CC BY
39НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2010, №2
УДК 551.345
Моделирование гидрогеологических условий подмерзлотного водоносного комплекса для территории г. Якутска
Н.Г. Шепелев, О.В. Макогонова
Впервые для территории г. Якутска проведено аналитическое моделирование гидрогеологических условий подмерзлотного юрского водоносного комплекса. Получены модельные понижения уровня подземных вод с различными эксплуатационными дебитами скважин.
Ключевые слова: аналитическое моделирование, подмерзлотный водоносный комплекс, скважина, подземные воды, естественные ресурсы, многолетнемерзлые породы, предельно допустимые концентрации.
For the first time for territory Yakutsk the analytical modeling of hydro-geological conditions subpermafrost jurassic water-bering of a complex is carried out(spent). The modelling downturn of a level of underground waters with various operational debits of chinks are received.
Key words: the analytical modeling, subpermafrost water-bering a complex, chink, underground waters natural resources, permafrost of ground, is limiting - admitted concentration.
На территории г. Якутска пробурено порядка 80 гидрогеологических скважин, каптирующих под-мерзлотные воды. Гидрогеологические особенности подмерзлотных водоносных комплексов, распространенных на данной территории, определяются геологическими, тектоническими и геокриологическими условиями.
Глубокое промерзание земных недр способствовало образованию мощной толщи многолетне-мерзлых пород (250-450 м), которые являются региональным водоупором и определяют глубину залегания кровли водоносных пород и высокий напор подмерзлотных вод. Наличием сплошной толщи многолетнемерзлых пород объясняется затрудненное питание водоносных комплексов [2].
Подмерзлотные воды имеют достаточно низкое положение пьезометрического уровня, их значения варьируют от 82 до 163 м.
Наличие сквозного талика под р. Леной установлено в районе пос. Табага на о. Песчаный, южнее изучаемой территории. Скважиной глубиной 360,1 м пройдены талые отложения с глубины 24 м. Водовмещающие породы представлены нижнеюрскими и кембрийскими отложениями. Пьезометрический уровень подземных вод установился на глубине 4,37 м, что подтверждает тесную гидравлическую связь с поверхностными водами р. Лены. Существование сквозного подруслового талика выявлено также севернее исследуемого района у пос. Кангалассы. Пробуренные здесь скважины вскрыли кровлю водоносного комплекса батылыхской свиты нижнемеловых пород (K1bt)
ШЕПЕЛЕВ Никита Геннадьевич - аспирант ИМЗ им. П. И. Мельникова СО РАН, e-mail: shepelevnik@mail.ru; МАКОГОНОВА Ольга Валентиновна - начальник гидрогеологического отряда ЦПСЭ ГУГГП РС(Я) «Якутскгеология».
на глубинах от 8 до 45 м. Водовмещающие породы представлены переслаивающими пачками аргиллитов, песков, песчаников, которые залегают на породах верхней юры (пески). Дебит скважин колеблется от 2 до 14 л/с при сравнительно небольшом понижении (3,4-9,4 м), удельный дебит - 0,39-1,5 л/см, что свидетельствует о хорошей водообильности пород комплекса [1].
Подмерзлотные воды на исследуемой территории могут получать незначительное питание через сквозные талики за границами моделируемого района, а также за счет перетекания из нижележащих водоносных комплексов, однако доля этого питания мала и при оценке запасов не учитывается.
Водоносный юрский терригенный комплекс ^ 2) распространен в районе первым от поверхности и представлен водоносными комплексами средней и нижней юры.
