Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование форсированного режима эксплуатации подземных вод в маловодные периоды при их совместном использовании с поверхностными водами для водоснабжения г. Владивосток

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Обоснование форсированного режима эксплуатации подземных вод в маловодные периоды при их совместном использовании с поверхностными водами для водоснабжения г. Владивосток"

На правах рукописи

^ I)

Козак Наталья Сергеевна

ОБОСНОВАНИЕ ФОРСИРОВАННОГО РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В МАЛОВОДНЫЕ ПЕРИОДЫ ПРИ ИХ СОВМЕСТНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОДАМИ Д ЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ Г.ВЛАДИВОСТОК

Специальность 25.00.07 - гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

:НЗ ¡-ь 15

Москва - 2014

005558242

005558242

Работа выполнена в Российском государственном геологоразведочном университете (МГРИ-РГГРУ)

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Грабовников Валерий Аркадьевич

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Боревский Борис Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

гл. научный сотрудник ОАО «НИИ ВОДГЕО» профессор Алексеев Владимир Сергеевич

кандидат геолого-минералогических наук, начальник отдела подземных вод Центра ГМСН ФГУГП «Гидроспецгеология» Пугач Семен Лазаревич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение Российской академии наук Институт водных проблем РАН (ИВП РАН)

Защита диссертации состоится 26 февраля 2015г. в 15 часов в ауд.4-73 на заседании диссертационного совета Д 212.121.01 при Российском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, г.Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, д.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного геологоразведочного университета.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 117997, г.Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, д.23, Российский государственный геологоразведочный университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.121.01.

Автореферат разослан 24 ноября 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук, доцен-р^^/^^/^^'с.Д. Ганова

Актуальность работы. В представляемой диссертационной работе обосновывается возможность покрытия дефицита водоснабжения при совместном использовании подземных и поверхностных вод в маловодные периоды за счет интенсификации режима работы подземного водозабора.

Водоснабжение многих городов России и всего мира основывается на совместном использовании подземных и поверхностных вод. Ресурсы поверхностных вод во многом зависят от климатических факторов. В критические маловодные периоды эксплуатация поверхностных вод зачастую не обеспечивает потребности в воде. Подземные воды обладают большими регулирующей способностью и инерционностью, поэтому они менее подвержены влиянию климата, что позволяет активнее использовать их для покрытия дефицита водообеспечения в маловодные периоды

Интенсификация режима работы подземного водозабора (форсированный водоотбор) - эффективный метод повышения надежности водообеспечения городов, использующих для водоснабжения совместно поверхностные и подземные воды и страдающих от их дефицита в периодически повторяющиеся маловодные годы. Ярким примером реализации такого подхода является проектируемое использование подземных вод Раздольненского участка Пушкинского месторождения подземных вод для повышения надежности водоснабжения г. Владивосток.

В настоящее время водоснабжение г. Владивосток ведется из поверхностных источников. Общая величина балансовых запасов подземных вод Раздольненского участка составляет 124.5 тыс. м3/сут и недостаточна для покрытия дефицита водоснабжения в критические маловодные периоды, при нехватке поверхностных водных ресурсов. Вместе с тем, в годы нормальной водности поверхностные воды почти полностью обеспечивают водоснабжение города. Методом математического моделирования доказывается возможность форсированного режима работы водозабора с производительностью до 250 тыс. м3/сут в маловодный год. Это позволяет полностью покрыть дефицит водоснабжения города за счет совместного использования подземных и поверхностных вод.

Цель и задачи исследований. Цель данной работы - обоснование возможности форсированного отбора подземных вод в маловодные годы, с его последующим снижением в годы нормальной водности, с восполнением сработанных запасов.

Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработка типизации водозаборных систем совместного использования поверхностных и подземных вод для обоснования выбора наиболее эффективной схемы водообеспечения г. Владивосток в условиях неустойчивого климата;

- исследование существующих и потенциальных источников покрытия потребности в воде г. Владивосток, в том числе баланса эксплуатационных

запасов подземных вод, состоящих на госучете, с оценкой отдельных возможных составляющих и суммы располагаемых водных ресурсов в периоды разной водности, анализ возможного соотношения использования подземных и поверхностных вод в годы разной водности;

- обоснование принципиальной возможности форсированного водоотбора подземных вод в маловодные годы с последующим восполнением избыточно сработанных запасов в многоводные годы;

- разработка пространственно-временной геофильтрационной модели Раздольненского участка, позволяющей оценить источники формирования эксплуатационных запасов и их изменения во времени, а также возможность трансформации соотношения их балансовых составляющих в условиях периодического форсированного водоотбора;

- обоснование и решение прогнозных задач с разными режимами работы водозабора - в условиях форсированного водоотбора и последующего восстановления сработанных запасов с целью выбора и обоснования наиболее рационального режима эксплуатации.

Объект и методика исследований. Объектом исследований является Раздольненский участок Пушкинского месторождения подземных вод. Его форсированная эксплуатация позволит в маловодные периоды решить проблему водоснабжения г. Владивосток. На этом примере показана необходимость детального изучения баланса эксплуатационных запасов подземных вод с целью оценки регулирующей роли емкости водоносного горизонта и трансформации балансовых составляющих в условиях форсированной эксплуатации.

Методика исследований включает в себя изучение и анализ существующих типов водозаборных систем совместного использования подземных и поверхностных вод, обработку результатов разведки и оценки запасов подземных вод Раздольненского участка, проведенных ранее, гидрологических исследований, результатов строительства водозабора, сбор и анализ современных метеорологических данных, обоснование и разработку пространственно-временной геофильтрационной модели, изучение с помощью решения обратных и прогнозных задач источников формирования эксплуатационных запасов и возможности их изменения при разных режимах работы водозабора.

Научная новизна. Предложена типизация совместного использования подземных и поверхностных вод, охватывающая широкий спектр систем использования водных ресурсов и эффективная для разработки новых и оптимизации существующих вариантов для погашения дефицита водопотребления в маловодные периоды.

На основе анализа роли и доли подземных вод в проектном балансе водоснабжения г. Владивосток обоснован оптимальный вариант системы совместного использования подземных и поверхностных вод для

водоснабжения для г. Владивосток и доказана возможность покрытия дефицита водных ресурсов в маловодные периоды за счет форсированного водоотбора подземных вод.

Обоснована возможность форсированного водоотбора подземных вод за счет повышения использования емкостных запасов в маловодные периоды и их восполнения в многоводные периоды при последующем снижении водоотбора.

Впервые для Раздольненского участка Пушкинского месторождения подземных вод создана пространственно-временная геофильтрационная модель, позволяющая оценить роль балансовых составляющих в формировании эксплуатационных запасов и их трансформацию при форсировано-восстановительном режиме эксплуатации, на базе которой были разработаны и реализованы соответствующие проектные решения.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Разработанная типизация систем совместного использования подземных и поверхностных вод учитывает режим эксплуатации водозаборов, их размещение относительно водосборного бассейна, взаимосвязь подземных и поверхностных вод и позволяет обосновать и выбрать оптимальный вариант использования располагаемых водных ресурсов и управления соотношением забора поверхностных и подземных вод в периоды разной водности.

2. При совместной эксплуатации подземных и поверхностных вод возникает возможность погашения дефицита водопотребления за счет гибкого управления водозаборными системами из поверхностных и подземных источников при сохранении общей величины суммарного водоотбора, в том числе с помощью форсированного водоотбора подземных вод. Системы совместного использования с форсированным водоотбором го подземных источников при расположении водозаборов в разных водосборных бассейнах позволяют наиболее эффективно использовать водные ресурсы и такая система является оптимальным вариантом водоснабжения г. Владивосток в условиях неустойчивого климата.

3. Оптимизация водного баланса с помощью форсированного водоотбора наиболее эффективна при наличии большой регулирующей емкости водоносных отложений. Это позволяет увеличивать водоотбор из подземных источников в маловодные периоды, а снижение водоотбора в многоводные обеспечивает естественное восполнение сработанных запасов подземных вод. Перевод водозабора Раздольненского участка Пушкинского месторождения с равномерного режима работы на форсированный позволяет в 2 раза увеличить водоотбор в маловодный период и решить проблему водоснабжения Владивостока без освоения удаленного участка Пушкинского месторождения подземных вод.

Практическая значимость. Форсированный водоотбор в маловодные периоды позволит решить проблему водоснабжения г.Владивосток. В

многоводные и годы нормальной водности снижение водоотбора из подземных вод обеспечит частичное восполнение ранее сработанных емкостных запасов.

Материалы переоценки запасов подземных вод Раздольненского участка для варианта форсированного режима эксплуатации получили положительное заключение Госэкспертизы.

Разработан и утвержден проект водозабора Раздольненского участка, применительно к форсированному режиму эксплуатации.

