая задача решена в двух вариантах:

1. Откачка без выстойки.

2. Откачка из скважины после длительной выстойки.

Итоговые графики моделирования показаны на рис 2 г.

Характер графиков на рис.2 г свидетельствует о том, что динамически результирующий уровень в центральной скважине фактически мгновенно стабилизируется и под влиянием водоотбора уровни обоих пластов снижаются в одном темпе. На некотором удалении от скважины при откачке в обоих пластах формируется квазистационарный режим фильтрации, однако, разница в напорах сохраняется тем больше, чем дальше от скважины находится расчетная точка.

Доля притока из каждого пласта в балансе водоотбора пропорциональна соответствующим коэффициентам водопроводимости и понижениям уровней и отвечает системе уравнений:

Оо = (01 КМ, + 02 КМ2) / КМо;

Оо /во = <21/Б, +02/82 ; (2)

где, кроме ранее обозначенных,

Бо - понижение динамически результирующего уровня, м;

Б, и Бг - понижение уровней соответствующих горизоптов, м; и Оа - приток ¿13 соответствующего горизонта, м3/еуг.

Очевидно также, что в начальные моменты времени весь дебит скважины формируется за счет более напорного горизонта. Только после снижения общего (результирующего) уровня до уровня менее напорного пласта, доля притока из него начинает расти и достигает максимально возможной величины при сработке первоначальной разницы напоров на всей области влияния эксплуатации.

VO

/

Par 7 ГпаЛтги Лппмиппвания уповня вояы в скважине.

Итоговые графики второго варианта решения задачи (рис.2д) позволяют сделать вывод о том, что при длительной выстойке скважины без откачки в менее напорном горизонте за счет перетекания формируется купол растекания (подпора), сработка которого после пуска откачки увеличивает время начала притока воды этого пласта тем больше, чем продолжительнее была выстойка. В этот период дебит скважины формируется как за счет притока из более напорного пласта, так и за счет сработай купола растекания в менее напорном. Далее, после формирования квазистационарного режима фильтрации соотношение притоков из обоих пластов становится подобным вышеописанному в первом варианте решения.

Таким образом, моделирование позволило детально проанализировать как формирование уровня в скважине, так и процесс изменения долей притока из отдельных пластов в общем дебите. Полученные рсвтсншт и выводы позволили объяснить процесс изменения качества подземных вод Константиновского месторождения при его эксплуатации тем, что совместное гидрохимическое опробование разнонапорных пластов в период разведки не позволило выделить среди них содержащие некондиционные воды и выполнить правильный прогноз изменения их качества при эксплуатации.

Глава 6. научные основы оптимизации методики разведки эксплуатационных запасов и мониторинга подземных вод в слоистых толщах

Не останавливаясь на общеизвестных методических рекомендациях по разведав и оце!!ке эксплуатационных запасов подземных вод, на базе полученных обобщений, решений и выводов целесообразно сформулировать лишь дополнительные рекомендации по оптимизации методики разведки эксплуатациошгых запасов подземных вод в слоистых толпхах котопые сводятся к следующему:

- по результатам съемочных и поисковых работ или на начальных этапах предварительной разведки необходимо определить тип изучаемого участка распространения подземных вод по предложенным выше критериям типизации, что позволит выбрать комплекс дальнейших исследований;

- для составления в дальнейшем рациональной схемы каптирования и оценки запасов рекомендуется послойное определение напоров отдельных пластов, ка-

чества содержащихся в них подземных вод и математическое моделирование для оптимизации конструкций скважин.

По методике мониторинга подземных вод:

- для наблюдений за режимом уровня целесообразно в одной точке на каждый водоносный комплекс бурение двух наблюдательных скважин, каптирующих, соответственно, верхний и нижний пласты. Данная рекомендация может быть выполнена в процессе перебурки выходящих из строя скважин существующей наблюдательной режимной сети.

- режимные наблюдения за качеством подземных вод многослойных толщ, проводимые посредством ежеквартальных прокачек, по существу, не имеют смысла, т.к. при наличии даже незначительной (2-3 м) разницы в пьезометрических уровнях закалтированных в одной скважине пластов имеет место перетекание подземных вод по стволу и в результате режимной прокачки (1 смена) всегда отбирается проба, содержащая воду более напорного пласта, даже, если из менее напорного при прокачке формируется приток. Для контроля качества подземных вод рекомендуется отбор проб из действующих одиночных эксплуатационных скважин на территории бассейна и отдельных скважин групповых водозаборов.