Среднеюрские отложения широко развиты на территории г. Якутска и отсутствуют лишь в южной ее части. В основном они проморожены. В талом состоянии находятся в районе пос. Марха и севернее. Отложения горизонта моноклинально погружаются в северном и северо-западном направлениях под углом 1-20, постепенно увеличиваясь в мощности. Глубина залегания кровли составляет 230-250 м. Мощность обводненной толщи равна 50-60 м. Литологически водовмещающие породы представлены песчаниками. Раздельное опробование описываемого среднеюрского водоносного комплекса на территории г. Якутска не проводилось [3]. Опробование среднеюрского комплекса проведено в скважине 1-Т глубиной 500 м, пробуренной в пос. Тулагино. Водоносный средне-юрский комплекс вскрыт здесь в интервале 380500 м. Водовмещающие породы представлены
песчаниками и алевролитами. По типу фильтрации - порово-пластовые и порово-трещинные. Пьезометрический уровень установился на глубине 122,8 м. Высота напора составила 257,2 м. Дебит скважины при проведении опытной откачки равнялся 3,33 л/с при понижении на 11 м, удельный дебит - 0,3 л/см. Значение коэффициента водо-проводимости, рассчитанное по результатам восстановления уровня графоаналитическим способом, составило 32 м2/сут. По химическому составу воды хлоридно-гидрокарбонатные натриевые с минерализацией 1,53 г/дм3. По своему качеству они не отвечают требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 по содержанию фтора (12,9 мг/дм3 при ПДК 1,5 мг/дм3) и брома (0,54 мг/дм3 при ПДК 0,2 мг/дм3). При использовании подземных вод комплекса для питьевых целей необходима специальная водоподготовка.
Подмерзлотный водоносный нижнеюрский комплекс развит на всей территории г. Якутска. В пос. Марха водовмещающие отложения перекрыты талыми породами средней юры, а на остальной части - одновозрастными промороженными осадками. Минимальная мощность нижнеюрского водоносного комплекса в районе пос. Хатассы составляет 30-45 м (скв. 15-х,40-х), Птицефабрики - 95 м (скв. 4), а пос. Жатай - более 200 м. Отложения комплекса моноклинально погружаются в северном и северо-западном направлениях под углом 1-20. Глубина залегания кровли изменяется от 306 м (пос. Марха) до 415-487 м (Канадская деревня).
Водовмещающие породы литологически представлены пластами серых и коричневато-серых разнозернистых кварцево-полевошпатовых песчаников и конгломератов и тонко-мелкослюдистых песчаников, которые разделены слоями и прослоями аргиллитов и алевролитов. Все литологичес-кие разности не выдержаны по мощности и простиранию. Песчаники и конгломераты местами монолитные, водонепроницаемые, а в толще аргиллитов и алевролитов встречаются прослои повышенной трещиноватости. В связи с этим воды разных литологических подразделений нижней юры находятся в гидравлической связи и образуют единый напорный порово-пластовый и порово-трещинный водоносный комплекс [4].
В ряде скважин, расположенных в южной части рассматриваемой территории, опробование нижнеюрского водоносного комплекса выполнено совместно с верхней частью среднекембрийского водоносного комплекса. В районе пос. Хатассы и Хатасского свинокомплекса дебит скважин составил 1,71-3,5 л/с при понижениях уровня на 7,3 и 31,5 м. Значения удельных дебитов равнялись 0,050,62 л/см. Значения коэффициента водопроводи-мости варьируют от 17 до 22 м2/сут, коэффициента пьезопроводности - 0,5 105 м2/сут.
В районе Птицефабрики г. Якутска в различные годы были пробурены и опробованы гидрогеологические скважины 3058, 3053, 10011, 10014. Дебит скважин составил от 2,2 до 3,5 л/с при понижениях на 55-155 м. Удельный дебит равнялся 0,02-0,06 л/см. В большинстве скважин проведено совместное опробование нижнеюрского водоносного комплекса с верхним интервалом средне-кембрийского водоносного комплекса. В районе пос. Геологов при опробовании водоносного комплекса дебиты скважин изменялись от 1,92 до 3,03 л/с при понижении уровней на 12,2-39,3 м. Удельные дебиты колебались в пределах от 0,08 л/см до 0,15 л/см. В районе Птицефабрики нижнеюрский водоносный комплекс раздельно с кембрийским опробован по скважине 4. Водовмещающие породы здесь представлены песчаниками с небольшими прослоями алевролитов. Дебит этой скважины составил 3,03 л/с при понижении уровня на 10,18 м, удельный дебит - 0,3 л/см. Коэффициент водопроводимости составил 24 м2/сут [3].
