Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Гидрогеологическое обоснование моделей месторождений питьевых вод с целью прогноза их качества

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеологическое обоснование моделей месторождений питьевых вод с целью прогноза их качества"

МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО)

На правах рукописи УДК 556.382

ЕРШОВ Григорий Евгеньевич

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПИТЬЕВЫХ ВОД С ЦЕЛЬЮ ПРОГНОЗА ИХ КАЧЕСТВА

Специальность 04.00.06. Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических.'наук '

Москва - 1990

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) Министерства геологии СССР

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических

наук Б.В.Боревский. инициальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор В.А.Мироненко (ЛГИ); кандидат геолого-минералогических наук А.А.Рошаль ( СП "Геософт"). Ведущая.организация - Кавминводская гидрогеологическая экспедиция ПГО "Севкавгеология"

Защита диссертации состоится п/Зп 1990 г. в

Оч. на заседании специализированного совета К.071.II.01 по 'присуждению ученой степени кандидата геолого-минералогических наук при Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) по адресу: 142452, Московская обл..Ногинский р-н,пос.Зеленый,ВСЕГИНГЕО

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в работе специализированного совета или прислать Ваши отзывы в 2-х экз., заверенные печатью, по указанному адресу на имя ученого секретаря спецсовета.

Автореферат разослан п(0" L-ttCU^ 1990 г.

Ученый' секре jpb специализированного

совета, как:.'. геол.-мин. наук Щнпина- И.М.Цыпина

ссертацин_| 0БЩДЯ хдрдктЕрцстщд РАБОТЫ

АктуальнЬсть темы. Постоянное' расширение масштабов использования подземных вод в народном хозяйстве и интенсивная эксплуатация месторождений значительно обостряют проблемы прогнозирования изменения качества подземных вод. Несмотря на наличие широкого круга публикаций, посвященных этой.проблеме, большинство разработок относится к сравнительно простым гидродинамическим схемам или рассмотрению отдельных процессов миграции растворенного вещества. Практика гидрогеологических исследований и используемое программно-технологическое обеспечение в настоящее время находятся на уровне, позволяющем строить численные модели месторождений со сложной многопластовой структурой, множеством изменяющихся граничных условий и производить расчеты с необходимой точностью определения уровней и.баланса водоносных горизонтов. В то же время вопросам обоснования исходных данных для прогноза изменения качества воды часто не уделяется должного внимания, несмотря на увеличивающуюся в подобных.усло-ях "неопределенность расчетных моделей. Работы, направленные на обоснование данных для прогноза качества подземных вод на базе пространственно-временных миграционных моделей, проводятся еще в ограниченном объеме.

Целью работы является углубление и развитие методики гидрогеологического обоснования моделей месторождений подземных вод при прогнозе их качества на основе обобщения результатов исследования конкретных месторождений.

Задачи исследований: I. Анализ и систематизация комплекса факторов, влияющих на прогнозные характеристики качества подземных вод при их эксплуатации. 2. Анализ информативности схем 'опытно-миграционных опробований и их развитие. 3. "Гидрогеологическое обоснование моделей конкретных месторождений питьевых вод. В качестве примеров выбраны три месторождения с различными условиями формирования запасов и строения водовмещаюцей средн.

Научная новизна работы.

Систематизированы оеновные факторы, определяющие формирование качества подземных вод при их эксплуатации, и на .этой

основе с применением комплекса методов, направленных на .изучение генезиса подземных вод, структуры потоков и миграционных параметров среды, обоснованы модели месторождений для трех типов структуры водовмещащей среда: Кольчугинского Владимирской области - в трещиновато-пористых карбонатных отложениях, Ленинградского Краснодарского (края - в мощной песчано-глинистой толще и Алма-Атинского - в валунно-галечных отложениях конуса выноса.

На основе решения вопроса о генезисе подземных вод различного качества при характеристике факторов, определяющих прогнозное качество подземных вод, доказана определяющая роль антропогенных факторов в (Ьормировании линзы пресных вод Кольчугинского месторождения.

Показано значительное влияние упругого отжатая воды из глинистых разностей мощной песчаной толщи водовмещающих отложений на формирование уровней и качества подземных вод Ленинградского месторовдешя. *■

Иа примере Алма-Атинского месторождения показано, что ва-лунно-галечные отложения существенно отличаются по дисперсионным свойствам от песчаных, что.требует изменения методики изучения их миграционных параметров и учета факторов рассеяния вещества при выделении зон санитарной охраны месторождения.

Обоснована существенность роли пространственной структуры потока в формировании прогнозного качества воды и доказано определяющее значение■профильной анизотропии водовмещающей среды в водоносных пластах большой мощности на результаты оценок прогнозного качества вода.