Первая очередь водозабора построена и готовится к вводу в эксплуатацию.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы были доложены на V Общероссийской конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (ПНИИС, Москва, 2009 г.), на XIX Совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока («НИИИГИГ ТюмГНГУ», Тюмень, 2009 г.), Научной конференции СПбГУ, «Комплексные проблемы гидрогеологии». (СПбГУ, Санкт Петербург, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии» («ВСЕГИНГЕО», п. Зеленый, Московская область, 2011г.) и Всероссийской научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы геологоразведочных и научно-исследовательских работ в области гидрогеологии, инженерной геологии, геокриологии и геоэкологии» («ВСЕГИНГЕО», Москва, 2014 г.).

Публикации. Положения работы изложены в 7 изданиях, три из которых рекомендованы ВАК.

Личный вклад. Автором разработана геофильтрационная модель Раздольненского участка, решены прогнозные задачи и обоснован рациональный вариант форсировано-восстановительного режима водозабора, на основе разработанной типизации показана оптимальность размещения подземных и поверхностных водозаборов при совместном использовании водных ресурсов в разных водосборных бассейнах. Автор принимал участие в работах, начиная с составления проекта работ, в самих работах по переоценке запасов Раздольненского участка до авторского надзора за восстановлением существующих и бурением новых скважин 1-й очереди водозабора на Раздольненском участке.

Структура и объем работы. Работа изложена на 118 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 24 рисунка, 14 таблиц. Список использованной литературы включает 108 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору В.А. Грабовникову и всему коллективу кафедры гидрогеологии МГРИ-РГГРУ за полученные знания в процессе обучения и написания работы на кафедре, своему научному консультанту профессору, д.г-м.н. Б.В. Боревскому за всестороннюю помощь в

подготовке и написании работы и за его вклад в формирование мировоззрения автора. Особую признательность автор выражает профессору, д.г-м.н.В.М.Швецу. Автор благодарен сотрудникам ЗАО «ГИДЭК» - А.Г.Черняку, Г.Е.Ершову и ОАО «НИИ ВОДГЕО» В.Г. Тесля за их руководство и помощь в полевых и камеральных работах. Также автор выражает благодарность своим коллегам -Язвину A.JI., Олиферовой O.A. и Кувыкиной Ю.Ю за их поддержку и ценные советы. Искреннюю благодарность автор выражает своим родителям - Козак С.З. и Козак Н.М. и особенно бабушке Аткарской Т.Н. за их вклад в решение проблем водообеспечения г. Владивосток и, конечно, за поддержку и помощь на протяжении всего жизненного пути.

СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ ПРОБЛЕМЫ, ИЗУЧЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ

Совместное использование подземных и поверхностных вод применяется с древних времен. Концепция совместного использования базируется на том, что поверхностный сток и подземные воды образуют единый комплекс природных водных ресурсов. В то же время, на практике в нашей стране поверхностные и подземные воды довольно часто рассматриваются как альтернативные источники водоснабжения. Совместное использование поверхностных и подземных вод позволяет более рационально и полно использовать водные ресурсы.

Под системой совместного использования подземных и поверхностных вод (СИППВ) в настоящее время чаще всего, опираясь на научные работы B.C. Ковалевского, подразумевают комбинированное использование, при котором основной водозабор (подземный) обеспечивает наилучшие условия перехвата поверхностного стока, а компенсационный водозабор эксплуатирует подземные воды с минимизацией ущерба поверхностному стоку.

В данной диссертационной работе предлагается под совместным использованием поверхностных и подземных вод понимать водоотбор из поверхностных и/или подземных источников для удовлетворения единой потребности в воде.

Системы совместного использования применяются для водоснабжения городов, водоснабжения производств, орошения и т.д. и состоят из водозабора, отбирающего поверхностный сток и водозабора подземных вод. При этом в качестве поверхностного источника могут выступать водохранилища разного объема, озера, реки и т.д.

Традиционным и весьма распространенным видом совместного использования поверхностных и подземных вод является постоянное совместное использование, при котором подземные и поверхностные воды эксплуатируются постоянно, и в системах централизованного водоснабжения соотношение водоотбора из подземных и поверхностных водозаборов может

меняться по различным причинам. Примерами этого является водоснабжение крупных городов - г. Рязань, Москвы и Московской области, г. Казань и т.д.

В меньшей степени развиты системы совместного использования подземных вод, где за счет эксплуатации подземных вод погашается дефицит поверхностных. Как известно, эксплуатация поверхностных вод во многом зависит от климатических факторов и в критические маловодные периоды может не обеспечивать потребности в воде. Повышение использования водных ресурсов часто связывается с зарегулированием поверхностного стока водохранилищами. Однако строительство крупных водохранилищ, позволяющих осуществлять многолетнее регулирование водоотбора, не всегда возможно, а небольшие по объему, ориентированные на внутригодовое регулирование стока не способны обеспечить необходимое количество воды в маловодные годы. Подземные воды же обладают большей регулирующей способностью (емкостью) и инерционностью, поэтому они менее подвержены влиянию изменчивости климата, что позволяет активнее использовать их для компенсации дефицита водообеспечения в маловодные периоды, в т.ч. в периоды критической водности. Для этой цели используются компенсационные водозаборы - один из типов систем совместного использования подземных и поверхностных вод, в котором подземные воды используются для компенсации недостатка поверхностных вод.

Компенсационные водозаборы в системах совместного использования развиты в меньшей степени, яркими примерами являются подземный водозабор Калининской АЭС, водозаборы в Республике Татарстан и водозабор Раздольненского участка для водоснабжения г. Владивосток.

Наибольшее применение компенсационные водозаборы получили при решении задач орошения. И, соответственно, исторически сложилось так, что вопрос совместного использования подземных и поверхностных вод ставился в первую очередь применительно к проблемам орошения (ЕЖМинкин, С.Я. Концебоеский, Г.П. Кумсиашвили, R.A. Young и др.). При этом в работах ЕЛ.Минкина и С.Я. Концебовского были рассмотрены разные режимы работы подземного водозабора, и постоянный, и периодический, и стохастический.

Одним из наиболее важных вопросов при обосновании совместного использования подземных и поверхностных вод является условия их взаимосвязи. Основоположником научного обоснования методики расчетов «ущерба» поверхностному стоку является Е.Л.Минкин. М.М.Черепанским были обобщены исследования последних лет, посвященные региональным оценкам влияния отбора подземных вод на речной сток.

Вопрос повышения надежности водоснабжения за счет использования подземных вод для покрытия дефицита поверхностных водных ресурсов рассматривался в работах АЛ.Великанова, М.Г.Хубларяна, Г.П. Кумсиашвили, В.И. Данилов-Данильяна, И.С. Зекцера и др. ИЛ.Храновичем были разработаны потоковые математические модели для оптимального

управления водохозяйственными системами, в том числе и системами совместно использующими подземные и поверхностные воды.

В работах Ковалевского B.C. было дано научное обоснование комбинированного использования поверхностных и подземных вод в периоды разной водности.

На основе анализа существующего опыта, в том числе зарубежного (Downing R.A. Kemp J.B. Wright C.E.) B.C. Ковалевским было выдвинуто положение о том, что наиболее перспективным представляется создание систем совместного использования поверхностных и подземных вод, основанных на сооружении двух водозаборов - основного и компенсационного, эксплуатирующего только подземные воды. Основной водозабор может быть поверхностным или инфильтрационным, а компенсационный водозабор на подземные воды работает только в маловодные периоды. Соответственно, основным требованием к компенсационному водозабору является минимизация ущерба поверхностному стоку и в основу типизации была положена взаимосвязь подземных и поверхностных вод при предположении, что основной и компенсационный водозаборы расположены в одном речном бассейне.

Обоснованием условий организации компенсационных водозаборных систем при их расположении непосредственно в долине реки, из которой осуществляется поверхностный водоотбор посвящены работы Штенгелова Р.С и его коллег.

Под комбинированным использованием и В.С.Ковалевским и P.C. Штенгеловым подразумевается технологически и оперативно сопряженный процесс добычи воды заданного назначения из поверхностных и/или подземных источников, обеспечивающий нужную производительность независимо от временных критических изменений количественного или качественного состояний какого либо из этих источников.

В.С.Ковалевским были выделены три типа условий работы комбинированных водозаборов:

- безнапорный водоносный горизонт, гидравлически взаимосвязанный с незарегулированным поверхностным стоком;

- напорный водоносный горизонт с опосредованной гидравлической связью поверхностных и подземных вод;

- напорный водоносный горизонт, практически не взаимосвязанный с поверхностным стоком.

Штенгелов P.C. и др, рассматривая гидрогеологические условия организации компенсационных водозаборных систем, выделили следующие типы с помощью аналогичного основания деления - взаимосвязи реки и продуктивного водоносного горизонта.

- высокая степень взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой;

- затрудненный характер взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой;

- весьма затрудненный характер взаимосвязи реки и продуктивного межпластового водоносного горизонта

М.М. Черепанским было исследовано влияние на сокращение речного стока работы основного и компенсационного водозабора применительно к схемам однослойного полуограниченного пласта и трехслойного полуограниченного.