Особо следует остановиться на конструкции режимных скважин по наблюдениям за состоянием гидро-геодеформационного поля (ГГД-поля), которые выполняются с целью прогноза эндогенных геологических процессов и, в частности, - землетрясений. Представляется обязательным каптирование только одного пласта при строгой затрубной изоляции его от смежных. В противном случае любые тенденции изменения уровня, не связанные с изменениями ГГД-поля, а обусловленные процессами дехольматации и кольматации пластов, при внутрискважин-ном перетекании, могут быть интерпретированы неадекватно.

Приведенные рекомендации по оптимизации методики разведки подземных вод и их мониторинга в условиях слоистых толщ направлены на более комплексный подход при гидрогеологических исследованиях и практических прогнозах использования подземных вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опыт геологоразведочных работ и сооружения разведочных и эксплуатационных на воду скважин в условиях предгорных и межгорных артезианских бассейнов и конусов выноса показывает, что водоносные горизонты и комплексы в большинстве случаев представляют собой совокупность пластов, геофильтраци-онио неоднородных в плане и разрезе. Существующие методические рекомендации по опытным работам подчинены практическим нуждам, в большой мере унифицированы и в отдельных случаях не могут охватить всего многообразия природных условий и предложить решете многих неясных и спорных вопросов в изучении разнонапорных водоносных толщ с точки зрения их гидрогеодинамиче-ских особенностей.

В общей проблеме гидрогеологических исследований при оценке эксплуатационных запасов подземных вод выделены два взаимосвязанных направления:

1.Определение граничных условий, фильтрационных свойств и степени неоднородности оцениваемого горизонта (комплекса);

2.Оценка влияния неоднородности и гидравлического сопротивления скважин на гидрогеодинамические показатели водоотбора и химического состава воды.

Применение испытателей и опробовапглей пластов, внедрение специальных методов определения параметров пластов и скважин, создание эффективных методов разглшшзации, опыт эксплуатации одиночных скважин и крупных групповых водозаборов, использование математического моделирования для решения многих гидрогеодинамических задач указывают на необходимость учета особенностей формирования притока воды и ее качества в системе пласт-скважина.

С целью обобщения и всестороннего научного анализа гидрогеохимической обстановки и гидрогеодинамических особенностей АКАБ выполнен целенаправленный комплекс работ и исследований:

1. Районирование АКАБ по особенностям формирования химического состава и гидрогсодинамического режима подземных вод.

2.Типизация месторождений АКАБ по условиям формирования притока.

3.Анализ соответствия прогноза качества вод на стадии опенки запасов и их фактического химического состава в период эксплуатации месторождений.

4. Гидрогеодинамическос обоснование тенденции изменения химического состава под земных вод в условиях эксплутационного водоотбора из слоистых толщ.

5. Математическое моделирование смешения подземных вод в скважине, каптирующей разнонапорные горизонты с различными проницаемостью и химическим составом подземных вод.

6. Оценка роли гидрогеодинамических факторов в формировании гидрогеохимической ситуации при эксплуатации Константиновского месторождения.

На основе выполненных исследований сделаны следующие выводы:

1.Верхнему гидрогеодинамическому этажу характерна тесная связь между гидрогеодинамической и гидрогеохимической зональностями. Здесь распространены инфильтрогенные подземные воды, формирующиеся в окислительной геохимической обстановке (ЕЬ от +50 доЗОО мВ), главным образом, в результате гидролитических процессов в алюмосиликат! 1ых породах и смешения вод различных типов. В сильно глинистом разрезе неогена не исключены обменно-адсорбцион-ные явления между твердой и жидкой фазами подземной гидросферы.