Разработана методика интерпретации опытно-миграционных работ с пространственной структурой потока с учетом анизотропности их свойств и влияния естественного потока.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Разработаны и опробованы новые схемы опытно-миграционного опробования "разнодебиткый дуплет" и "двойной дуплет", которые позволяют сократить затраты на проведение видов

исследований по определению кигрецронянх гтраматрсю ■ лоашжгь их информативность.

Разработаны программы интерпретации данных опытно-мнграци-

онных опробований с пространственной структурой потока с учетом анизотропности свойств пород и естественного потока для ПЭВМ.

Обоснованы гидрогеологические модели трех различных месторождений пресных вод, результаты обоснования были использованы при подсчете их эксплуатационных запасов и прогнозе качества подземных вод на ЭВМ с использованием разработанных автором методик.

Реализация и апробация работы. Результаты проведенных исследований использовались при. разведке и оценке запасов подземных вод перечисленных месторождений и нашли отражение в трех научно-производственных отчетах, рассмотренных и утвержденных в ГКЗ СССР, а также двух научно-методических отчетах ВСЕГИНГЕО и при чтении лекций в ИПК Мингео СССР.

Основные положения защищаемой диссертации докладывались и обсуждались на двух научных конференциях молодых ученых ВСЕГИНГЕО (1985, 1986'гг.), Всесоюзной конференции "Изотопы в гидросфере" (Каменец-Подольский, 1985 г.), Всесоюзной школе передового опыта "Методика проведения и интерпретации опытно-фильтрационных и опытно-миграционных работ при разведке подземных вод" (ВСЕГШГЕО, 1989 г.), Всесоюзном совещании "Рациональное использование и охрана подземных вод в условиях интенсивного освоения территорий" (Таллинн, Т9Й9 г.), заседаниях НТС ПГО "Пентргеология" (1985г.), "Севкавгеология"(Т988 г.), "Казруд-геология" (1989г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести работах, три из которых написаны в соавторстве.

Структура и объел работы. Диссертационная работа общим объемом 186 с. машинописного текста состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 94 наименований, включает 41 рис.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю - доктору геол.-мин. наук Б.В.Воревскому, а также канд. хим. наук В.А.Полякову, оказавшим значительное влияние на формирование взглядов автора. Автор искренне благодарит исполнителей работ по разведке месторождений в производственных организациях - В.С.Беляева, С.В.Трегубова, Н.Джазылбекова и инженера I категории лаборатории ресурсов пресных подземных вод

ВСЕГИН 'ЕО С.Л.Шубина, выполнявшего значительную часть полевых и лабораторных измерений совместно с автором.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава посвящена анализу состояния вопроса. Применительно, к задачам прогноза качества подземных вод при их эксплуатации выделены модели семи уровней схематизации природных гидрогеологических условий. Первые-четыре этапа схематизации рассмотрены В.В.Боревским (1987) и включают: I).Рабочую гипотезу или эвристическую разведочную модель;2).Природную пространственно-временную модель условий формирования ЭЗПВ;3).Геофильтрационную модель месторождения;4).Расчетную гидродинамическую модель. Для перехода к геомиграционной модели фильтрационная схематизация выполняется при необходимости в масштабах разной детальности -масштабе области формирования эксплуатационных запасов и масштабе области подтягивания подземных вод к водозаборному сооружению в прогнозный период, т.е. создается дополнительная гидродинамическая модель миграционной направленности. После этого принципи-. ально могут быть созданы: 5).Геомиграционная модель месторожде-...-■ ния, включающая обоснование гидрохимических полей,' полей миграционных параметров и наиболее значимых процессов рассеяния и переноса вещества; 6).Консервативная расчетная миграционная моде ль; 7). Активная физико-химическая расчетная геомиграционная модель месторождения, учитывающая фазовые и внутрифазовые взаимо-действя вещества.

Автором рассматривается процесс гидрогеологического обоснования консервативных моделей преимущественно до 6-го уровня схематизации. Под гидрогеологическим обоснованием моделей месторож-. дений в работе понимается реализация и.анализ результатов гидрогеологических работ (включая при необходимости настройку численной модели), направленных на характеристику всех физических и Гидрохимических. .полей и процессов, необходимых для решения целе-7: вой задачи.