Ряд исследователей рассматривали комбинированное использование поверхностных и подземных вод на конкретных примерах: использование Конаковского месторождения подземных вод для покрытия дефицита поверхностных вод Верхневолжского источника водоснабжения Москвы (АЛ.Великанов, Ю.Фулян), использование Удомельского месторождения подземных вод для покрытия дефицита поверхностных вод при охлаждении реакторов Калининской АЭС (Б.В.Боревский, И.Б.Колотов, М.В.Беляков и Р.С.Штенгелов, Е.А.Филимонова) и др.

На сегодняшний день коллективом специалистов МГУ им.М.В.Ломоносова под руководством Р.С.Штенгелова ведется разработка научно-методических основ прогнозных компенсационных водозаборов в речных бассейнах с дефицитным поверхностным стоком.

Таким образом, наиболее пристальное внимание уделяется компенсационным водозаборам, причем определенного типа. Исследователями подробно рассмотрены вопросы влияния расположения водозаборов относительно реки, влияния сопротивления подрусловых отложений, влияния коэффициента перетекания разделяющего слоя, влияния водопроводимости и водоотдачи водоносного горизонта, влияния продолжительности и режима работы водозаборов. В то же время компенсационные водозаборы являются очень важным, но лишь одним из типов комбинированных водозаборных систем, а разнообразие условий совместного использования поверхностных и подземных вод охватывает еще более широкий спектр.

Таким образом, требуется систематизировать системы совместного использования подземных и поверхностных вод, расширить основания существующих типизаций и объединить их в единой типизации, разработанной и рассматриваемой в диссертационной работе.

При разработке систем управления водными ресурсами, комплексных схем их использования и охраны, методики разведки и оценки запасов подземных вод системы совместного использования подземных и поверхностных вод могут быть подразделены по следующим основаниям: 1. По режиму эксплуатации подземного водозабора: 1.1. Эксплуатируемые постоянно: 1.1.1. при равномерном (штатном) отборе.

1.1.2. при переменном водоотборе, в т.ч. при форсированном режиме в глубокую межень.

1.2. Эксплуатируемые периодически:

1.2.1. при ординарном («штатном») режиме;

1.2.2. при форсированном режиме.

При периодической эксплуатации подземного водозабора весьма важным становится вопрос определения длительности периода эксплуатации обоих водозаборов.

Во всех случаях кроме 1.1.1 (равномерный водоотбор при постоянной эксплуатации) повышение величины располагаемых водных ресурсов для обеспечения водоснабжения может быть достигнуто за счет гибкого управления комбинированными водозаборными системами из поверхностных и подземных источников, в том числе с помощью форсированного водоотбора.

Под форсированным водоотбором подразумевается его превышение над расчетным равномерным водоотбором, обеспечивающимся эксплуатационными запасами данного месторождения подземных вод. Также увеличение водоотбора может применяться в том случае, когда проектный (расчетный) водоотбор значительно меньше величины обеспеченности и есть возможность повысить коэффициент использования ресурсов подземных вод.

При эксплуатации в форсированном режиме (1.1.2 и 1.2.2) должен решаться вопрос об обосновании форсированного водоотбора. Форсированный (увеличенный) водоотбор может успешно применяться там, где баланс подземных вод позволяет увеличить водоотбор за счет более полного использования емкости продуктивного водоносного горизонта, а источники восполнения достаточны для восполнения сработанных емкостных запасов подземных вод в последующие многоводные периоды.

Этим условиям отвечают такие типы месторождений подземных вод, как межгорные впадины, артезианские бассейны с большой регулирующей емкостью пластов. Также подобный подход оправдан в долинах с периодическим стоком пересыхающих или перемерзающих рек. В многоводные периоды водозабор работает в условиях инфильтрационного водозабора, а в маловодные - в условиях сработки емкости.

2. По размещению относительно бассейнов поверхностного стока.

2.1. В едином водосборном бассейне.

2.1.1. при активном взаимодействии с поверхностным стоком (поверхностным водозабором).

2.1.2. при незначительном взаимодействии с поверхностным за счет:

а) эксплуатации межпластовых водоносных горизонтов при территориально совмещенных поверхностных и подземных водозаборах (могут размещаться даже на одной площадке);

б) при эксплуатации первого от поверхности (в двухслойных системах без разделяющего слоя - второго) на достаточном расстоянии от реки для снижения их взаимодействия.

2.2. В разных водосборных (речных) бассейнах.

При расположении водозаборов в разных водосборных бассейнах (подтип 2.2) степень взаимосвязи подземных и поверхностных вод не влияет на водоотбор из последних. При этом можно говорить как о бассейнах крупных рек, так и о частных, малых водосборных бассейнах, если один частный водосбор обеспечивает наполнение водохранилищ и т.д., а источником формирования запасов подземных вод является другой

При расположении водозаборов в едином водосборном бассейне преимущество при соответствующих гидрогеологических условиях следует отдавать глубоким напорным водоносным горизонтам, а подземные водозаборы территориально совмещать с поверхностными.

Основным принципом при размещении водозаборов в едином водосборном бассейне является минимизация ущерба поверхностным водам, участвующих в водообеспечении, при отборе из подземного источника.

В общем виде задача снижения ущерба решается как уменьшение взаимосвязи поверхностных и подземных вод. Это зависит от суммарного фильтрационного сопротивления между участком водозабора и поверхностными водами. И, в зависимости от величины этого суммарного сопротивления, складывающегося и из сопротивления подрусловых отложений, и продуктивного водоносного горизонта, и разделяющих толщ, и наличия дополнительных граничных условий, должен решаться вопрос о минимальном или достаточном физическом удалении водозабора. Эти вопросы подробно исследованы в работах В.С.Ковалевского, М.М.Черепанского, Р.С.Штенгелова и др, и для подтипа 2.1 особую актуальность приобретает типизация по условиям взаимосвязи поверхностных и подземных вод, рассматриваемая в этих работах.

3. По условиям взаимосвязи поверхностных и подземных вод продуктивного водоносного горизонта.

3.1. Практически совершенная.

3.2. Затрудненная.

3.3. Практически отсутствует.

Таким образом, на основании анализа существующего опыта совместного использования поверхностных и подземных вод и существующей литературы по этому вопросу была разработана типизация схем совместного использования подземных и поверхностных вод. Она охватывает большое количество возможных случаев и предоставляет широкую возможность выбора, в то же время, являясь открытой и доступной для расширения.

Предложенная типизация систем совместного использования подземных и поверхностных вод может использоваться при разработках систем управления водными ресурсами, комплексных схем их использования и охраны, методики разведки и оценки запасов подземных вод и позволяет обосновать и выбрать оптимальный вариант использования располагаемых водных ресурсов в периоды разной водности.

Рассматриваемый в данной работе водозабор Раздольненского участка для водоснабжения г. Владивосток будет одним из наиболее эффективных типов систем совместного использования подземных и поверхностных вод, когда водозаборы из подземных и поверхностных вод эксплуатируются постоянно, с переменным водоотбором и находятся в разных водосборных бассейнах (Тип 1.1.2 / 2.2).

До 1977 г. гидрогеологические условия Южного Приморья были изучены довольно слабо. При этом первые работы, обобщившие гидрогеологические особенности Приморья и условия формирований ресурсов пресных подземных вод, относятся к 40 м годам: М.М. Танеева, Л.С. Карманов В 60-е годы на основе проведенных исследований для организации водоснабжения небольших объектов, сопровождавшимися гидрогеологической съемкой был составлен ряд отчетов (Е.Ф.Кириллова и др) и выполнена площадная оценка ЭЗПВ и гидрогеологическое районирование края -«Прогнозное изучение эксплуатационных запасов пресных подземных вод Приморского края» (Л.Г.Киприянова, И.И. Берсенев.). На основе имеющегося материала был сделан вывод о невозможности обеспечения крупных городов, в том числе Владивостока, подземными водами (Гидрогеология СССР (вып. 3., 1977, под ред.Л.С. Язвина).

После безводья в 1978 г., Гидрогеологической экспедицией ПГО «Приморгеология», совместно с институтом ВСЕГИНГЕО под руководством Б.В.Боревского и B.C. Рынкова были проведены поисково-оценочные работы и открыто Пушкинское месторождение подземных вод. Выработанная в процессе этих работ методика исследований позволила пересмотреть гидрогеологические условия Приморья и возможность водоснабжения за счет подземных вод. Впоследствии было открыто более 10 месторождений подземных вод в аналогичных условиях. A.C. Возняковским и др. была проведена региональная оценка эксплуатационных ресурсов подземных вод Приморья. На сегодняшний день по Дальневосточному округу, разведано 859 месторождений (участков) пресных подземных вод, с общим количеством эксплуатационных запасов около 7 млн. м3/сут. Степень освоения эксплуатационных запасов не превышает 10 %. В Южном Приморье, в границах Сихотэ-Алинской гидрогеологической складчатой области, на сегодняшний день, открыто и разведано 41 месторождение подземных вод, с

общим количеством эксплуатационных запасов около 600 тыс. м7сут. Однако только 22 месторождения освоены и эксплуатируются, при этом суммарный водоотбор на участках с разведанными запасами не превышает 130 тыс. м3/сут. В том числе, до сих пор не эксплуатируется Пушкинское месторождение, разведанное для водоснабжения г. Владивосток.

