CC BY
62
© А.Н. Рюмин, В.П. Жариков, 2004
УДК 622.014.3:502.76
А.Н. Рюмин, В.П. Жариков
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ РАЗРЕЗА «САРТАКИ» И УРОПСКОГО ВОДОЗАБОРА г. БЕЛОВО
Семинар № 1
Уропский водозабор является одним из основных водозаборов, обеспечивающих г.Белово питьевой водой (средний дебит водозабора 20-20 тыс. м3/сут, рис. 1). Почти одновременно с введением водозабора в работу (1969 г.) с 1971 г. и по 1997 г функционировал Уропский гидроотвал, складировавший вскрышу расположенного в 2-х км западнее водозабора Сартаковского участка Колмого-ровского разреза ПО Кемеровоуголь на территорию депрессионной воронки Уропского водозабора (рис. 2). В исследованиях института ВНИМИ, посвященных вопросам формирования подземного стока к водозабору, дважды, в 1977 г. и в 1990-1992 гг., принимали участие авторы публикации в тесном сотрудничестве с местными специалистами.
Вопрос о формировании стока подземных вод к водозабору находился в центре внимания в период, предшествующий началу интенсивной отработки запасов угля на Сартаковском разрезе, расположенном вдоль западной границы выходов юрских водоносных отложений, дренируемых Уропским водозабором (УВ). В 1977 г. горные работы на Сартаковском участке по верхнему пласту I вышли на абс. отметку 200 м. К этому же времени динамические уровни водозаборных скважин УВ достигли своего низшего положения и составили 190 м-200 м абс. Сформировавшаяся под влиянием водоотлива УВ воронка депрессии повторяла очертания долины р.Черновой Уроп и ее притоков (р. Никишихи и Арсенихи). Расчет водо-притока к УВ Q по формуле Q = 2LRw для ин-фильтрационного потока ширинрй L = 2 км, нормой инфильтрации w = 0,04 м/год, с радиусом питания R = 45 км приводил к нереальной ситуации: для существования такого потока необходимо было иметь проводимость водоносного горизонта (в.г.) на порядок выше полученной при разведке. Для того, чтобы прояс-
нить вопрос о гидравлической связи пород пермского и юрского комплексов вкрест простирания структуры, при разведке Уропского угольного месторождения в 1966-1969 гг. были выполнены откачки из 5 гидроузлов и из 6 спаренных скважин, оборудованных фильтрами на разную глубину. Общим для перечисленных откачек явилось крайне неудачное размещение наблюдательных скважин вкрест простирания структуры, в результате чего, например на ГУ-
5 при наличии 3 центральных и 31 наблюдательной скважины в период откачки с дебитом 50-150 м3/час лишь в 5 наблюдательных скважинах, размещенных по простиранию структуры, были зафиксированы заметные снижения уровней подземных вод, а в остальных пьезометрах, изолированных от юрского водоносного комплекса относительным водоупором, понижения уровней оказались сопоставимыми с сезонным снижением уровней подземных вод. Подобная картина наблюдалась и на других ГУ. Характерно, что автор отчета о проделанных опытах, П.И. Зеленовский, в выводах тем не менее отметил, что результаты работ подтвердили схему фильтрации, базирующуюся на представлении о наличии 100-метровой зоны осадочных пород в качестве единого трещиноватого комплекса. Это ошибочное положение, в последующем канонизированное в работах ПО «Запсибгеология», принесло немало вреда, внеся путаницу в представление о схемах фильтрации пластовых вод пермских и юрских водоносных горизонтов, распространенных в Кузбассе.
Конечно, в слоистой анизотропной толще невозможно опробовать и контролировать работу каждого слоя в отдельности, да еще и по площади распространения этих слоев. Неизбежен для практики прием осреднения параметров путем объединения группы слоев в пачки, однородно работающие относительно водоза-
борных скважин, рельефа и гидрографии. Однако при этом нельзя забывать, что проводимость водоносных комплексов, определяемая с помощью наблюдений за реакцией на возмущение, характеризует гидравлические свойства в координатах, ориентированных параллельно слоистости. Попытки вынести систему координат на горизонтальную плоскость в случае наклонного залегания слоев связаны с потерей информации об анизотропии, что неизбежно приводит к погрешностям в построении адекватной схемы фильтрации в комплексе слоистых пород.
Как и всякая неидеальная система, пласто-во-поровая и пластово-трещинная среда не является идеальным водоупором в направлении вкрест слоистости, однако интенсивность водообмена, способствующая проработке имеющихся трещин, резко убывает в анизотропной среде как с увеличением глубины, так и с удалением от базиса дренажа.