В северной части территории водоносные комплексы нижней и средней юры образуют единую гидравлическую систему. В районе Кирзавода проведена кустовая откачка из возмущающих скважин 8 и Я-31, наблюдательная скважина Я-30. Проведено совместное опробование нижне- и среднеюрского водоносных комплексов, между которыми отсутствует водоупор. При откачке дебит скважины 8 составил 2,63 л/с при понижении на 16,4 м, удельный дебит - 0,16 л/см. Дебит скважины 31 равнялся 1,16 л/с при понижении уровня на 61,6 м (удельный дебит 0,02 л/см). Значения коэффициента водопроводимости и пьезопро-водности, определенные по результатам прослеживания уровня после прекращения откачки, соответственно равнялись 39 и 4,1105 м2/сут [4].
В 2007-2008 гг. Территориальным центром государственного мониторинга геологической среды Якутии на территории профилактория Сосновый Бор и Национального центра медицины оценены запасы подземных вод нижнеюрского водоносного комплекса. Проведена кустовая откачка из скважины 6/93 (профилакторий). В качестве наблюдательной использовалась скважина Я-41. Дебит скважины составил 1,60 л/с при понижении уровня на 20,31 м (удельный дебит - 0,078 л/см). Значение коэффициента водопроводимости по результатам восстановления уровня в наблюдательной скважине равнялось 47 м2/сут, коэффициента пьезопроводности - 2,5 105 м2/сут.
Проведена кустовая откачка из скважины Г006 (НЦМ), в качестве наблюдательной использовалась скважина 1-Я. Дебит возмущающей скважины составил 1,92 л/с при понижении на 7,17 м (удельный дебит - 0,26 л/см). Коэффициент во-допроводимости, рассчитанный по результатам восстановления уровня воды в наблюдательной
скважине 1-Я, равнялся 56 м2/сут, коэффициент пьезопроводности составил 1,7 105 м2/сут.
Глубина залегания пьезометрического уровня подмерзлотных вод изменяется от 82 м в районе Хатасского свинокомплекса до 162,75 м в районе Кирзавода. Питание нижнеюрского водоносного комплекса осуществляется за счет перетекания подземных вод из среднекембрийского водоносного комплекса, имеющего более высокое положение пьезометрического уровня, а разгрузка, вероятно, происходит в среднеюрский водоносный комплекс.
По анионному составу подземные воды гидрокарбонатные, хлоридно-гидрокарбонатные, сульфатно-гидрокарбонатные или смешанные, по ка-тионному - натриевые, солоноватые с минерализацией от 0,9 г/дм3 до 1,5 г/дм3. Качество подземных вод не отвечает требованиям СанПиН 2.1.4.1074 по высокому содержанию натрия, фтора, лития, бария. Использование подмерзлотных вод для питьевых целей возможно при снижении содержаний компонентов, превышающих предельно допустимые концентрации, до норм СанПиН 2.1.4.1074-01. В настоящее время подготовка воды ведется только на участках «Птицефабрика», «Хатас-кий свинокомплекс» и «Высшая школа музыки».
Эксплуатация юрского подмерзлотного водоносного комплекса в г. Якутске ведется с 1947 г. Режимные наблюдения за водоотбором и положением пьезометрической поверхности уровня проводилось Центральной поисково-съемочной экспедицией с 1980 г. В настоящее время на территории г. Якутска действуют пять групповых водозаборов (Хатасский свинокомплекс, Птицефабрика, ДСК, Кирзавод, Водоавтоматика) и 29 одиночных водозаборов. В различные годы величина водоот-бора составляла от 2,4 тыс. м3/сут до 3 тыс. м3/сут.
При отсутствии дополнительных источников питания подмерзлотных вод расход водозаборов формируется за счет сработки их упругих запасов. По результатам режимных наблюдений на территории города наблюдается снижение уровней подмерзлотных вод. Так, в скважине 12-Я средний уровень подмерзлотных вод за 1980 г. составлял 99,63 м, а в 2007 г. -134,27 м, т.е. сработка уровня за 27 лет эксплуатации составила 34,54 м. В скважине 31 в 1987 г. глубина залегания среднего годового уровня составляла 103,52 м, а в 2007 г. -134,09 м, т.е. понижение уровня за 20 лет составило 31,57 м. Следовательно, работа водозаборов происходит в условиях снижения естественных запасов подмерзлотных вод. При таком режиме эксплуатации их запасы оказываются обеспеченными только на ограниченный период.