Теоретические модели миграции разделены на две группы. В рамках первого подхода считается, что растворённое вещество ведет себя консервативно, а изменение концентраций, обуславливается конвекцией, диффузией, макро- и микродисперсией. Эти мо-

дели принято называть консервативными. В рамках второго подхода предполагается физико-химическое взаимодействие компонентов подземных вод с различными минералами и внутрифазовое взаимодействие. Их можно назвать акг/ччыми. Разработке теоретических основ расчетов миграции вещества в подземных водах посвящены работы Я.Бэра, Н.Веригина, В.Гольдберга, С.Крайнова.Л.Лехова, В.Мироненко, А.Огата, А.Орадовской, А.Рошаля, В.Румынина, Б.Сам-сонова, Ф.Тютюновой, А.Шейдеггера, Б.Шержукова, В.Шестакова, Ж.Фрида и др. В рамках консервативных моделей наиболее разработаны: модель полного перемешивания, поршневая модель движения, модель микродисперсии, диффузионная модель макродисперсии, модели переноса в гетерогенной среде - для слоистых и трещиноватых пластов. Значительную роль для описания активных миграционных моделей играет характеристика окислительно- восстановительных .процессов, механизм формирования которых в настоящее время изучен еще недостаточно. Для всех моделей существенно наличие информации о скорости движения воды. На основе рассмотрения теоретических расчетных схем миграции в работе сделан вывод о том, что геомиграционные параметры рассеяния вещества, определяемые в натурных условиях, применимы для прогнозных расчетов без изменения расчетной схемы в пределах порядка масштаба, при котором производились натурные определения.

Методика исследований при разведке месторождений питьевых вод включает: методику постановки гидрогеологических работ и ; наблюдений, направленных на решение задач схематизации гидродинамических и гидрохимических условий (характеристику природной модели); методику постановки и интерпретации опытных работ и наблюдений, направленных на определение параметров среды (формирование геофильтрационной и геомиграционной моделей); методику доказательства соответствия принятых расчетных моделей природгаи. гидрогеологическим условиям (настройка расчетных модолей-) . В силу обратных связей при построении моделей различных уровней перечисленные методики тесно связаны между собой и с методикой прогнозной расчетной схематизации, а планируемые работы должны максимально отвечать, требованиям каждой из них.

Разработке теории методики исследований, направленных на обоснование прогнозных моделей качества,-посвэдены работы "Й-Ба-

бушкина, Ф.Бочевера, Б.Боревского, В.Гольдберга, Н.Лапшина, Е.Минкина, В.Мироненко, А.Е.Орадовской, В.Румынина, В.Шестакова и др. Первоочередной задачей при.постановке работ является установление структуры баланса и течения подземных вод, особенно характеристик потоков, направленных от источников некондиционных вод. Разделение источников на совершенные и несовершенные по степени вскрытия пласта ориентирует на рассмотрение вопроса об учете профильной анизотропии фильтрационных свойств пород и пространственной структуры потока, если при разведке месторождений пресных вод в качестве естественных источников некондиционных вод рассматривать и область их распространения в пласте. По результатам обзора в работе сделаны следующие выводы:

1).Математические основы моделирования миграции активно разрабатываются в настоящее время с целью учета различных физико- химических процессов и развития программных средств.В то же время методике информационного обеспечения гидрогеологических моделей уделяется недостаточное внимание.

2).Существуют два различных подхода к решению задачи выделения границ потоков различного качества и обоснования количества информации для построения моделей. Применение подхода, базирующегося на формальных методах (крайкинг,тренд-анализ и др.) без соответствующего анализа гидрогеологической информации может приводить к ошибкам в методике работ.Для решения этого вопроса необходимо развитие подхода, основанного на изучении генезиса формирования качества подземных вод на изучаемых объектах.

3).Вопрос о целесообразности проведения ОМР в пористых пластах представляется дискуссионным и требует рассмотрения компле кса факторов, определяющих массоперенос, и информативности различных схем 0М0.

Во второй главе на основе рассмотрения факторов, опреде-ляюндах массоперенос в подземных водах, изложена их систематизация. Выделены трк основные группы факторов, представленные в таблице. Выделенные группы факторов тесно связаны между собой. При планировании гидрогеологических работ, направленных на обоснование моделей месторождений, необходимо опережающее изучение факторов первой и второй групп. Только на этом основании возможно рациональное планирование работ, направленных на из-

Таблица

Основные факторы, определяющие формирование качества подземных вод при их эксплуатации

I Гидродинамические факторы

природные | антропогенные

Структура пласта | Размещение в пласте

Структура пород | и величина водоотбора

Плановая и профильная фильтра- | Режим водоотбора*

ционная неоднородность пород | Расположение и режим

Плановая и профильная | водохозяйственных

анизотропия пород | объектов

Граничные условия естественного |

потока, определяющие его баланс,|

структуру и режим |

II Физико - гидрохимические факторы.