Поэтому, очевидно, если принять во внимание убывающую с глубиной интенсивность питания водоносных горизонтов, то схему пласта-полосы, приуроченной к долине водотока следует дополнить, введя в пределах полосы (долины) величину нормы инфильтрационного питания, соответствующую суммарной инфильтрации по всей площади водосбора, т.е., например, для р. Черновой Уроп, имеющей среднюю ширину между водоразделами около
6 км, w = 0,12 м/год вместо 0,04 м/год. Однако и при таком питании сток только в пределах полосы при L = 2 км, w = 0,12 м/год, R = 15 км при проводимости Т = 200 м2/сут может быть равен только трети от расхода водозабора (около 6000 м3/сут). Для того, чтобы получить по такой полосе реальный расход УВ Q = 20000 м3/сут, необходимо в пределах упомянутой полосы иметь дополнительную инфильтрацию, превосходящую подземный склоновый сток.
В таком варианте рассредоточенная инфильтрация по площади 1,2 км2 с интенсивностью wд = 8,4-10'3 м/сут (3 м/год) обеспечивает расход 20000 м3/сут. Предполагая, что в общем балансе водопритока около 30 % (те самые 6000 м3/сут) обеспечены естественным подземным стоком, получим, что инфильтрация из пруда Сартаковского гидроотвала составляет около 14000 м3/сут, что при площади пруда около 5 км2 дает wд = 3-10'3 м/сут =1,08 м/год. Полученные ВНИМИ оценки использования пруда-отстойника и накопителя в качестве тех-
ногеннного источника питания подземных вод сокращают площадь инфильтрации примерно вдвое, т.е. = 2,16 м/год = 6-10'3 м/сут, что
при среднем градиенте вертикального потока 0,2 соответствует средней проницаемости отложений накопителя к0= 0,03 м/сут. Летом дополнительная инфильтрация идет за счет оборотной воды, а зимой за счет осушения верхней части гидроотвала.
В случае, если водоотдача рыхлых водонасыщенных отложений гидроотвала в зимний период ^ = 0,2, то для получения необходимого для УВ питания подземных вод, дабы дебит УВ не снижался, толща гидроотвала должна сдренироваться за зиму на величину Б = 6 м. Это-максимальная оценка, поскольку при Б> 5 м в осушение будет вовлекаться и площадь пруда-накопителя оборотной воды, расположенного выше по течению реки. В 1991-92 гг. была зафиксирована амплитуда зимнего спада уровня около 1,5 м, хотя есть основания сомневаться в значении минимального уровня, поскольку замер проведен в апреле, когда снег уже начал таять.
Как было установлено в [2] путем анализа данных режимных наблюдений за уровнями подземных вод, проводившихся вплоть до 1990 г. силами ПО «Запсибгеология», несмотря на некоторый разброс амплитуд, по признаку тенденции изменения среднегодовых уровней наблюдательные скважины (НС), работавшие в зоне совместной работы УВ и гидроотвала, могут быть подразделены на 2 группы - группа т.наз. естественного режима с амплитудами колебаний уровней подземных вод от 2 до 4 м и с отсутствием устойчивых периодов с преобладанием плюсовой (минусовой) тенденции, и группа скважин т. н. техногенного режима с амплитудами от 4 м до 40 м и с достаточно длительными (более 2-4 лет) периодами с тенденцией подъема (спада) уровней подземных вод. К первой группе относятся 9 скважин, расположенных либо высоко на склонах либо в периферийной части площади депрессионной воронки, причем некоторые из них вскрывают разрез пермских отложений, залегающих ниже подошвы юрского в.г., дренируемого УВ. Ко второй группе из 13 скважин относятся наблюдательные скважины, расположенные в долинной части р. Черневой Уроп и речки Никитиха, вскрывающие юрский водоносный комплекс. Скважины второй группы, естественно, давали более ценную с точки зрения расшифровки источников питания Уропского водозабора ин-
формацию, однако нельзя умалить и роль периферийных НС, сигнализировавших о наличии стабильных границ депрессионной воронки в рамках юрского литологического комплекса. Это первое и очевидное их достоинство, а менее очевидным является то, что с их помощью можно было эталонизировать колебания уровней подземных вод по фактору изменений интенсивности подземного стока за счет инфильтрации атмосферных осадков. Так, отсутствие на графиках уровней скважин первой группы тенденции к подъему в период 1985-1990 гг., свидетельствовало, на наш взгляд, против версии о решающем влиянии водности года на многолетний подъем уровней, отмеченный в тот же период в скважинах второй группы (если, конечно, исключить возможность резкого различия фильтрационных свойств суглинков в зоне развития пермских и юрских пород- о таком различии в Кузбассе до сих пор никто ничего не знает, да и литологический состав пород перми и юры в Уропском районе отличается не слишком существенно -преобладают мелкозернистые песчаники и алевролиты). Альтернативная версия объяснения физической природы подъема уровней НС с 1984 г. по 1988-1989 гг. [2] заключается в том, что вследствие подъема уровней в юрском в.г. севернее водозабора, вызванного увеличением объема инфильтрации из Сартаков-ского гидроотвала, особенно зимой, в период истощения запасов в.г., в области стока подземных вод произошло перемещение границы с постоянным напором ближе к Уропскому водозабору. Увеличение инфильтрации из Сарта-ковского гидроотвала было вызвано тем, что мощность намывных отложений достигла к этому времени некоторой критической величины, позволяющей аккумулировать объем воды, достаточный для зимнего питания Уропского водозабора.