Оценка запасов подмерзлотных вод на территории г. Якутска выполнена авторами ме-
тодом аналитического моделирования путем определения максимально возможных водоотборов из скважин на 25-летний период эксплуатации. Расчетная величина понижения уровня подмерзлот-ных вод ^р) в скважинах водозабора к концу периода его эксплуатации не должна превышать допустимого понижения ^д).
Примененный нами метод аналитического моделирования позволяет решать такие задачи, как оценка обеспеченности водоотбора, расчет производительности водозаборных сооружений, расчет взаимодействия с другими водозаборными сооружениями.
При создании геофильтрационной модели рассматривалась территория г. Якутска от южной границы его распространения до северной окраины пос. Марха. Площадь исследуемой территории составляет около 700 км2.
Моделируемая область представляется в виде не ограниченного в плане изолированного пласта. Практическое значение для водоснабжения г. Якутска имеет территория, расположенная с запада на восток, от Мырановой гряды до р. Лены. Оценка запасов подмерзлотных вод выполнена для блока, ограниченного с севера северной границей пос. Марха, с юга широтой расположения городского Гериатрического центра. Схема центральной части моделируемой области для юрского водоносного комплекса приведена на рис. 1.
Допустимое понижение для подмерзлотных вод определяется высотой напора над подошвой ММП, но не более 350 м (максимальная высота подъема воды серийно выпускаемыми насосами). Моделируемая область представляет собой единую гидравлическую систему, поэтому среднее допустимое понижение принято равным 156 м. Средний водоотбор за 2005-2007 гг. составил 3245 м3/сут.
Показатели наблюдений за уровнем и водоот-бором подмерзлотных вод приведены в табл. 1.
Т а б л и ц а
Значения водоотбора и понижения уровня подмерзлотных вод в режимных гидрогеологических скважинах на территории г. Якутска
Год
2005
2006
2007
Среднее
Водоотбор, м3/сут
Блок модели
3199
3226
3303
3245
Птицефабрика
436
387
331
385
Маган
300
290
258
282
Хатас. свино-ком. скв. Я-47,2Р
157
314
342
270
Средний уровень в течение года, м Понижение уровня воды за год, м
Скв.12-Я
131,81 2,47
134,27 2,46
136,82 2,55
2,49
Скв.31
129,01
3,41
131,9 2,89
134,09
2,19
2,83
Скв.34
103,73
1,23
105,93
2,2
107,4 1,47
1,63
Скв.33
146,01
1,45
147,72
1,71
148,78
1,06
1,41
1
Условные обозначения
[-ом Эксплуатационная скважина и ее номер
Режимная скважина и ее номер
□
2.6(0,6-АД5-В,0,3-С„1 5-С)
1Ш1-4.7 м:/су:г
->49*10'м'/иут
10 ' 150"
Участок с утвержденными в ТКЗ эксплуатационными запасами подземных вод. Слева у дроби - индекс геологического возраста водоносного комплекса. В числителе - общие запасы суммы категорий в тыс. м3/сут, в скобках по категориям, в знаменателе - водоотбор на определенную дату и индекс типа воды по ее использованию.
Мыранова гряда
Координатная сетка
Блок модели, его гидрогеологические параметры
Гидроизогипсы: а - установленные, б - предполагаемые Изолинии мощности ММП
Рис.1. Схема центральной части модели водоносного комплекса юрских отложений. Масштаб 1:80 000
При построении модели использованы средние значения гидрогеологических параметров: коэффициент водопроводимости - 47 м2/сут, коэффициент пьезопроводности - 2,9-105 м2/сут.
Воспроизведение на модели процесса эксплуатации с фактическими дебитами необходимо для проверки геофильтрационных параметров. При этом в модель закладывались средние дебиты за последние 3 года работающих эксплуатационных скважин блока. Расчет выполнялся на 25 лет эксплуатации. Аналитическая модель депрессионной воронки показана на рис. 2.
Модельные понижения при фактических водо-отборах сравнивались с фактическими (средними за 3 года) понижениями уровня воды в наблюдательных скважинах. Результаты приведены в табл. 2.
Результаты моделирования близки и показывают, что в режимных скважинах 12-я и 31, расположенных в центральной части моделируемой области, сходимость значений понижений уровня под-мерзлотных вод является достаточно высокой (отклонения результатов не превышают 8,25%). В скважинах 34 и 33 фактические понижения уровня меньше модельных. Это, видимо, связано с тем,
что в северо-восточной части исследуемой территории существует сквозной талик под руслом р. Лены, через который происходит питание водоносного комплекса.