Состав и концентрация вод Состав и концентрация

различного качества раствора загрязнителя

Расположение источников вод Расположение источника

различного качества в системе загрязнения в пласте

Состав поровых растворов Режим поступления загряз-

пород нения в пласт

Плотность и вязкость Плотность и вязкость

некондиционных вод раствора загрязнителя

III Миграционные параметры

Пористость, параметры дисперсии, массообмена, ионного обмена, ястворения-осаждения, сорбции, диффузии, микробиологических и ругих процессов

- 'Из-

учение факторов третьей группы и формирование модели 6-го и 7-го уровней схематизации. При анализе факторов массопереноса в работе:

Показана значительно большая существенность влияния профильной анизотропии на результаты миграционных расчетов по сравнению с влиянием на результаты гидродинамического решения, что ведет к необходимости характеристики этого фактора' в мощных пластах с помощью постановки специальных ОМО.

Сделан вывод о том, что необходимость повышения обоснованности гидрогеологических моделей и уменьшения неопределенности прогнозных решений требует генетического подхода к характеристике формирования вод различного каче'ства в пространстве и во времени.

По структуре строения пород для определения методики проведения опытно-миграционных работ при обосновании расчетных геомиграционных моделей предложено выделять следующие типы во-довмещаицей среды: слабопроницаемые, зернистые (песчаные, пес-чано-гравийные), крупнообломочные (гравийно-галечные, валунно-галечные с заполнителем), трещинно-пористые, трещинно-карстовые.

В третьей главе из анализа информативности схем миграционных опробований сделан вывод о наибольшей информативности дугглетной схемы опробования. Для случаев, когда при этом расход откачки не равен расходу налива индикаторного раствора, разработан алгоритм и схема интерпретации результатов с помощью численно-аналитического решения на ПЭВМ. Используемый алгоритм позволяет учитывать процессы гидродисперсии и массообмена в пласте путем сложения аналитических решений для рассчитываемых лент тока между опытными скважинами. При рассмотрении опытов вертикальной направленности сделан вывод о том, что. для определения всех необходимых параметров необходимо дополнительное горизонтальное опробование в точке проведения эксперимента. Для повышения информативности вертикальных и горизонтальных опробований автором разработана схема, включающая три опытные скважины, две из которых работают в схеме вертикального, а третья в паре с откачивающей - в схеме горизонтального разнодебитного дуплета. Таким образом, возникает возможность одновременного

определения пористости и характеристик анизотропии пласта с учетом процессов рассеяния в едином режиме опробования.-Разработанные схемы в различных модификациях опробованы при проведении работ на Ленинградском в Краснодарском крае и Алма-Атинском месторождениях подземных вод. Проведенный анализ позволил сделать вывод о том, что методика интерпретации 0М0, основанная на первоначальном расчете линий тока с последующим сложением решений по ним при учете факторов рассеяния- индикатора, представляется более целесообразной по сравнению с принятыми. Она позволяет более реально учитывать расположение фильтров скважин в пространстве, изменчивость дебитов скважин, влияние естественного потока и анизотропии.

Четвертая глава посвящена обоснованию гидрогеологических моделей конкретных месторождений.

Кольчугинское месторождение подземных вод. В условиях многопластовой системы на фоне слабоминерализованных вод повышенной жесткости в клязьминско-ассельском водоносном горизонте, представленном трещиновато-пористыми доломитами и известняками и эксплуатируемом водозабором г.Кольчугино Владимирской области, сформировалась линза вод пониженной жесткости и минерализации. Водоносный горизонт имеет мощность до 120 м и разделен на два подгоризонта, причем нижний подгоризонт почти повсеместно содержит сульфатные и хлоридно-сульфатные кальциевые и магниевые воды с минерализацией от 2 до 9 г/л и жесткостью 60-90 мг-экв/л. Жесткость вод преимущественно сульфатная. Горизонт отделен от вышележащих 50-метровой толщей юрских и татарских глин. В связи с проектируемым расширением водозабора большое значение имело решение вопроса о генезисе линзы питьевых вод. До проведения работ высказывались два предположения :

- Линза образовалась в естественных условиях;

- Образование линзы произошло под влиянием перетекания "мягких" вод из залегающих выше мезо-кайнозойских горизонтов.

При первом варианте следует ожидать ухудшения качества воды вследствие подтягивания некондиционных вод в плане и из нижних слоев эксплуатируемого горизонта, во втором - улучшения их качества за счет перетекания сверху. При постоянном росте водоотбора с 1931 г. удельное понижение практически остается

пост.янным, из чего уверенно можно предполагать, что происходит я\ явное пополнение запасов за счет перетекания вод сверху. Исходя из этого, рабочая гипотеза строилась на втором из высказанных предположений.