Владивосток расположен на полуострове Муравьева-Амурского и беден ресурсами пресных подземных вод, его водоснабжение изначально и до сих пор базируется на поверхностных водах, накапливаемых в водохранилищах, как на самом полуострове, так и за его пределами. Пушкинское месторождение, разведанное для водоснабжения г. Владивосток, состоит из 2-х автономных участков - Раздольненского и Борисовского (рис.1).

В процессе геологоразведочных работ на территории Раздольненского участка было выполнено бурение более 100 скважин различного назначения, проведен обширный комплекс наземных и скважинных геофизических работ, проведены одиночные, 9 кустовых и 2 групповые откачки, режимные гидрогеологические и гидрологические наблюдения, лабораторные исследования проб воды и грунтов, построена геофильтрационная модель участка, на которой решены задачи по подсчету эксплуатационных запасов

Рис. 1. Схема расположения участков Пушкинского МПВ.

подземных вод. Модель 1982 г. была разработана A.A. Труфановым, реализована в двухслойной постановке и задачи решались в понижениях уровня.

По итогам проведенных исследований ГКЗ СССР были утверждены запасы подземных вод в целом по Пушкинскому месторождению в количестве 329.5 тыс. м3/сут, в т.ч. по Раздольнеискому участку - 124.5 тыс. м3/сут. Запасы были утверждены исходя из равномерного режима эксплуатации во внутригодовом и в многолетнем разрезах и полностью обеспечивали перспективную потребность в воде - 300 тыс. м3/сут в период проведения разведочных работ.

В 1986 г. был разработан проект водоснабжения Владивостока за счет подземных вод. Раздольненский участок расположен ближе к основному водопотребителю - г. Владивосток, в 60 км от него, а Борисовский участок удален на 100 км от города, поэтому основные усилия были направлены на освоение и строительство водозабора на Раздольненском участке. В 1993 г. строительство было прекращено, после этого, в течение 10 лет, оборудование расхищалось, часть была демонтирована, а оставшаяся часть пришла в негодное состояние и уже не подлежала восстановлению. Пробуренные скважины были законсервированы и внешне не пострадали.

На сегодняшний день водоснабжение по-прежнему ведется из поверхностных источников.

Суммарная современная потребность в воде г. Владивосток и прилегающих к нему населенных пунктов составляет 450 тыс. м3/сут, в том числе на нужды хозяйственно-питьевого водоснабжения - 370 тыс. м3/сут. В ближайшие годы она возрастет до 570 тыс. м3/сут, в т.ч. около 400 тыс. м3/сут придется на г. Владивосток. Большая часть (80%) обеспечивается объемом Артемовского водохранилища. Климат района муссонный, большая часть осадков связана с выходом на Приморье тайфунов, которые приносят до 50% годовой суммы (среднемноголетняя величина атмосферных осадков — 630 мм). В среднем за год проходит 2-3 тайфуна, однако раз в 4 - 10 лет отмечается их отсутствие, либо небольшая мощность. В маловодные годы (95 % обеспеченности) сумма осадков за год составляет 427 мм. Восполнение водохранилищ в маловодные годы не происходит и город испытывает дефицит в воде, что влечет за собой проведение чрезвычайных мероприятий с введением ограничений подачи воды потребителю.

В тоже время, в многоводные годы объем главного источника питьевых вод - Артемовского водохранилища практически полностью покрывает потребность г. Владивосток. Потребность в воде и источники ее покрытия, рассчитанные на 2012 год, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Потребность в воде и источники ее покрытия.

Населенные пункты Потребность в воде, тыс.м3/сут

пгт. Раздольненское 20

с.Вольно-надеждинское 31

г.Артем 35

г.Владивосток 396

Потери из водопровода 84

Итого 566

Источники покрытия Производительность, тыс.м3/сут

год нормальной водности маловодный год

Водозабор из подземных вод Раздольненского уч. 125 250

Артемовское водохранилище 300 252

Водохранилище на р.Богатой 50 28

Водохранилище на р.Пионерской 30 12

Водозабор на р.Шкотовка 56 10

Штыковский водозабор 35 10

Итого 596 562

Итого без Раздольненского участка 471 312

Дефицит в воде без Раздольненского участка 95 254

Дефицит воды без включения в баланс подземных вод в год нормальной водности составляет 95 тыс. м3/сут. В целом, в годы нормальной водности, острой нехватки водных ресурсов не наблюдается. В то же время, в маловодный год дефицит воды превышает 250 тыс. м3/сут и требует введения в баланс водопотребления новых источников покрытия потребности в воде. Нормализация ситуации с водоснабжением в маловодные годы может быть обеспечена за счет использования в балансе водоподачи подземных вод, не зависящих от капризного приморского климата, при этом освоение ранее утвержденных запасов Раздольненского участка обеспечивает покрытие только половины потребного количества подземных вод, а освоение удаленного Борисовского участка требует больших затрат. В очередное безводье 1998 г., в связи с недостаточностью эксплуатационных запасов Раздольненского участка, рассчитанных на непрерывный постоянный расход водозабора 125 тыс. м3/сут, Б. В. Боревским и A.C. Возняковским была выдвинута идея форсированного режима эксплуатации участка с увеличением водоотбора в маловодные годы и последующим его снижением в многоводные периоды.

Доказательство и обоснование возможности реализации форсированного режима эксплуатации требовало переоценки ранее оцененных эксплуатационных запасов подземных вод. Необходимо было оценить баланс

подземных вод по источникам их формирования, а также обосновать достаточность источников формирования запасов подземных вод для реализации форсированного режима эксплуатации в маловодные годы и последующего восполнения запасов. В 2005 - 2007 гг. ЗАО «ГИДЭК», при непосредственном участии автора, была проведена переоценка запасов подземных вод применительно к форсированному режиму эксплуатации в объеме 250 тыс. м3/сут в маловодные периоды. При проектировании водозабора, выполненного затем ОАО «Росэкострой» совместно с ЗАО «ГИДЭК» были рассмотрены различные варианты водоснабжения и обоснован оптимальный вариант работы Раздольненского водозабора.

При этом эксплуатация Раздольненского участка не влечет за собой отказ от поверхностных источников водоснабжения, которые в годы нормальной водности в значительной мере удовлетворяют потребность в воде. Совместное использование поверхностных и подземных вод позволяет более рационально использовать водные ресурсы и в случае водоснабжения г. Владивосток для управления водными ресурсами предлагается регулировать их соотношение поверхностных и подземных вод в годы разной водности с помощью форсированного отбора подземных вод в периоды экстремально низкой водности, с последующим снижением в многоводье.

В нашей стране, на сегодняшний момент увеличение доли водоснабжения из подземных источников достигается преимущественно вовлечением в эксплуатацию дополнительных водозаборных скважин на резервных участках, хотя форсированный отбор из подземных вод позволяет более эффективно управлять водными ресурсами при совместном использовании поверхностных и подземных вод. При этом форсированный водоотбор может решать вопрос увеличения отбора без увеличения протяженности водозабора, соответственно не требуя увеличения площади земель отводимых под скважины и зоны санитарной охраны.

Таким образом для водоснабжения г.Владивосток предлагается совместное использование подземных и поверхностных вод с форсированным водоотбором из подземного источника для погашения дефицита водопотребления в маловодные периоды за счет гибкого управления водозаборными системами из поверхностных и подземных источников при сохранении общей величины суммарного водоотбора. Такая система совместного использования с форсированным водоотбором из подземных источников при расположении водозаборов в разных водосборных бассейнах позволит наиболее эффективно использовать водные ресурсы и является оптимальным вариантом водоснабжения г. Владивосток в условиях неустойчивого климата.

ПРИРОДНАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗДОЛЬНЕНСКОГО УЧАСТКА ПУШКИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Пушкинское месторождение подземных вод приурочено к ограниченной по площади структуре - Пушкинской кайнозойской депрессии, наложенной на докембрийский, палеозойский и мезозойский фундамент и его можно классифицировать как месторождение в межгорных впадинах, 4 типа, подтипа Б (Боревский Б.В., Язвин Л.С.).

Особенностями Пушкинского месторождения являются следующие условия, характерные для месторождений данного типа:

- замкнутая форма, контролирующаяся геолого-гидрогеологическими границами;

- небольшие размеры, определяющие распространение депрессионной воронки по всей площади структуры;

- определяющая роль геоструктурных факторов в общем комплексе условий формирования запасов подземных вод;

- превышение над площадью месторождения площади формирования подземного стока, обычно совпадающей с площадью поверхностного водосбора;

- сложнослоистое строение разреза;

Для формирования запасов подземных вод Пушкинского месторождения важное значение имеет связь с поверхностными водотоками.