2. В соответствии с гидрогеодинамической зональностью наблюдается гради-ентно -упорядочешюе распределение концентраций ионно-солевого состава как по вертикали, так и в латеральном плане. Установлена существенная роль вертикальной миграции подземных вод через разделяющие слабопроницаемыс глинистые слои, несмотря на их цизкие фильтрационные свойства. Скорости вертикального и латерального водообмена в различных гидрогеодинамических зонах отличаются лишь на 1-2 порядка, поэтому продолжительности циклов водообмена в пределах одной зоны соизмеримы. Закономерно повышенная концентрация солей в поровых растворах разделяющих глин объясняется тем, что вытеснение последних происходит водами коллекторов, уже имеющих начальную минерализацию.

3.Флуктуация значений содержания отдельных компонентов химического состава подземных вод и минерализации в целом в условиях эксплуатации разнона-порных слоистых толщ связана не только (и не столько) с перетеканием из смежных горизонтов (комплексов) и отжатием из глин, сколько с гидродинамическим изменением степени депрессии отдельных слоев, каптированных в одной скважи-

не совместно, в период эксплуатации. Суть процесса сводится к тому, что в начальный период основной объем притока в скважину формируется за счет более напорных пластов, сработка уровня которых идет активнее и тем быстрее, чем больше водоотбор. По мере сработки более напорных горизонтов доля менее напорных в общем дебите растет и стабилизируется пропорционально коэффициентам водопроводимости и водоотдачи каждого.

4.При условии выполнения целенаправленных исследований на съемочных и поисково-разведочных стадиях с применением поинтерваяьного опробования, пье-зорасходометрического каротажа скважин с несколькими ступенями депрессии уровня и математического моделирования длительной эксплуатации подземных вод по предложенной в данной работе методике прогнозирование тенденций и ко-личествешшя оценка изменения качества подземных вод возможна.

5.Для организации водоснабжения в районах распространения слоистых водоносных толщ, содержащих пестрые по качеству подземные воды, в условиях дефицита питьевых вод, в одной скважине возможно совместное использование пластов, содержащих кондиционные и некондиционные воды, проводя при этом гидродинамическую оптимизацию соотношения притоков.

Основными результатами выполненных исследований являются:

- научные рекомендации по оптимизации методики разведки эксплуатационных запасов и мониторинга подземных вод в слоистых толщах;

- разработка гидродинамической схематизации для моделирования и анализа режима притока в скважину, каптирующую многослойную разнонапорную толщу;

-определение причин увеличения жесткости воды при эксплуатации Кон-стантиновского месторождения пресных подземных вод, которое не прогнозировалось по результатам разведочных работ и оценки запасов;

-описание принципов формирования солевого состава подземных вод бассейна на базе гидрогеодинамической зональности с учетом соотношений вертикального и латерального водообмена;

- обоснование теоретической модели формирования пропорций притока

из отдельных пластов во времени и принципы прогноза изменения химического состава получаемых подземных вод;

-принципиальное решение проблемы формирования пьезометрического уровня в скважине в условиях разнонапорности каптируемых пластов, как динамически результирующего процесс перетекания по стволу.

Исследованы и проанализированы технические причины изменения пьезометрического уровня в режимных наблюдательных скважинах, ведущие к ошибочной интерпретации результатов мониторинговых и опытных работ.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Опыт использования трехслойных проволочных фильтров.- М„ 1977 (обзор

ВИЭМС). С. 7-9 (соавторы В.Д. Солошенко, Г.П. Булацев).

2. Использование донных родников Азовского моря для водоснабжения Таман-

ского полуострова: Тез. докл. на междунар. конф. Геленджик, 1996. С. 22-23.

3. I "ядродинамичесюш анализ изменения качества подземных вод при эксплуата-

ции слоистых толщ // Межвуз. сборник. Проблемы изучения и использования геологической среды: Новочеркасск: изд-воНАБЛА, 1996. С. 179-180.

4. Ресурсосберегающие технологии и создание регулируемых месторождений

пресных подземных вод//Разв. и охр. цедр, 1996. № 6. С. 31-33 (соавторы Шереметьев В.М., Шадунц К.Ш. и др.).

5. Методические аспекты создания эффективных мониторинговых систем в рай-

онах крупных водозаборов пресных подземных вод // Разв. и охр. недр, 1996. № 6. С. 33-35 (соавторы A.B. Волков, В.В. Селиверстов).