Для гидрогеологического обоснования модели прогноза качества подземных вод на месторождении был проведен комплекс изотопных и термометрических исследований, изотопное и гелиевое опробования, исследования физико-химических свойств слабопроницаемых пород, численное моделирование уровней и баланса подземных вод с восстановлением на модели естественных условий формирования потоков. Поскольку воды мезо-кайнозойского чехла имеют преимущественно гидрокарбонатную жесткость, для оконту-ривания линзы был применен анализ соотношения карбонатной и общей жесткости вод верхнего продуктивного подгоризонта. Совместно с рассмотрением распределения гелия результаты позволили выявить область наиболее интенсивного перетока пресных вод сверху, приуроченную к долине р.Пекши в пределах г.Кольчугино, и оконтурить границы линзы, вытянутой вдоль реки и на юго-восток по направлению существовавшего до эксплуатации естественного потока.

Результаты изотопных исследований показали, что доля современных вод в центре линзы по радиоуглеродным данным составляет ~4б % в водах верхнего подгоризонта и ~22 % - нижнего, а по тритиевым - 20-23 % для продуктивного, а для нижнего равна нулю. Поскольку период полураспада С14 составляет "5600 лет, а данные тритиевого опробования характеризуют процессы, происходившие в более близкое к настоящему время (25-30 лет), то совместное рассмотрение результатов позволило охарактеризовать процесс формирования линзы во времени. Из анализа данных был сделан вывод о том, что формирование ее в современном состоянии и размерах определила эксплуатация вод клязьминско-ассель-ского горизонта, но небольшая по размеру линза существовала и до начала эксплуатации. Следовательно, из исследованных факторов формирования качества вод основными здесь явились гидродинамические природные (условия питания) и антропогенные (вели-, чина водоотбора и размещение водозаборов). Сложившееся в период эксплуатации соотношение локального и регионального водоотборов

определило не только поступление "мягких" вод верхних горизонтов в зоне тектонической трещиноватости юрских глин, но и расширение площади линзы за ее пределы. Эти условия были воспроизведены на числейной геофильтрационной модели естественного состояния месторождения, причем установление на ней баланса потоков, соответствующего сделанным выводам, позволило уточнить геофильтрационные параметры слабопроницаемых юрских отложений в южной части площади. Воспроизведение на -той же модели опыта кустовой откачки, при которой производились наблюдения за изменением жесткости подземных вод, позволило сделать вывод о правомерности проведения прогнозных расчетов по балансу смешения вод различного качества в водозаборных блоках. Исходя из этого, прогнозная расчетная модель 6-го уровня была построена на основе баланса гидродинамической модели (4-го уровня) с учетом времени конвективного переноса по лентам тока, направленным от границ линзы к водозабору. Построения дополнительной детальной гидродинамической модели миграционной направленности при этом не производилось, так как неудачное планирование опытно-миграционного опробования (без учета структуры строения пород, т.е. фактора I группы) не позволило получить информацию для характеристики параметров рассеяния и анизотропии и перейти к более сложным схемам. Это было учтено в ужесточении прогнозной расчетной схемы (6-го уровня), где принималось во внимание время движения жестких вод в плане только для ближайших к границам скважин водозабора.

Ленинградское месторождение подземных вод разведано в 1969 г. для водоснабжения северных районов Краснодарского края и приурочено к мощным песчаным отложениям среднеплиоценового киммерийского водоносного горизонта, перекрытого 180-метровой слоистой толщей глин и песчаных линз верхне-средаеплиоценово-го возраста. Среди задач исследования стоял прогноз качества подземных вод, так как в нижней части эксплуатируемого' горизонта распространены воды повышенной цветности и минерализации. Кроме того перед доразведкой была поставлена задача характеристики не учтенных ранее источников формирования запасов подземных вод, так как по результатам: региональной оценки запасов Азово-Кубанского артезианского бассейна на территории мес-'

торокдения переток сверху должен составлять до 75 % водоотбора, но источников, способных обеспечить подобный переток, здесь не выявлено. Решение этого вопроса .оказывает существенную роль на прогноз качества эксплуатируемых вод, поскольку песчаные линзы верхне-среднеплиоценовой толщи на территории месторождения содержат некондиционные минерализованные воды, а нижележащий пон-тический горизонт, отделенный от эксплуатируемого 5-20-метровой пачкой глин, содержит цветные минерализованные воды.

Мощность киммерийского водоносного горизонта составляет 160-180 м, водовмещающие отложения представлены средне- и мелкозернистыми песками с невыдержанными слоями глин. Содержание глинистой составляющей грансостава в целом составляет 15-20 %. |'|,-.1Мца зоны повышенной минерализации охватывает центральную часть месторождения полуокружностью и полого поднимается от подошвы к кровле горизонта с юга на север - по направлению естественного потока к зоне разгрузки. Цветность подземных вод изменяется гораздо более контрастно, чем минерализация, в нижней части киммерийского горизонта в районе водозабора она составляет 70-100°,а в верхней 30°.Цветность вод нижележащего понтического горизонта достигает 500°. Наблюдения за снижением уровня вод в песчаных линзах верхнего- среднего плиоцена показали незначительность гидродинамической связи их с эксплуатируемым горизонтом. В то же время динамика снижения уровней кишерийского горизонта свидетельствует о возникновении дополнительного источника поступления воды в балансе водоотбора при эксплуатации, что выражается, в частности, в уменьшении расчетного значения пьезопроводности во времени.