В пределах Пушкинской депрессии, выделяются две самостоятельные структуры. На западе Пушкинской депрессии - Раздольненская мульда, в которой область сноса обломочного материала находилась на востоке территории, на севере - Борисовская мульда, в которой область сноса обломочного материала также находилась на востоке территории. Раздольненская мульда, площадью 240 км2, имеет вытянутую в меридиональном направлении форму, ограничена на севере и юге выходами на поверхность пород докайнозойского фундамента и открыта на запад. Максимальная глубина структуры 425 м. Формирование подземного стока в каждой из мульд происходит в разных водосборных бассейнах. Также каждая из этих структур имеет и автономные источники восполнения ресурсов - малые реки. Учитывая все это, оба участка имеют самостоятельное значение и могут рассматриваться отдельно. Все вышеперечисленные свойства месторождения в полной мере относятся к его участкам.

Применительно к задачам и содержанию диссертационной работы в ней рассмотрена только модель Раздольненского участка.

Границы Раздольненского участка, определяются, в основном, системой разломов.

Продуктивной на подземные воды является верхняя часть разреза, мощностью 100-250 м, представленная отложениями усть-давыдовской (N1'" 2ис1) и усть-суйфунской (^э-М^из) свит миоцена (рис.2).

1 - водоносный горизонт современных аллювиальных отложений;

2 - водоносный комплекс суйфунской свиты плиоцена и усть-суйфунской свиты миоцена;

3 — водоносный горизонт усть-давыдовской свиты миоцена;

4 - водоносный комплекс верхней трещиноватой зоны докайнозойских пород;

5 — тектонические нарушения;

6 — проектная скважина м;

7 — уровни продуктивного водоносного комплекса, в абсолютных отметках:

Рис. 2. Схематический гидрогеологический разрез Раздолъненского участка.

Водовмещающие породы представлены песчано-гравийно-галечными отложениями, мощность которых изменяется от 20 м на востоке участка до 200 м на западе, в долинах Большой и Малой Кедровки, на основной линии водозабора в долине р. Раздольная средняя мощность составляет около 50 м. В пределах усть-суйфунского горизонта выделяются хорошо промытые зоны - в правобережной части долины р.Раздольная и долинах ее притоков, где водопроводимость достигает 1000 м2/сут. Вдоль восточной границы распространения горизонта водопроводимость варьируется в пределах 400 м2/сут, местами падая до 100 м2/сут.

Мощная толща продуктивных отложений с большой емкостью обуславливает большой объем емкостных запасов Раздольненского участка. При площади участка 240 км2, средней мощности водоносного пласта 70 м, средней водоотдаче 0.1, общий объем емкостных запасов будет равен 1 680 000 тыс. м3, а во временном периоде 25 лет обеспечит 184 тыс. м3/сут. Такой объем емкостных запасов позволит реализовать форсированный водоотбор, при котором часть этих запасов будет сработана в течение года, а затем восполнена за счет привлечения естественных ресурсов.

На большей части площади горизонт залегает вторым от поверхности: в долинах рек он перекрыт аллювиальными и аллювиально-морскими отложениями мощностью 5-25 м, на водораздельном плато - покровными базальтами. Водообильность базальтов незначительна, а в местах, где они разбиты вертикальными трещинами до подошвы, базальты полностью сдренированы. Усть-суйфунский водоносный горизонт гидравлически связан с

четвертичным аллювиальным, а через него - с реками, что дает возможность восполнения эксплуатационных запасов подземных вод за счет привлечения поверхностного стока.

Водоносный горизонт четвертичных аллювиальных отложений распространен в северной части долины р. Раздольной и в долинах ее притоков. Водовмещающие породы представлены гравийно-галечными отложениями с отдельными валунами, прослоями песков и глин. Водообильность горизонта невысокая, а характер его взаимосвязи с нижележащим усть-суйфунским зависит от состава кровли последнего.

Усть-суйфунский водоносный горизонт связан и с подстилающим его усть-давыдовским горизонтом, но рассматривать его как источник дополнительного питания нецелесообразно (их разделяет 20-40-метровый слой нижнемиоценовых глин и алевролитов). Исключением является область на севере и северо-западе территории участка, в долине р. М. Кедровка. Там в составе усть-давыдовских отложений преобладают грубообломочные фракции, мощность которых достигает 160 м. В этой зоне часть усть-давыдовского горизонта включена в продуктивный водоносный пласт, по фильтрационным параметрам идентична усть-суйфунскому горизонту и они рассматриваются как единый водоносный комплекс.

По химическому составу воды продуктивного комплекса, как и остальных водоносных горизонтов, развитых на площади, гидрокарбонатные, смешанные по катионам, с минерализацией до 0.3 г/дм3. Качество по всем показателям в целом соответствует нормативным требованиям. Выше предельно-допустимых значений отмечаются только концентрации железа, марганца и кремния. Территория Раздольненского участка находится в пределах регионально выраженной гидрогеохимической провинции железо-, марганец-, кремний содержащих подземных вод.

Питание горизонт получает, в основном, за счет атмосферных осадков, поверхностных вод и перетекания из четвертичного горизонта; разгрузка происходит в поймы и русла малых рек, многочисленные старичные озера и вдоль тылового шва пойменных и надпойменных террас, создавая заболоченные участки. Часть подземного стока, не перехватываемая малыми реками, разгружается в пойму р. Раздольной и является источником формирования эксплуатационных запасов. Величина этой разгрузки была рассчитана по сечениям, ограниченным линиями тока, отдельно для северной и южной частей долины р. Раздольной. В сумме разгрузка в пойму р. Раздольная составляет 27.0 тыс. м3/сут.

Главная водная артерия района - р. Раздольная. Раздольненский участок захватывает часть ее долины и ее правых притоков - рек Кедровки, Клепочной, Грязнушки и Первой Речки, стекающих с базальтового плато. Абсолютные отметки поверхности плато в пределах участка составляют 150-200 м, пойменной части долины р. Раздольной - 5-8 м. Притоки р. Раздольная

являются одним из основных источников формирования и восполнения запасов подземных вод. Длина этих рек первые десятки километров, ширина в верхнем течении 5 - 15 м, в нижнем до 25 м. Русла сложены галечно-валунными отложениями или же песчано-галечными и песчано-илистыми, что определяет благоприятные условия взаимосвязи поверхностных и подземных вод и восполнения последних, в т.ч. в период ливневых дождей и тайфунов.

Стоковые характеристики рек оценивались по результатам анализа режимных гидрогеологических наблюдений за стоком малых рек и многолетних наблюдений на гидропостах р. Раздольной.

Подземный сток в малые реки, формирующийся в пределах Раздольненского участка, составляет 61.8 тыс. м3/сут для года 50% обеспеченности и 32.5 тыс. м3/сут для года 95% обеспеченности. Суммарный поверхностный сток малых рек составляет около 170 тыс. м3/сут для года 50% обеспеченности и 140 тыс. м3/сут в год 95% обеспеченности. Модули подземного стока для малых рек изменяются от 1.3 до 2.6 л/с.км2, за исключением р. Малая клепочная. Как видно, поверхностный сток малых рек превышает подземный в несколько раз. Поверхностный сток может быть привлечен для восполнения эксплуатационных запасов. Поскольку сопротивление русловых отложений не было изучено с необходимой детальностью, при подсчете запасов было принято допущение о минимальном размере привлечения поверхностного стока малых рек в объеме величины подземного стока, разгружающегося в русла рек-61.8 тыс.м3/сут, соответствующего подземному стоку года 50% обеспеченности. Соответственно, учтенный подземный сток для года нормальной водности составляет около 90 тыс. м3/сут (вместе с разгрузкой в пойму р. Раздольная). Учитывая привлечение поверхностного стока в размере равным подземному стоку, разгружающемуся в малые реки (61.8 тыс.м3/сут), в обоснование величины обеспеченности эксплуатационных запасов за счет привлечения подземного и поверхностного стока можно принять величину равную 150 тыс. м3/сут.

Имеющиеся материалы позволили разработать геофильтрационную модель Раздольненского участка для условий равномерного и форсированного режима эксплуатации.

ГЕОФИЛЬТРАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РАЗДОЛЬНЕНСКОГО УЧАСТКА

Доказательство и обоснование возможности реализации форсированного режима эксплуатации, а также обоснование его режима и восстановления уровней подземных вод требовало переоценки ранее оцененных эксплуатационных запасов подземных вод. Необходимо было оценить баланс подземных вод по источникам их формирования, а также обосновать достаточность источников формирования запасов подземных вод для реализации форсированного режима эксплуатации в маловодные годы и

последующего восполнения запасов. На основе модели 1982 г. была создана пространственно-временная модель, выполненная в абсолютных отметках, которая позволяет реализовать периодический форсированный режим эксплуатации, воспроизвести и проанализировать реальную структуру потоков.

Область фильтрации в этой модели разбита неравномерной ортогональной сеткой, с минимальным размером блоков на участках наблюдательных и эксплуатационных скважин 25 м. Природная гидрогеологическая обстановка схематизируется в виде гидравлически связанной системы из пяти напорно-безнапорных водоносных и слабопроницаемых платов.

Слой 1 представляет собой отложения современных речных долин. В том числе - все аллювиальные отложения правых притоков р. Раздольной. На водораздельных территориях пласт отсутствует. Мощности колеблются от одного до десяти метров.