Площадь расположения водозаборных скважин Уропского водозабора, охарактеризованная депрессионной воронкой, составляет около 25 км2. Это учитывая зоны р. Черновой Уроп и р. Никитихи. Эти 2 водотока служили ранее естественными дренами юрского водоносного комплекса, собирая с водозаборной площади 500 м3/ч и 300 м3/ч подземного стока (12 тыс. м3/сут и 4,8 тыс. м3/сут), соответственно, в средний по водности год.
Поток подземных вод, ранее дренировавшийся в русло р. Никитиха, перехватывается скважинами 169,139 и 139а с суммарным деби-
том 250 м3/час (6000 м3/сут). Поскольку и в 1969 г. и в 1991 г. градиент потока, формировавшегося на склонах р. Никитиха протяженностью 7 км составлял I = 0,04-0,05, расчетная проводи-мость, по-видимому, вкрест наслоения, составляет около 20 м2/сут.
Полученное явное несоответствие (на порядок) в значениях проводимости по данным откачек из юрского в.г. в долине и по данным НС - на водоразделе может отражать и реальную неоднородность фильтрационных свойств (за счет различной проработки трещин) и быть также следствием погрешностей, вносимых за счет перетока воды по стволу НС: поскольку НС оборудованы не на дренируемый в.г., то в них фиксируются уровни, близкие к уровням максимальным, характерным для взаимодействующих слоев.
Подземный сток по долине р. Черновой Уроп, составлявший в естественном режиме 12 тыс. м3/сут, перехвачен скважинами 168, 168а, 197, 197а, 138, 138а, отбирающими 10 тыс. м3/сут, т. е. несколько менее естественного подземного стока. Расчетная проводимость этой зоны несколько выше и составляла (при длине изогипсы 230 м, равной 5 км, градиенте I =
0.03) величину порядка Т = 20 м2/сут, что также значительно ниже, чем величина проводимости юрского водоносного комплекса Т = 200 м2/сут, полученная при опытных откачках.
Три скважины (166, 170, 166а) с суммарным дебитом 160 м3/час (4 тыс. м3/сут) отбирают сток ручья Арсениха и еще 2 скважины (205 и 192) с дебитом 100 м3/ч (2500 м3/сут) отбирают подземный сток, приходившийся на долину р. Черновой Уроп. Кроме того, начиная с 1980 г., в состав Уропского водозабора было введено еще 5 водозаборных скважин, оборудованных на пермский водоносный комплекс и расположенных в 3-4-х км юго-западнее основных скважин водозабора. Их суммарный дебит составил величину до 300-400 м3/час.
Таким образом, можно констатировать, что юрские ВС Уропского водозабора работают с дебитом, обеспеченным естественным стоком системы р. ЧерневойУроп, Степной Уроп и их притоков - р. Никитиха и Арсениха. Наличие прудов в долине р. Никитиха и гидроотвал на р. Черновой Уроп служат, в основном, регуляторами, обеспечивающими в критической ситуации инфильтрацию задержанного поверхностного стока. Первый критический период возник в середине 70-х годов, второй - в начале 80-х, когда, по свидетельству б.нач. Белов-
ского водоканала В. В. Урбана, все мелкие водотоки из года в год пересыхали из-за отсутствия осадков летом, и только емкости искусственных водоемов обеспечили скважины водой. С 1984 г. водность климата увеличилась, что привело к восстановлению уровней выше естественных; последовавший затем период 89-90 гг. характеризовался сокращением подземного стока и соответственным снижением уровней в долине р. Никитихи (т.е. сработкой статических запасов почти полностью) и в долине р. Черневой Уроп (примерно наполовину).