Для обоснования гидрогеологической модели месторождения с целью прогноза качества подземных вод в состав работ были включены гелиевое и изотопное опробования, гидрохимическое обследование действующих скважин, поинтервальное опережающее гидрохимическое опробование при бурении, термокаротаж скважин, физико-механические и физико-химичесие исследования свойств слабопро-ницавмнх пород. Несовершенный вид источника некондиционных вод определил необходимость опытно-миграционного опробования для характеристики пористости и анизотропных свойств водовмещающих пород, проведенного по схеме "двойной дуплет". Результаты гели-

евнх, гидрохимических, изотопных исследований позволили охарактеризовать структуру потока и выявить закономерности формирования границ некондиционных вод в киммерийском горизонте, связанные с разгрузкой вод нижележащего понтического горизонта по долинам рек и тектоническим зонам, а также подтягиванием их из нижних слоев горизонта ь процессе эксплуатации централизованных водозаборов. Сопоставление данных о содержании и хлора в подземных водах позволило оценить составляющие баланса продуктивного горизонта, в котором переток нод из верхне-средне-плиоценовой толщи составляет от 4 % до 2П %, а из понтического горизонта - 12-17 %, возраст вод был оценен в ~2,0 тыс. лет. Эти выводы были приняты за основу при восстяновлеми естественных условий месторождения на численной фильтрационной модели. Исследование на ней опыта эксплуатации совместно с анализом упругих свойств глинистых пород позволило сделать вывод о том, что при увеличении эксплуатации подземных вод ггроисходит упругое отжатие из глинистых прослоев пород эксплуатируемого горизонта, суммарная водоотдача которого в этом случае может постепенно увеличиваться до значений ц=0,0ПГ>

В основу геомиграционной моде.ти были положены следующие выводы:

Т).Результаты изучения состава пороьых растворов слабопроницаемых пород показали, что качество отжимаемых из них вод по показателям цветности и концентрации хлора практически не отличается от качества вод вмещающих их горизонтов.

2).Результаты интерпретации опытно-миграционных работ показали, что пористость водовмещнкицих пород составляет ~23 %, а коэффициент 1грофилыюй анизотропии - 1/40.

3).Результаты лабораторных исследований показали относительную однородность пород но структуре строения ь зоне предполагаемого движения фронта цветных вод к фильтрам скважин.

Таким образом основными гидродинамическими факторами, определившими качество подземных вод при их эксплуатации, явились профильная анизотропия и структура строения водовмещвющих пород. Учет этих факторон при построении дополнительной гидродинамической модели миграционной направленности с. детальной дискретизацией области но вертикали и горизонтали, позволил

выполнить прогнозные расчеты цветности и минерализации'численным, балансовым и аналитическим методами на 6-м уровне схематизации. Прогноз цветности, сделанный по консервативной схеме, был выполнен при этом со значительным инженерным запасом, поскольку микробиологическая деятельность, по-видимому, приводит к значительному снижению цветности в верхних слпях горизонта. Построение модели 7-го уровня в данном случае требует более высокого уровня информационного обеспечения, для этого необходимо дальнейшее изучение генезиса цветных вод, микробиологических- и окислительно-восстановительных процессов.

Алма-Атинское месторождение подземных вод приурочено к песчано-валунно-галечным отложениям слившихся конусов выноса горних рек,общей мощностью от 900 до 300 м. Основная часть водозаборов, снабжающих город водой, расположена в области транзита естественного потока на расстоянии ~1 - 1,5 км от зоны выклинивания потока и эксплуатирует•верхнюю часть водоносной толщи. В связи с необходимостью прогноза качества подземных вод, резко ухудшающемуся за счет антропогенного загрязнения, на месторождении были проведены работы, направленные на обоснование соответствующей гидрогеологической модели. В комплексе этих работ были выполнены детальное гидрохимическое опробование в зоне загрязнений, изучение окислительно- восстановительной обстановки, изотопное опробование подземных вод, опытно-миграционные опробования, режимные гидрохимические наблюдения и обобщение имеющегося материала по химическому составу вод месторождения, .направленное на восстановление картины формирования загрязнения вод в процессе их эксплуатации. Полученные материалы позволили сделать следующие выводы при формировании геомиграционной модели (5 уровня):

- В естественных условиях качество подземных вод соответствовало всем требованиям, предъявляемым к воде питьевого назначения.