Слой 2 соответствует подстилающим русловой аллювий глинистым илам, а в местах отсутствия аллювия (на водоразделах) он представляет собой маловодонасыщенные базальты шуфанской свиты. Мощность - от 1 м в поймах рек Раздольной и Кедровки до 10 м на площади распространения илов и до 200 м на водоразделах, перекрытых базальтами.

Слой 3 соответствует основному продуктивному горизонту. В него включены преимущественно отложения суйфунской и усть-суйфунской свит. В северной части Раздольненского участка в мощность слоя включены грубообломочные отложения усть-давыдовской свиты и трещиноватые, водонасыщенные миоценовые базальты. В юго-восточной части в него включена нижняя часть алювиально-морских отложений, представленная гравийно-галечниковыми отложениями. Мощность изменяется от 20 м на востоке участка до 200 м на западе. Водопроводимость изменяется от 100 м2/сут на восточной границе распространения до 1000-2000 м2/сут в трещиноватых погребенных миоценовых базальтах, на северо-западе, где продуктивной является мощная песчаная толща усть-давыдовских отложений и в хорошо промытых зонах гравийно-галечниковых усть-суйфунских отложений

Значение гравитационной водоотдачи в процессе проведения разведочных работ не было получено, так как не были сработаны напоры в пределах воронки депрессии, и расчеты проводились по формуле Бецинского для схематично выделенных литолого-фациальных зон. Расчетная водоотдача была условно принята как 0.2, 0.1 и 0.01. Зона I с водоотдачей 0.2 была выделена для отложений преимущественно гравийно-галечниковых, зона II с водоотдачей 0.1, представлена преимущественно гравийно-песчаными отложениями с прослоями алевритов и глин и зона III с водоотдачей 0.01 представлена песками с прослоями алевролитов, аргиллитов и глин, при этом

большая часть этой зоны перекрыта глинистыми отложениями и (или) погребенными базальтами).

Слой 4 представляет собой слабопроницаемые алеврито-глинистые отложения в кровле усть-давыдовской свиты, а также нетрещиноватые базальты сандуганской свиты. Мощность задана условно равномерной -10 м.

Слой 5 соответствует водоносному горизонту усть-давыдовской свиты, который развит по всей площади. Мощность — 70 м.

Основное направление потока подземных вод- с запада (горная часть) на восток (к долине р. Раздольная). Перепад абсолютных отметок уровней с запада на восток между базальтовым плато и долиной р. Раздольной составляет более 75 м. На западе участка, уровень подземных вод залегает на абсолютных отметках 75 м и выше, а на востоке участка, в пойме р.Раздольная, абсолютные отметки его положения изменяются в пределах первых метров.

По границам выклинивания водоносного горизонта были заданы граничные условия II рода - непроницаемые границы их конфигурации определялись линиями тектонических разломов. На западной и северной границах модели для пятого пласта были заданы границы с постоянным напором. При этом предполагалось, что с западной границы модели осуществляется приток подземных вод в усть-давыдовский горизонт с водораздельной площади (на основании данных о высоких отметках уровней подземных вод по скважинам на западной границе), а на северной - отток в сторону Борисовского участка (на что указывают низкие отметки уровней в скважинах). В дальнейшем, при решении прогнозных задач, были заданы граничные условия II рода в 5 м слое, соответствующие расходу подземных вод на этой границе, поступающему с водораздельного пространства на западе.

Практически вся пойма р. Раздольная заболочена. На этом участке, а также в местах заболачивания в нижней части долин малых рек были заданы дрены, которые воспроизводили разгрузку подземного потока в озера и болота вдоль тылового шва поймы.

Инфильтрационное питание принималось равным примерно 20% от среднемноголетней суммы атмосферных осадков - 125 мм/год. В дальнейшем, были выделены зоны, по которым задавались различные величины инфильтрации, в зависимости от водности года. Со склонов базальтового плато атмосферные осадки рассредоточенным стоком преимущественно поступают ниже, в долины. В связи с этим на высоких абсолютных отметках, крутых склонах инфильтрационное питание уменьшено до 50 мм/год. А по долинам малых рек, где во время многоводных лет, паводков и тайфунов происходит затопление этих долин, инфильтрационное питание задавалось разным по времени - в маловодные годы- 100 мм/год, а в многоводные годы -300 мм/год.

В таблице 2 приведена балансовая характеристика геофильтрационной модели Раздольненского участка для среднемноголетних гидрогеологических и климатических естественных условий. Суммарная инфильтрация на уровень

грунтовых вод на площади локальной модели 240 км2 составила 60.5 тыс. м3/сут или 700 л/сек. Средний площадной модуль инфильтрации -

2.9 л/сек. км2.

Таблица 2.Баланс геофилыпрационной модели в естественных условиях

Статьи баланса, тыс м3/сут Слой 1 Слой 3 Слой 5 Суммарно

Приток Отток Приток Отток Приток Отток Приток Отток

Инфильтрация 31.3 0.0 27.4 0.0 1.9 0.0 60.5 0.0

Реки 11.3 48.1 0.0 0.0 0.0 0.0 11.3 48.1

Площадная разгрузка 0.0 44.4 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 44.4

С границ 1-ого рода 0.0 0.0 0.0 0.0 31.8 11.1 31.8 11.1

Вертикальный, вниз 54.8 4.9 30.6 8.1 0.0 0.0 0.0 0.0

Вертикальный, вверх 0.0 0.0 4.9 54.8 8.1 30.6 0.0 0.0

Суммарно 97.4 97.4 62.9 62.9 41.8 41.8 103.6 103.6

Потери поверхностного стока рек в естественных условиях оцениваются величиной 11.3 тыс. м3/сут (131 л/сек). Большая часть водных ресурсов разгружается в реки (48.1 тыс. м3/сут, что составляет 46 %) и в виде площадной разгрузки (44.4 тыс. м3/сут -43 %).

Таким образом, суммарная разгрузка подземных вод на модели равна 92.1 тыс. м3/сут, что соответствует величине суммарного подземного стока, оцененной в ходе работ 1982 г (подземный сток, вместе с разгрузкой в пойму р. Раздольная для года нормальной водности оценивался в 90 тыс. м3/сут,). По отдельным водосборным бассейнам величины разгрузки подземных вод в малые реки имеют тот же порядок, что и величины подземного стока 50% обеспеченности.

Приток с водораздела в усть-давыдовский водоносный горизонт составляет 31.8 тыс. м3/сут, а отток по северо-западной границе 11.1 тыс. м3/сут, то есть приходная часть за счет границы I рода равна 20.7 тыс. м3/сут, около 20% общего баланса.

Калибрация модели проводилась путем решения серии обратных задач -воспроизведение стационарного естественного потока поочерёдно с воспроизведением на полученной модели режима групповых откачек. Для нестационарных задач использовались результаты, полученные в ходе групповых откачек в 1982 г. При этом были уточнены граничные условия модели, значения, фильтрационных параметров продуктивной и питающих толщ, данные инфильтрационного питания, параметры взаимосвязи водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами. После того, как разработанная численная модель была признана не противоречащей имеющимся данным по всем контролируемым показателям - положению и уклонам уровней подземных вод, величине разгрузки в водотоки и водоёмы, а также динамике и величине понижений, полученных при групповых опытных

опробованиях, она была принята за основу для постановки прогнозных гидрогеологических задач.

ОБОСНОВАНИЕ ФОРСИРОВАННОГО ВОДООТБОРА НА МОДЕЛИ РАЗДОЛЬНЕНСКОГО УЧАСТКА

Прогнозные задачи, учитывали предельно жесткие возможные случаи повторения маловодных лет. Постановка задач исходила из ряда наблюдений по Приморских метеостанциям за период 70 лет. Критические ситуации маловодных лет прослеживаются регулярно, маловодные годы наблюдались в 1937, 1945, 1953, 1967, 1969, 1973, 1977, 1992, 1997, 2003 гг. Сумма осадков за год в эти маловодные годы, по разным метеостанциям составляла от 370 до 500 мм в год. Последним маловодным был 2003 год, когда объем водохранилищ снизился до 30%. Таким образом, основываясь на периоде наблюдений, превышающим 70 лет, можно прогнозировать, что повторяемость маловодных лет составляет в среднем раз в 4-7 лет, экстремальная повторяемость - раз в 3 года. Прогнозные задачи учитывали наихудшую климатическую ситуацию, когда маловодные периоды повторяются два года подряд. Было решено две основные задачи.

1) С равномерным водоотбором в количестве 124,5 тыс. м3/сут, утвержденных ранее ЭЗПВ. Этот вариант предусматривал возможность перехода водозабора в форсированный режим эксплуатации и для него была выполнена оптимизация водоотбора, по сравнению с предыдущей схемой водозабора.