6. Закономерности изменения химического состава подземных вод Азово-Кубан-

ского артезианского бассейна при эксплуатации // Разв. и охр. недр, 1996. № 6.

7 . Оценка проницаемости разделяющих слоев глин Троицкого месторождения

подземных вод в Краснодарском крае. Разв. и охр. недр, 1997, № 6, стр.38-39. 8. Типизация гидродинамических и гидрохимических условий основных водо-

С. 8-11.

заборов и анализ формирования

ты // Еазв. и охр. кедр, 1997.

№ 6. С. 29-34.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Тытянок, Николай Николаевич, Новочеркасск

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЫТЯНОК НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СЛОИСТЫХ ТОЛЩ (на примере Азово-Кубанского артезианского бассейна).

Специальность: 04 00. 06 - гидрогеология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель,

доктор геолого-минералогических наук

В.Г.Попов

Новочеркасск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................... 3

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ, СПЕЦИФИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПРОБЛЕМАТИКА............................................................... 9

Глава 2. ГЕОЛОГО- ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД АЗОВО-КУБАСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА (АКАБ)............................................ 14

2.1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ................................................ 16

2.1Л. Орогидрография .............................................................. 16

2Л .2. Гидрология...................................................................... 18

2Л.3. Осадки........................................................................... 22

2.2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ...................................... 25

2.2.1. Стратиграфия и литология ................................................ 25

2.2.2. Тектоника ..................................................................... 35

2.3. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ .................................................... 37

2.4. ИСКУССТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД........ 73

Глава 3. РАЙОНИРОВАНИЕ АКАБ ПО УСЛОВИЯМ ФОРМИРОВАНИЯ И

ОСОБЕННОСТЯМ РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ......................... 81

Глава 4 .ТИПИЗАЦИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКИХ И ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ АКАБ И ОСНОВНЫХ ВОДОЗАБОРОВ.... 93 Глава 5. АНАЛИЗ РЕЖИМА ФОРМИРОВАНИЯ ВОДОПРИТОКА В

СКВАЖИНЫ ........................................................................ 124

Глава 6. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДИКИ РАЗВЕДКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ И МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ ВОД В СЛОИСТЫХ ТОЛЩАХ ......................................143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..........................................................................149

Список литературы .................................................................. 154

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Подземная гидросфера является одним из основных источников хозяйственно-питьевых, минеральных, промышленных, оросительных и других вод. Выяснение закономерностей формирования их химического состава в сложных гидродинамических условиях является одной из наиболее важных проблем при использовании подземных вод в народном хозяйстве. От установления закономерностей этих процессов зависит методическая направленность и технический комплекс мероприятий и приемов при изучении подземных вод на стадии разведки, оценки эксплутационных запасов и их добыче, а также интерпретация последствий гидродинамических и гидрохимических процессов при мониторинге эксплуатируемых месторождений. Существенные отличия прогнозируемого химического состава подземных вод на стадии разведки месторождений и их эксплуатация в условиях многослойных водоносных комплексов, используемых как единая гидрогеологическая система, могут быть объяснены изменением пропорций смешения вод в скважинах, каптирующих разнонапорные водоносные пласты. При длительной эксплуатации их происходит нивелирование пьезометрических уровней, а следовательно, изменение степени депрессии отдельных пластов и доли притока из них в общем дебите скважины и водозаборного сооружения в целом. Выявленная тенденция к увеличению содержания практически всех компонентов химического состава вод в описанном процессе вероятно связана с постоянным увеличением доли притока из менее проницаемых слоев с относительно затрудненным водообменом, а потому с ухудшенным качеством.

Предложенный в настоящей работе анализ и научные рекомендации по методике обработки фактического материала позволяют объяснить тенденции изменения качества подземных вод на действующих водозаборах и учитывать их при постановке работ с целью прогноза стабильности химического состав в период разведки и оценки запасов подземных вод в слоистых толщах. Этим определяется актуальность работы.

Цель работы: совершенствование научно-методических основ гидродинамического прогнозирования изменения химического состава подземных вод при их поисках, разведке с оценкой эксплутационных запасов и мониторинге в условиях частого переслаивания коллекторов и водоупоров (на примере Азово-Кубанского артезианского бассейна).

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи.