- В связи с неупорядоченной хозяйственной деятельностью на территории Алма-Аты начиная с 1970-х гг. начало фиксироваться нарастащее антропогенное загрязнение подземных вод по гга3, а на части площади - по ей, мп, е. ръ и фенолам.

- Наиболее представительный материал получен по группам

азотных соединений, имеющих широкое площадное распространение. Остальные загрязнители, как правило, формируются в грунтовых водах, имеющих развитие ниже естественной зоны выклшгивания естественного потока. Эксплуатация подземных вод на площади конуса выноса не приводит к подтягиванию загрязненных вод этой зоны к водозаборным сооружениям в настоящее время, а повышение содержаний нитратов в водах водозаборов' конуса выноса обусловлено площадным антропогенным загрязнением, поступающим непосредственно на площади расположения водозаборов и выше их по течению естественного потока.

- Изотопными исследованиями установлено, что время водо-обмпна трех гидродинамических этажей, выделенных в водовмеща-ющей толщей по гидрохимическим характеристикам, различается и составляет для I этажа (0 - 150 м) ~7,5 - 10 лет, для II (150 - 300 м) ~17-20 лет и III (> 300 м) ~ 27- 35 лет в зоне расположения водозаборов конуса выноса. При этом для верхнего этажа справедлива схема полного перемешивания вод, для нижних -поршневого вытеснения.

- Исследования окислительно-восстановительной обстановки в водоносных горизонтах иок£за.та, что в пределах'всей мощности водовмещащей толщи выполнлвтся условие термодинамической устойчивости нитратов, т.е. N0^ в данных условиях является консервативным компонентом, а для прогнозных расчетов достаточен 6-й уровень схематизации природных условий.

- Проведенные опытно-миграционные опробования показали, что параметры дисперсии валунно-галечных отложений значительно выше общепринятых для пористых пород значений, составляя порядок б ~ 2-3 м. Это вызывает необходимость учитывать фактор дисперсии при расчетах переноса вещества на расстояния, соразмерите по порядку с масштабом опытно-миграционных- работ. Пористость пород составляет 17-18 % .

Таим образом, основными факторами, определившими схематизацию, здесь являются: расположение зон питания и разгрузки естественного потока при значительной мощности продуктивной толщи (среди природных факторов) и площадной характер поверхностного источника'загрязнения (среди антропогенных). Отнесение водовмв-дащих пород к крупнообломочным по структуре строения вызывает

необходимость учета дисперсионных свойств при расчете зоны санитарной охраны 2-го пояса. На основании этих выводов расчетная, схематизация была произведена исходя из следующего.

Антропогенная нагрузка в связи с принятым на основе результатов проведенных исследований планом мероприятий по охране подземных вод от загрязнения будет существенно ограничена. Принимая условие стабилизации поступления загрязнения с поверхности на нынешнем уровне, можно считать, что последующее возможное нарастание загрязнения в I гидродинамическом этаже в прогнозный период не превысит срока его водообмена , т.е, 10 лет (с учетом фактора задержки для нитратов), после чего по меньвей мере стабилизируется. Для учета этого обстоятельства на фактических графиках изменения компонентов-загрязнителей была сделана экстраполяция максимально возможного увеличения содержания N03 в подземных водах I этажа. Эта оценка является предельной и в обобщенной форме учитывает весь комплекс факторов, влияющих на формирование концентраций NOg .

Применительно к поставленной задаче область формирования ■ транзита потока на модели была разделена на три самостоятельных горизонта, связанных между, собой гидродинамически. С целью предотвращения попадания загрязнений в питьевые воды была принята концепция ярусной эксплуатации водоносной толщи, причем воды I гидродинамического этажа были предназначены для технических целей. Анализ гидродинамической сетки прогнозного потока показал, что каждый водозаборный узел и в прогнозных условиях будет формировать свою локальную зону захвата. При смешении вод в магистральном водопроводе возможные эпизодические экстремальные повышения концентраций будут подавляться.

Расчеты возможных изменений качества питьевых вод II гидродинамического этажа выполнены в двух вариантах: при смешении вод всей системы и для каждого водозаборного узла в отдельности œ балансу гидродинамической модели с учетом экстраполированных значений концентраций для I гидродинамического этажа. Во всех случаях концентрации компонентов-загрязнителей в водах, предназначенных для питьевого водоснабжения, не превысили норм ПДК.

Таким образом, несмотря на то, что для прогнозных расчетов в качестве окончательной применена модель 6-го уровня схе-

матизации, возможности ее применения обоснованы информацией об окислительно-восстановительной обстановке, а сорбционные процессы в обобщенной форме учтены при экстраполяции увеличения содержания нитратов на 10-летний срок.