2) С форсировано-восстановительным режимом работы водозабора. Начиная с осени маловодного года, производится перевод Раздольненского водозабора в режим форсированной эксплуатации с суммарным водоотбором 250 тыс. м3/сут на 1 или 2 года. После этого в течение 2-х или 4-х лет необходим сниженный (восстановительный) водоотбор для приведения величины среднемноголетнего водоотбора к эксплуатационным запасам подземных вод месторождения (среднемноголетнее значение 124.5 тыс. м3/сут равно сумме утверждённых запасов). Для этой задачи было выполнено два основных варианта:

2А С шестилетним повторяющимся циклом (два года подряд форсированного режима - 250 тыс. м3/сут и четыре последующих -восстановительный период по 61.75 тыс. м3/сут,

2Б С трёхлетним повторяющимся циклом форсированного водоотбора (один год форсированного режима с отбором 250 тыс. м3/сут и два последующих - восстановительный период с отбором 61.75 тыс. м3/сут).

Таким образом, рассматривались предельно жесткие возможные случаи повторения маловодных лет (два года подряд и повторение раз в три года). Соответственно, все реально возможные варианты являются лучшими вариантами (меньшее количество и повторяемость маловодных периодов,

требующих форсированного режима).

Для обоснования возможности форсировано-восстановительного режима была оценена достаточность и изменение роли и величины различных балансовых составляющих водоотбора в многолетнем разрезе при равномерном водоотборе 124.5 тыс. м3/сут, при интенсификации водоотбора в маловодные годы до 250 тыс. м3/сут и последующем снижении в многоводные годы.

Основными источниками формирования эксплуатационных запасов на Раздольненском участке являются:

- подземный сток, формирующийся в пределах участка за счет инфильтрации атмосферных осадков и разгружающийся в русла и поймы рек;

- поверхностный сток малых рек, формирующийся в пределах их водосборных бассейнов, превышающих площадь участка;

- емкостные запасы продуктивной водоносной толщи.

В таблице 3 приведены составляющие баланса подземных вод и их изменения во времени для года нормальной водности, с равномерным водоотбором (вариант 1), для маловодного года, когда водозабор работает в форсированном режиме (вариант 2Б форс) и для многоводного года, когда водозабор работает в восстановительном режиме (вариант 2Б восст).

Инфильтрационное питание для естественных условий, по всей территории модели составляет 60.5 тыс. м3/сут. В маловодный год, оно составляет 54.5 тыс. м3/сут, а в многоводный достигает 66.4 тыс. м3/сут.

Таблица 3 Изменение балансовых характеристик модели

Статьи баланса, тыс.м3/сут Естественные условия Вариант 1

Приток Отток Привлечение ресурсов

Приток Отток Приток Отток Итого

Инфильтрация 60.5 0.0 60.5 0.0 0.0 0.0 0.0

Реки 11.3 48.1 47.1 13.5 35.8 34.5 70.3

Площадная разгрузка 0.0 44.4 0.0 11.4 0.0 33.0 33.0

Емкостные запасы 0.0 0.0 21.3 0.0 21.3 0.0 21.3

Скважины 0.0 0.0 0.0 124.5 0.0 -124.5 -124.5

Границы Н-ого рода 31.8 11.1 31.8 11.1 0.0 0.0 0.0

Суммарно 103.6 103.6 160.6 160.6 57.1 -57.0 0

Статьи баланса, тыс.м3/сут Вариант 2Б форс

Приток Отток Привлечение ресурсов

Приток Отток Итого

Инфильтрация 54.6 0.0 -6.0 0.0 -6.0

Реки 47.1 13.0 35.8 35.1 70.9

Площадная разгрузка 0.0 11.8 0.0 32.6 32.6

Емкостные запасы 152.5 0.0 152.5 0.0 152.5

Скважины 0.0 250.0 0.0 -250.0 -250.0

Границы П-ого рода 31.8 11.1 0.0 0.0 0.0

Суммарно 285.9 285.9 182.3 -182.3 0.0

Статьи баланса, тыс.м3/сут Вариант 2Б восст

Приток Отток Привлечение ресурсов

Приток Отток Итого

Инфильтрация 66.4 0.0 5.8 0.0 5.8

Реки 39.5 16.8 28.2 31.2 59.3

Площадная разгрузка 0.0 13.4 0.0 31.0 31.0

Емкостные запасы 10.8 45.4 10.8 -45.4 -34.6

Скважины 0.0 61.8 0.0 -61.8 61.8

Границы Н-ого рода 31.8 11.1 0.0 0.0 0.0

Суммарно 148.5 148.5 44.9 -44.9 0.0

По данным моделирования на конец прогнозного периода (25 лет) привлечение поверхностного стока рек составляет 34.5 тыс. м3/сут для постоянной работы водозабора в равномерном режиме и 35.1 тыс. м3/сут для работы водозабора в форсировано-восстановительном режиме (в год форсированного водоотбора).

Разгрузка подземных вод в реки, которая в естественном состоянии достигает 48 тыс. м3/сут, сокращается - для равномерного водоотбора до 13.5 тыс. м3/сут, при форсированном водоотборе до 13.0 тыс. м3/сут. Общий ущерб речному стоку (за счёт сокращения разгрузки и привлечения поверхностного стока) при постоянной работе водозабора в равномерном режиме составит 70.3 тыс. м3/сут, а в последний год форсированного водоотбора составит 70.9 тыс.м3/сут. Еще около 33 тыс. м3/сут составляет сокращение стока в болота и дрены, преимущественно в пойме р. Раздольной.

Таким образом, общая сумма уменьшения разгрузки и привлечения поверхностного стока на 25-м году работы водозабора составляет порядка 103 тыс. м3/сут как при работе водозабора в сЬорсировано-восстановителъном режиме, так и при работе в равномерном режиме.

Сокращение стока в реки на конец расчётного срока эксплуатации нигде не превышает их расхода 95% обеспеченности, т.е. полностью обеспечено величиной среднегодового поверхностного стока.

В данных природных условиях при расчете водозабора вследствие большой регулирующей емкости можно рассматривать не минимальное, а среднегодовое расчетного года и даже среднемноголетнее питание подземных вод. В то же время, для оценки величины сокращения стока рек следует рассматривать среднегодовой меженный сток лет и меженных периодов низкой водности. Привлекаемая величина поверхностного стока, после первого года работы водозабора является практически постоянной. Привлечение подземного стока увеличивается в течение эксплуатации водозабора, но когда в результате понижения уровня продуктивного водоносного горизонта происходит отрыв уровня подземных вод от дна мелких рек, привлекаемая величина ресурсов из рек перестает изменяться. Протяженность участков русел рек, где происходит

Перехват разгрузки подземных вод в пойму

Рис. 3. Изменения балансовых составляющих водотбора во времени при равномерном и форсировано- 0 восстановительном режимах работы.

отрыв уровня, постепенно увеличивается. В настоящее время сток в малых реках в январе-феврале практически отсутствует из-за перемерзания русла, а в остальные зимние месяцы, к которым можно отнести также и март, составляет менее 2% среднегодового стока, т.е. также очень незначителен. Таким образом, поверхностный сток в малых реках отмечается в течение 8 месяцев в году. Влияние водоотбора приведёт к увеличению периода отсутствия стока в реках в маловодные годы (при отсутствии осенних тайфунов) до 6 месяцев, с сентября по март. В годы средней водности сентябрьский поверхностный сток по всем рекам в несколько раз превышает величину рассчитанного ущерба, т.е. период отсутствия стока в такие годы составит 4.5 - 5 месяцев. При сохранении водоотбора в среднемноголетнем значении ущерб речному стоку, близок для разных вариантов эксплуатации и практически не изменился по отношению к оценке запасов в 1983 г. Переход от равномерного режима водоотбора к форсировано-восстановительному практически не меняет влияния работы водозабора на бассейн реки Раздольная.

Сработка емкости при равномерном режиме работы водозабора происходит все время (рис.3). 25»

В первый год емкостными запасами подземных вод обеспечивается более 60% водоотбора (76 тыс. м3/сут), к пятому году доля емкостных запасов в балансе водоотбора уменьшается до 40%, а к концу расчетного срока эксплуатации снижается до 18% (22 тыс. м3/сут). При работе водозабора в форсировано-восстановительном режиме в годы форсированного водоотбора отбирается 250 тыс. м3/сут, и за счет сработки емкости обеспечивается от 150 до 190 тыс. м3/сут водоотбора, то есть 76% в первый год работы водозабора в форсированном режиме и 60% в последний год. Во время работы водозабора в восстановительном периоде происходит частичное восполнение сработанной емкости, в первые годы это восполнение составляет не более 10 тыс. м3/сут, а в

последние годы работы водозабора достигает 36 тыс. м7сут. Таким образом, большая емкость продуктивного водоносного горизонта позволяет в маловодные годы срабатывать емкостные запасы, а в многоводные обеспечивается естественное восполнение сработанных запасов.

При работе водозабора в форсировано-восстановительном режиме, меняется только амплитуда колебания положения уровней, а сами величины, в среднем, остаются теми же, что и при равномерном водоотборе.

При работе водозабора в форсировано-восстановительном режиме, меняется только амплитуда колебания балансовых составляющих, а сами величины, в среднем, остаются теми же, что и при равномерном водоотборе (рис.4).

Понижения уровня, при сохранении водоотбора в среднемноголетнем значении близки для разных вариантов форсировано-восстановительного водоотбора, отличаются только амплитуды колебания.

ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ вод

РАВНОМЕРНЫЙ ВОДООТБОР

ФОРСИРОВАННО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ВОДООТОБОР

РАСХОД ВОДОЗАБОРА

РАВНОМЕРНЫЙ ВОДООТБОР

— ФОРСИРОВАННО-ЙОССТАНО-ВИТЕЛЬНЫЙ ВОДООТОБОР

Рис. 4. Понижения уровня подземных вод при разных режимах работы.

Разница в динамических уровнях для форсированного и штатно-равномерного режима составляет от 4 до 11 метров. Амплитуда колебаний уровней в периоды форсированного и восстановительного режима составляет от 3 - 5 м в верховьях р. Б. Кедровка, до 10-16 на остальной территории месторождения.

Расчётные понижения уровней на период их максимального снижения повсеместно меньше величины допустимых понижений уровня. Наибольшие понижения прогнозируются в районе долины Б. Кедровка, где мощность водовмещающих отложений достигает 200 м. На основном водозаборном ряде, понижения составляют около 30 м, что обеспечивает остаточную обводнённую мощность пласта не менее 20 м.

Снижение уровней подземных вод происходит за счёт сработки ёмкости основного эксплуатируемого горизонта. В восстановительный период после форсированной эксплуатации снижение уровней существенно замедляется и происходит их частичное восстановление. Данные расчетов показали, что при сохранении водоотбора в среднемноголетнем значении - и понижения уровней и ущерб речному стоку, близки для разных вариантов.

Для реализации форсированного режима эксплуатации институтом «Росэкострой» совместно с ЗАО «ГИДЭК» в 2008 г. был разработан соответствующий проект освоения Раздольненского участка. В настоящее время реализуется данный проект, пробурены эксплуатационные скважины I очереди освоения. Всего для обеспечения форсированного режима отбора к ранее запроектированным эксплуатационным скважинам (42 рабочих и 6 резервных) было добавлено 30 скважин. При этом удлинение водозаборного ряда составило всего 1.5 км, а увеличение водоотбора проектировалось в дополнительных скважинах, расположенных между проектными скважинами водозабора схемы 1983 г., часть из которых к тому времени была пробурена.

Величины водоотбора при равномерном и при восстановительном режиме работы водозабора будут достигаться попеременной работой скважин. Был разработан технический регламент работы водозабора. Для того чтобы избежать резких скачков водоотбора, предлагается поочередное включение скважин в работу с использованием автоматических систем включения — отключения скважин для регулировки водоотбора и его приведения к среднему значению по всему водозабору. Проект «Водоснабжение г. Владивостока и других населенных пунктов Приморского края из подземных источников Пушкинского месторождения» прошел государственную экспертизу, была составлена рабочая документация и частично реализован. В настоящее пробурены эксплуатационные скважины I очереди освоения.

Результаты моделирования полностью подтвердили высказанное ранее предположение о решающей регулирующей роли усиления сработки емкости пласта в обеспечении форсированного водоотбора и возможности ее восполнения в периоды восстановительного режима. Решающим для обоснования возможности форсированной эксплуатации месторождения и пределов возможного повышения водоотбора является наличие регулирующей емкости водовмещающих пород, ее объем и возможный регламент сработки.

Таким образом, оптимизация водного баланса с помощью форсированного водоотбора наиболее эффективна при наличии большой регулирующей емкости водоносных отложений. Это позволяет увеличивать водоотбор из подземных источников в маловодные периоды, а снижение водоотбора в многоводные обеспечивает естественное восполнение сработанных при форсированном водоотборе запасов подземных вод. Для решения проблемы водоснабжения г.Владивосток предложен вариант совместного использования подземных и поверхностных вод с различным соотношением водоотбора из этих источников в маловодные и многоводные периоды. Перевод водозабора Раздольненского участка Пушкинского месторождения с равномерного режима работы на форсированный позволяет в 2 раза увеличить водоотбор в маловодный период и решить проблему водоснабжения Владивостока без освоения удаленного участка Пушкинского месторождения подземных вод - Борисовского.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При разработке систем управления водными ресурсами, комплексных схем их использования и охраны, методики разведки и оценки запасов подземных вод водозаборы подземных вод при их использовании совместно с поверхностными, могут быть подразделены по следующим основаниям:

• по режиму эксплуатации;

• по размещению относительно бассейнов поверхностного стока;

• по условиям взаимосвязи поверхностных и подземных вод продуктивного водоносного горизонта.

Предложенная типизация систем совместного использования учитывает широкий спектр таких систем и позволяет выбрать и обосновать оптимальный вариант использования располагаемых водных ресурсов и управления соотношением забора поверхностных и подземных вод в периоды разной водности при эксплуатации.

Решение проблемы водоснабжения г. Владивосток возможно за счет форсированного водоотбора из подземных вод при их совместном использовании с поверхностными водами. Предложенный вариант комплексного использования подземных и поверхностных вод с различным соотношением водоотбора из этих источников в маловодные и многоводные периоды повышает водобеспеченность и позволяет отказаться от освоения других участков и месторождений подземных вод.

Подобное совместное использование подземных и поверхностных вод , с применением форсированного водоотбора может применяться там, где ситуация отвечает следующим условиям.

1. Поверхностных вод недостаточно для удовлетворения потребности в воде в маловодные периоды, а выявленные запасы подземных вод, рассчитанные для равномерного режима эксплуатации, недостаточны для покрытия дефицита в годы экстремально низкой водности и требуют реализации форсированного режима эксплуатации.

2. Условия формирования выявленных запасов подземных вод позволяют существенно повысить водообеспеченность населенных пунктов за счет режима форсированной эксплуатации.

3. Баланс подземных вод позволяет решать задачу о форсированном режиме отбора подземных вод за счет более полного периодического использования емкости продуктивных и питающих водоносных горизонтов.

4. Источники формирования запасов подземных вод достаточны для восполнения сработанной их части, а использование поверхностных источников водоснабжения в многоводные годы позволяет снизить водоотбор из подземных.

На примере водоснабжения г. Владивосток показано, что при совместной эксплуатации поверхностных и подземных вод одним из оптимальных решений является схема совместного использования, где водозаборы из поверхностных

и подземных источников располагаются в разных водосборных бассейнах. Это позволяет эффективно использовать водные ресурсы в маловодные периоды.

Реализация проекта форсированного режима эксплуатации для водоснабжения г. Владивосток позволяет решить проблему водоснабжения города в маловодные периоды без освоения удаленного участка Пушкинского месторождения подземных вод - Борисовского. Также успешный опыт реализации проекта форсированного режима эксплуатации для водоснабжения г. Владивосток позволяет рассмотреть возможность аналогичных подходов при решении задач ликвидации дефицита водообеспеченности для других городов.

Основные положения диссертации опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Боревский Б.В., Козак Н.С. Типизация комбинированных водозаборных систем при совместном использовании подземных и поверхностных вод // Разведка недр 2014 №5 с 51-55.

2. Боревский Б.В., Козак Н.С., Черняк А.Г. Повышение водообеспеченности г.Владивостока за счет использования подземных вод в маловодные периоды при форсированном водоотборе. //Водные ресурсы. 2012 №6 с 608-623.

3. Ершов Г.Е., Козак Н.С.Специфика гидродинамического моделирования форсированного режима эксплуатации водозабора на Раздольненском участке Пушкинского месторождения. // Разведка недр. 2010 №10 с.32-37.

В других изданиях:

1. Козак Н. С. Математическое моделирование форсированного режима эксплуатации водозабора на раздольненском участке с целью повышения водообеспеченности г. Владивостока. // Материалы Научной конференции СПбГУ Комплексные проблемы гидрогеологии. (СПбГУ. 2011) с.84-86.

2. Козак Н. С. Комбинированное использование ресурсов подземных и поверхностных вод для водоснабжения г. Владивосток с обоснованием форсированного режима эксплуатации в маловодные периоды. //Материалы Международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии» («ВСЕГИНГЕО», п. Зеленый, Московская область, 2011) с. 107-118.

3. Боревский Б.В., Ершов Г.Е., Козак Н. С., Черняк А.Г. Решение проблемы водоснабжения Г.Владивостока в чрезвычайных ситуациях в маловодные годы за счет форсированного режима эксплуатации Пушкинского

месторождения подземных вод. //Материалы XIX совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока Тюмень, 2009 с.205-208.

4. Козак Н.С., Черняк А.Г. Гидрогеологическое обоснование для проекта строительства водозабора подземных вод Раздольненского участка с целью водоснабжения г.Владивосток при равномерном и форсированном режимах эксплуатации. // V Общероссийская конференция. «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» Москва. 2009 с.88-93.

Отпечатано в издательско-полиграфической фирме ЗАО «Лика» Россия, Москва, 105203, ул. Нижняя Первомайская, д. 47 Тел.:(495)465-1154; Факс:(495)465-4769 www.licka.ru; e-mail: likal28@yandex.ru Заказ № 627 Подписано в печать 19.12.2014 Усл. п.л. 2 Формат (60x84) 1/16. Тираж 150 экз.