1. Районирование Азово-Кубанского артезианского бассейна (АКАБ) по особенностям формирования химического состава и гидродинамического режима подземных вод.

2.Типизация основных месторождений АКАБ по условиям формирования притока в скважины.

3.Анализ соответствия прогноза качества подземных вод на стадии оценки эксплутационных запасов и их качества в период эксплуатации месторождений.

4. Гидродинамическое обоснование тенденции изменения химического состава подземных вод в условиях эксплутационного водоотбора из слоистых толщ.

5. Математическое моделирование смешения подземных вод в скважине, каптирующей разнонапорные горизонты с различными проницаемостью и химическим составом подземных вод.

6. Оценка роли гидродинамических факторов в формировании гидрохимической ситуации (на примере эксплуатации типичного Константиновского месторождения подземных вод).

Основные защищаемые положения.

¡.Флуктуация значений содержания отдельных компонентов химического состава подземных вод и минерализации в целом в условиях эксплуатации раз-нонапорных слоистых толщ связана не только с перетеканием из смежных горизонтов и упругим отжатием из глин, но и с гидродинамическим изменением степени депрессии отдельных водоносных слоев в процессе водоотбора .

2.Прогнозирование тенденций и количественная оценка изменений содержания отдельных компонентов химического состава подземных вод в условиях частого переслаивания водоносных пластов и водоупоров возможна на поисково-разведочных стадиях при условии выполнения целенаправленных исследований с применением послойного гидродинамического и гидрохимического опробования, пьезорасходометрии и др.

3.В условиях дефицита подземных вод питьевого качества по ионно- солевому составу, в одной скважине возможно использование пластов, содержащих качественные и некондиционные воды, проводя при этом гидродинамическую оптимизацию соотношения водопритоков из совместно каптируемых пластов.

Фактический материал получен автором в процессе проведения полевых и камеральных работ в качестве гидрогеолога, старшего гидрогеолога и главного гидрогеолога Краснодарской гидрогеологической партии (1974-1995 гг.) и главного геолога государственной компании «Кубаньгеология» (1995-1998 гг.).

Диссертационная работа завершена в ГК «Кубаньгеология» и Новочеркасском государственном техническом университете.

По теме диссертации автором проанализирован обширный фактический материал по гидродинамическим и гидрохимическим особенностям АКАБ, Западного Кавказа и гидрогеологии Таманского полуострова. Под руководством и при непосредственном участии автора выполнен ряд работ по разведке и оценке эксплутационных запасов пресных подземных вод для водоснабжения г.г. Белореченск, Темрюк, Новороссийск, Крымск, Геленджик, Анапа, Краснодар, Тимашевск, Ейск, Апшеронск, Приморско-Ахтарск и др. населенных пунктов Краснодарского края, разведано месторождение минеральных вод «Медуница» в Отрадненском районе, проведена гидрогеолого-мелиоративная съемка масштаба 1:200000 большей части Кубанской равнины, составлен проект по использованию разгрузки АКАБ в акватории Азовского моря для водоснабжения населенных пунктов Таманского полуострова.

Применение современных методов гидрогеологических исследований (оценка методом моделирования эксплуатационных запасов пресных подземных вод Троицкого и Краснодарского месторождений, расходометрия скважин, расширенный спектр методов разглинизации скважин, новые конструкции фильтров и др.) тщательный анализ и конструктивное отношение к полученным результатам позволили автору сформулировать целый ряд принципиально новых выводов по условиям формирования притока к водозаборным сооружениям и закономерностям изменения химического состава подземных вод при эксплуатации разнонапорных слоистых толщ.

Научная новизна. Впервые на основе комплексного анализа причин флуктуации значений содержания отдельных компонентов химического состава подземных вод и их минерализации при эксплуатации месторождений подземных вод в слоистых толщах в целом сделан вывод о закономерной связи разно-напорности пластов, каптируемых совместно в одной скважине, степени их проницаемости и характера изменения ионно-солевого состава получаемой воды.

Разработаны принципы схематизации притока к водозаборному сооружению в условиях многослойных разнонапорных толщ.

Описаны основные теоретические модели формирования пропорций притока из отдельных пластов во времени и принципы прогноза изменения химического состава получаемой воды.