В конце 4-й главы кратко охарактеризованы основные принципы, которые необходимо учитывать при обосновании моделей месторождений, направленных на прогноз качества подземных вод. Они сводятся к необходимости генетического подхода к изучению распространения подземных вод различного качества во времени и пространстве, увеличению детальности исследований в зоне движения подземных вод к водозаборным сооружениям, необходимости установления баланса создаваемой геофильтрационной модели относительно получаемых гидрохимических и изотопных данных при восстановлении естественной гидрогеологической обстановки в процессе настройки геофильтрационной расчетной модели.

В заключение сформулированы выводы работы, которые послужили основой для формулирования научной новизны и практической значимости исследования, а также следующие выводы:

1).Гидрогеологическое обоснование моделей месторождений в сложных гидрохимических условиях требует более высокого уровня обоснованности геофильтрационных моделей вследстве резкого увеличения неопределенности при увеличении количества параметров и ограниченности фактической информации, а также изменения масштаба исследований в области прогнозного движения вод к водозаборам.

2).Постановка гидрогеологических работ, направленных на изучение генезиса подземных вод различного качества позволяет не только выявить закономерности их распространения, но и значительно снизить уровень неопределенности геофильтрационных моделей.

3).В комплексе изотопных исследований в нарушенных эксплуатацией условиях целесообразно использование изучения изотопов

с различным временем полураспада.

4).Наиболее экономичной и информативной схемой опытно-миграционного опробования в пластах большой мощности является предложенная схема "двойной дуплет "

Основными направлениями дальнейших исследований в области

гидрогеологического обоснования моделей подземных вод при прогнозе их качества должны являться: I) Разработка методов обоснования моделей 7-го уровня схематизации; 2) Разработка методики масштабного перехода от параметров, определенных опытным и лабораторным путем, к параметрам прогнозных моделей миграции; 3).Дальнейшее развитие методов опытно-миграционных работ, в тЬм числе в сложно построенных средах - валунно-галечных, трещиновато- пористых и трещинно-карстовых, а также слабопроницаемых отложениях; 4) Разработка рациональной методики расчета линий и трубок тока в макронеоднородных пластах, как основы для построения миграционных моделей месторождений.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: •

1. Боревский Б.В., Ернюв'Г.Е., Козак C.S., Труфанов A.A. Влияние молодых тектонических нарушений в кайнозойских депрессиях Южного Приморья на формирование структуры фильтрационных потоков. - Тезисы докл. междуведомственного семинара: Итоги изучения регион, гидрогеол. и инж.-геол. процессов в осадочном чехле молодых плит. - М.: Наука, 1983, T.I. - с.24-26.

2. Ершов Г.Е.Картирование зон активного перетекания через слабопроницаемые отложения в многопластовой системе по гидрохимическим данным (на примере водозабора г.Кольчугино Владимирской области)//Методические аспекты решения гидрогеологических и инженерно-геологических задач: Сб. науч. тр./ ВСЕГИНГЕО. - М.,1984. - с.19-25. (Рук. деп. в ВИНИТИ 12.02.85 * 114-85).

3. Б.В.Боревский, В.А.Поляков, Г.Е.Ершов. Формирование лин зы питьевых вод в слоистой толще под влиянием перетекания в процессе эксплуатации//Изучение условий формирования эксг пдуатируемых ресурсов пресных подземных вод: Сб. науч. тр./ ВСЕГИНГЕО.- М.,1985.•- с. 16-24.

4. Б.В.Боревский, В.А.Поляков, Г.Е.Ершов.Исследование формирования линз пресных вод с использованием изотопных методов. Тез. докл.2-го Всесоюзного симпозиума "Изотопы в гидросфере": ВСЕГИНГЕО, М.,1985. - с.49-50.

5. Г.Е.Ершов. Уточнение гидродинамической модели месторождения по гидрохимическим данным. //Методы исследований в гидро-

геологии. М., 1987. - с.38-49 ( Рук. деп. в ВИНИТИ 05.06.87 * 4072-В87 ).

6. Г.Е.Ёршов. Определение активной пористости водоносных пластов по схеме "разнодебитный дуплет." //Изучение и оценка эксплуатационных ресурсов питьевых и технических вод.: Сб. науч. тр. /ВСЕГИНГЕО.-М.,-1989. - с.49-56.

Л..-34275.Подписано в печать 27.04.90г.3аказ 151 Формат 60x90 I/I6. Тарах 100 экз. Уч.-иад.л.1 Московская обл., Ногюкяай р-н., гос. Зелены! Ротапринт ВСВГИНПО