В этом проявилась, наряду с анизотропией слоистых пород, еще одна характерная особенность нелинейной фильтрации, сочетающей, наряду с горизонтальной, весьма существенную вертикальную составляющую. При наклонном на восток залегании юрских отложений, склоны долин малых речек, наклонные с востока на запад (западной экспозиции), имеют в естественном состоянии в подошве, т.е. в долине речки, хорошо проницаемый пласт, служащий естественной дреной для вышележащих пород. Склоны восточной экспозиции не имеют такой дрены, их дренаж осуществляется через овраги по зонам, где вскрываются относительно лучше фильтрующие слои. Вследствие этого они более пологи, поскольку устойчивость этих склонов снижена за счет влияния высоких напоров подземных вод, получающих питание на водоразделах. Региональная дрена в геологически длительный период закладывается на выходах либо на пологих перегибах наиболее проницаемых толщ. Тому яркий пример
- широкая и пологая долина небольшой речки Черневой Уроп, служащей дреной, сбрасывающей водосбор - подземный сток и паводок
- с прилежащей территории. Несмотря на то, что основной в. г. восточнее долины речки погружается на 100-200 м под относительные во-доупоры, тем не менее этот водоносный горизонт в зоне активного водообмена способен, особенно в припойменной и низкотеррассовой зоне, аккумулировать грунтовый сток приповерхностных в.г. с более низкой проницаемостью.
Ясно, что откачка, проведенная в 200метровой прибрежной зоне, показала весьма
интенсивное питание ^ = 4-10'4м/сут = 0.150 м/год) за счет перетока в этой зоне, где невелика мощность разделяющего слоя.
Таким образом, анализ гидрогеологической ситуации «вокруг» Сартаковского гидроотвала позволяет констатировать, во-первых, что на устьевую площадь р. Ч. Уроп, где размещены юрские скважины Уропского водозабора, подпор со стороны гидроотвала нейтрализовался откачкой подземных вод водозаборными скважинами, во-вторых, что выше по течению р. Ч. Уроп в 2-3 км от низовой дамбы Сартаковского гидроотвала влияние депрессионной вороники Уропского водозабора было ограничено, вследствие чего создаваемое гидроотвалом водохранилище способствовало развитию подпора грунтовых вод, заболачиванию, активизации овражной эрозии и оползней естественных склонов, в-третьих, что водохранилище и намывные отложения на площади гидроотвала способствовали в период намыва стабильной работе водозаборных скважин, сглаживая колебания уровней подземных вод, возникающие вследствие неравномерности инфильтра-ционного питания как в сезонном, так и многолетнем циклах.
Характерно,что уже спустя 2 года после прекращения намыва в 1997г дебит Уропского водозабора существенно сократился и для его восстановления потребовалось провести капитальный ремонт водозаборных скважин, существенно увеличив их водозахватную способность. К сожалению, отсутствие информации о поведении уровней подземных вод в районе Уропского водозабора не позволяет в настоящее время сделать компетентное заключение о причинах сбоев в работе водозабора, однако можно предположить, что с прекращением намыва область питания подземных вод отодвинулась к северу от тела намыва, в район пруда-накопителя.
Выводы
1. Сартаковский гидроотвал «распластанного» типа, перекрывая долину р. Ч. Уроп в ее срединном течении, существенно влияет на режим стока поверхностных и подземных вод, осуществляющегося через р. Ч. Уроп.
1969 1974 1979 1984 1989 33635 34029 34486 34639 34912 35156 35400 36130 36281 36495 36923 37316 37469
Дата
¡—♦—Суммарный дебит —«—Дебит из юрского в.1
Рис. 1. Дебит Уропского водозабора, м /час
Уропский водозабор, размещенный в устье долины р. Ч. Уроп, создает локальную депрес-сионную воронку радиусом 4-5 км и перехватывает расход подземных вод юрского водоносного комплекса, эквивалентный естественному стоку по долину р. Ч. Уроп и ее притоков.