Показано принципиальное решение проблемы формирования пьезометрического уровня в скважине в условиях разнонапорности каптируемых пластов, как динамически результирующего процесс перетекания по стволу.

Исследованы и описаны технические причины изменения пьезометрического уровня в наблюдательных скважинах, ведущие к ошибочной интерпретации результатов мониторинговых и опытных работ.

Практическая ценность определяется совершенствованием научно-методических основ прогнозирования качества подземных вод в условиях разнона-

порных слоистых толщ при их эксплуатации на стадии разведки и оценки запасов. Разработанный на базе математического моделирования способ позволяет усовершенствовать методику поисково-разведочных работ на месторождениях подземных вод в артезианских бассейнах, как во внутренних областях на участках нарушенных эксплуатацией, так и в краевых частях, а также в орогенных артезианских бассейнах, приуроченных к складчатым областям, внутри- и межгорным впадинам и, в отдельных случаях, - к конусам выноса. Обоснован и впервые апробирован на действующем Константиновском водозаборе метод гидродинамического анализа причин изменения качества отбираемой воды при эксплуатации месторождения.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на НТС СК РГЦ при рассмотрении результатов многолетнего мониторинга подземных вод АКАБ, изложены в 8 публикациях, 5 сводных отчетах о мониторинге подземных вод АКАБ и 9 отчетах о разведке и оценке запасов пресных подземных вод для хозяйственно-питьевых целей, утвержденных ГКЗ СССР и России и ТКЗ при СК РГЦ.

Научная разработка темы выполнена в рамках утвержденных Правительственной комиссией по научно- технической политике Приоритетных направлений фундаментальных исследований в области наук о Земле (№ 2121л-ПВ от 21. 07. 96 г.):

- «Ресурсы, динамика и охрана подземных вод» и Критические технологии федерального уровня;

- «Технология мониторинга природно-техногенной среды».

Построение и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения.

Диссертация выполнена в ГК Кубаньгеология и Новочеркасском государственном техническом университете под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора В. Г. Попова, которому автор приносит осо-

бую благодарность и признательность за всестороннюю помощь, конструктивную критику и внимание.

На протяжении всех исследований по теме диссертации автор пользовался консультациями д. г.-м. н. И.И. Крашина, к. г.-м. н. А.Б. Островского, к. г.-м. н. В.Ф. Суханова, которым выражает свою искреннюю признательность.

Автор пользуется случаем выразить свою благодарность коллегам по со-

вместной работе В.А. Лободину, H.H. Кутепову, В.Л. Ереминой, JI.JI. Ляшенко, C.B. Величко, C.B. Лымарь, В.М. Шереметьеву, Ю.А. Сандецкому В.И. Горяеву за советы, высказанные в период подготовки диссертации. Автор также благодарен Л.В. Боревскому, Т.А. Плугиной, Е. В. Федотову, Г. А. Ершову, а также сотрудникам ВСЕГИНГЕО, CK РГЦ, Кубаньгеолкома, НПФ "Гидек", ГК "Кубаньгеология", НИПИ "Океангеофизика" и Краснодарской ГГП.

Глава 1.СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ, СПЕЦИФИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОБЛЕМАТИКА Изученность геологического строения и гидрогеологических условий АКАБ не одинакова для всех его структурных элементов вследствие их разнообразия и сложности и, в целом, оценивается масштабом 1:200000.

Среди первых исследователей рассматриваемой территории (Н.И. Вос-кобойников, 1832; Ф.Т. Кошкуль, 1875; Г.В. Абих, 1865, 1873; Ф.Т. Кошкуль, 1875 и др.) необходимо особенно выделить Н.И. Андреева (1904, 1917, 1918), внесшего большой вклад в изучение стратиграфии, фауны и палеогеографии неогеновых отложений России. Разработанная им стратиграфическая схема легла в основу всех последующих исследований неогена. Систематическое изучение АКАБ связано с деятельностью Геологического комитета, по заданию которого была проведена съемка масштаба 1:42000 неогеновых предгорий Кубанской области (К.И. Богданович, С.И. Чарноцкий, 1906; И.М. Губкин, К.А. Прокопов, 1911).

В довоенный период (1917-1940 гг.) производится систематическое геологическое и гидрогеологическое картирование. Большой размах приобрели гидрогеологические изыскания для целей водоснабжения. Одной из первых крупных работ по гидрогеологии Западного Предкавказья явилась сводка С.А. Яковлева "Артезианские воды г. Краснодара" (192 ). Специальные гидрогеологические съемки Западного Предкавказья начинают проводиться с 1928 г. В это время в степных районах ведутся многолетние гидрогеологические работы Г.И. Поповым, К.И. Лисициным, Н.И. Кононовым, И.И. Ильченко и др. В 1934 г. С.А. Гатуев впервые выделяет Азово-Кубанский артезианский бассейн как особую гидрогеологическую структуру и определяет его границы. К.И. Лисицын (1936 г.) предложил первую схему гидрогеологического районирования Азово-Черноморского края.

В послевоенный период опубликовано много работ, посвященных стратиграфической схеме неогена (В.А. Гроссгейм, 1953; А.Е. Быстрицкий, 1956; К.Н. Паффенгольц, 1959; В.И. Буряк, 1959, 1961; Г.Н. Родзянко, 1959; Г.И. Попов, 1970 и другие). С 1946 г. проводятся работы по геологическому и гидрогеологическому картированию масштаба 1:500000 и 1:200000 (Н.С. Погорельский, 1963; В.Н Динабург, 1963; Н.Г. Бутов, 1962-63; Н.Г. Волкова, 1963 и др.). В 1961-62 г.г. Н.Г. Волкова проводит региональную оценку экс-плутационных ресурсов подземных вод Краснодарского края, применительно к масштабу 1:500000 [45].

В последнее время большой вклад в изучение гидрогеологических условий АКАБ внесли геологи Северо-Кавказского ТГУ. Из них следует отметить гидрогеологические съемки масштаба 1:50000 Таманского полуострова (В.А. Ло-бодин, 1962) и Анапского побережья (В.Л. Еремина, 1966), масштаба 1:200000-юго-восточных районов Краснодарского края (Д.Н. Брижатный, 1965), а также разведки месторождений пресных подземных вод: Майкопского, Краснодарского, Троицкого, Ленинградского, Кропоткинского, Константиновского, Черниговского, Тимашевского, Тихорецкого, Псекупского, Крюковского, Темрюк-

ского, Анапского, Апшеронского ( В.Ф Суханов, 1964-69; Н.И. Кутепов, 1966; М.М. Братов, 1972-77; H.H. Тытянок, 1976-89; В.Л. Еремина, 1975; В.И. Горяев, 1979; В.В. Лободин, 1987; C.B. Лымарь, 1989 и др.) [42, 43, 46-49, 55-58, 6368].

На базе пополнившегося за последние годы геолого-гидрогеологического материала в 1980 г. завершена большая и ценная работа по региональной оценке эксплутационных запасов пресных подземных вод по единой в гидрогеологическом отношении неоструктуре Азово-Кубанского артезианского бассейна с применением математического моделирования (C.B. Суханов, И.И. Крашин, 1980) [62].

Изученность режима подземных вод на территории АКАБ в региональном плане определена работами режимного отряда ГК «Кубаньгеология» за период 1959-96 г.г. Результаты этих работ приведены в "Ежегодниках..." за весь период исследований и в "Многолетних отчетах", составлявшихся каждые 5 лет наблюдений (Т.И. Бушеленкова, В.И. Блажков, 1971; В.Ф. Суханов, М.М. Братов, 1976; Т.И. Бушеленкова, В.М. Шереметьев, 1981 [44, 52, 54, 61].

Изучение режима подземных вод отдельных водоносных комплексов проводилось (в течении 1-3 лет) в процессе разведки вышеупомянутых месторождений. Режим грунтовых вод изучался на отдельных участках мелиоративных съемок.

Из приведенного краткого обзора изученности АКАБ следует, что в целом гидрогеологические условия его изучены сравнительно хорошо и, хотя большинство работ носят узко специализированный характер, они могут служить основанием для решения вопроса комплексного использования подземных вод бассейна, с учетом специфики необходимого и достаточного комплекса исследований. При этом в каждом отдельном случае, в зависимости от практических целей проектируемых работ, должен быть сформирован оптимальный метод