2. Приповерхностный и подземный сток в долину р. Ч. Уроп формируется за счет атмосферных осадков и подвержен сезонным и многолетним колебаниям. Поверхностным стоком транспортируются талые и ливневые воды, подземным - инфильтрационное поглощение осадков почвами за вычетом испарения, в среднем 40 мм/год = 1,1 • 10-4 мм/сут. Подземный сток на начальном этапе имеет характер склонового стока, причем часть этого стока
(верховодка) по покровным суглинкам дренируется оврагами, секущими склоны по падению в среднем через 0,5 км, другая часть просачивается в коренные породы и по ним перебрасывается в долину речки, где развит комплекс юрских отложений повышенной проницаемости.
3. Собственно долинная часть речки Ч. Уроп (ровная пойма и низкая терраса) служит основным коллектором для вывода подземного стока за пределы водосборной площади. Наряду с высокой проводимостью пород, слагающих долину (Т = 100-400 м2/сут), эта зона характеризуется отсутствием площадного экрана, за счет чего здесь склоновый подземный и поверхностный сток трансформируется в подзем-
Рис. 2. Намыв в Уропский гидроотвал
Дата
|—— млн мЗ/год -—Всего, млн м3 Мощность намыва,м
ный подрусловый сток. Величина приведенной инфильтрации в долинной зоне на 1-2 порядка выше, чем на склонах.
4. Совместная эксплуатация Сартаков-ского гидроотвала и Уропского водозабора осуществлялась к взаимной пользе, поскольку первый создавал дополнительные ресурсы питания подземных вод, а второй ограничивал подтопление склонов и низовой части долины р. Ч. Уроп. Наращивание высоты гидроотвала при сохранении дебита Уропского водозабора может привести к развитию заболачивания прилежащих к гидроотвалу территорий, а при кольматации и уплотнении намывных пород к потере гидроотвалом своей роли регулятора подземного стока и к осложнениям с устойчивостью высоких ограждающих дамб.
5. Для того, чтобы своевременно и с минимальными затратами предотвращать возможные негативные последствия интенсификации гидроотвалообразования, в случак развития горных работ разреза «Сартаки», необходимо организовать систему контроля за гид-рогеомеханическими условиями совместной работ гидроотвала и водозабора. В качестве аналога для проведения изыскательских и научно-исследовательских работ в этом направлении рекомендуется использовать опыт работ лаборатории ВНИМИ на Бековском гидроотвале, где в течение многих лет ведется контроль за устойчивостью дамбы обвалования при ее наращивании.
6. Система контроля в случае Сартаков-ского гидроотвала должна, кроме вопросов устойчивости высоких дамб обвалования, решать также и практические задачи обеспечения дренажа территории и ритмичной работы Уроп-ского водозабора. Основой такой системы должно быть ограниченное число режимных гидронаблюдательных скважин, оборудованных дистанционными датчиками давления, а также сеть пьезометров, контролирующих уровни подземных вод в пределах воронки депрессии Уропского водозабора.
7. Для решения практических задач по созданию системы контроля и интерпретации данных наблюдений и опытных работ предприятию «Сартаки» следует изыскать возможность заключения договора с ВНИМИ, где накоплен опыт исследований в Уропском районе.
8. Предварительные рекомендации по предотвращению истощения ресурсов Уроп-ского водозабора заключается в том, чтобы провести гидрогеологическую разведку запасов подземных вод, формируемых водохранилищем Сартаковского гидроотвала. Для этого необходимо разбурить на восточном берегу долину р. Ч. Уроп выше низовой дамбы гидроотвала 5-10 водозаборных скважин, провести из них опытные откачки и наиболее дебитные скважины использовать как резерв на случай сокращения дебита скважин Уропского водозабора.
9. Аналогичный ряд водопонизительных скважин следует предусмотреть на западном пологом берегу Сартаковского гидроотвала, где их целью, наряду с приростом дебита Уропского водозабора, должно быть сокращение развития подтопления при наращивании высоты гидроотвала.
10. Вопросы загрязнения воды, откачиваемой Уропским водозабором за счет попадания в водоносные горизонты оборотной воды, используемой при намыве Сартаковского гидроотвала, в настоящей работе не исследовались, поскольку качество питьевой воды прямых нареканий не вызывает, а состав оборотных вод, исследованный ранее, близок к составу поверхностных вод района. В последующем, при наращивании дебита Уропского водозабора за счет строительства скважин, базирующихся на прямой инфильтрации оборотных вод, необходимо иметь ввиду, наряду с критерием дебитности скважин, также и критерий защищенности подземных вод слабопроницаемым экраном, исключающим чрезмерно быструю инфильтрацию.
— Коротко об авторах
Рюмин А.Н. - ВНИМИ.
Жариков В.П. - разрез «Сартаки».