Общая характеристика геофильтрационной модели подмерзлотного водоносного комплекса юрТ а б л и ц а 2 Таблица сходимости (калибровки) фактических и модельных понижений в режимных гидрогеологических скважинах (фактический водоотбор)
№ наблюдательной скважины Гидрогеологические параметры Понижение в режимной скважине, м Погреш-ность,%
модельное на 25 лет годовое фактическое среднее за 3 года
12-Я кт=47 м2/сут а=2,9*105м2/сут 69,28 2,77 2,55 8,25
31 69,09 2,76 2,83 2,47
34 65,38 2,61 1,78 46,6
33 69,07 2,76 1,41 51
3500 3422 3344 3267 31289 311 3033 2956 2878 2800 2722 2644 2567 2489 2411 2333 2256 2178 2100 2022 1944 1867 1789 1711 1633 1556 1478 1400 1322 1244 1167 1069 1011 933 856 778 700 622 544 467 389 311 233 156 78
Я-47
0 эксплуатационные
режимные
блок модели
44 89178 267 356 444 533 622 711 800 889 978 1067 1111 1200 1289 1378 1467 15561644 1733 1X7? 1411 2000
Координаты скважин Q, м3/сут Sмод, м Координаты скважин Q, м3/сут Sмод, м
X У X У
970 2160 53 68,31 1000 510 27 61,38
1330 1690 332 77,13 800 1440 97 69,86
1030 1780 9 68,69 770 1200 96 71,18
890 1780 33 68,65 830 1330 96 70,24
900 1750 79 69 73 770 1200 96 71,18
1360 1860 185 73,67 810 990 16 65
1480 2080 53 69,94 430 490 20 57,37
1430 2250 423 79,62 980 460 150 63,13
820 1580 25 68,02 1320 2640 106 72,32
1410 1930 0 69,09 1380 2490 105 71,94
1740 2180 0 65,38 1370 2870 0 69,07
1030 1520 40 69,89 1500 2640 170 72,87
1040 1510 0 69,28 1490 2720 23 69,53
1060 1480 50 70,18 1370 2800 522 81,61
1300 1420 10 67,92 1390 2850 167 73,08
1080 1180 683 85,22 1380 2670 148 73,66
1070 1080 29 68,86 330 2570 283 68
960 700 119 64,87
44 89178 267 356 444 533 622 711
Скважины Я-47 О
эксплуатационные
блок модели (}- эксплуатационные запасы в блоке
Координаты скважин Q, м3/сут Sмод, м Координаты скважин Q, м3/сут Sмод, м
X У X У
970 2160 450 157,2 1000 510 27 123,5
1330 1690 400 157,0 800 1440 97 145,0
1030 1780 250 155,2 770 1200 96 142,0
890 1780 250 154,3 830 1330 96 143,8
900 1750 250 154,7 770 1200 96 142,0
1360 1860 400 157,9 810 990 16 133,2
1480 2080 400 156,8 430 490 35 118,2
1430 2250 423 158,7 980 460 150 125,0
820 1580 300 152,1 1320 2640 300 156,2
1410 1930 0 148,3 1380 2490 400 158,9
1740 2180 0 139,4 1370 2870 0 144,4
1030 1520 300 155,2 1500 2640 350 155,7
1040 1510 0 150,2 1490 2720 350 154,9
1060 1480 200 152,7 1370 2800 522 158,4
1300 1420 300 150,8 1390 2850 350 152,5
1080 1180 683 158,4 1380 2670 300 156,6
1070 1080 300 146,6 330 2570 283 134,8
960 700 119 129,6 1150 2410 400 157,2
Рис.2. Аналитическая модель расчета депрессионной воронки при работе водозаборных скважин с фактическим (а) и проектным (б) дебитами на 25 лет эксплуатации
ских отложений и сходимость модельных и фактических понижений уровней в режимных скважинах, расположенных в центральной части модели, указывают на её соответствие гидрогеологическим условиям территории. Следовательно, подобная модель может успешно использоваться при решении прогнозных гидрогеологических задач.
Литература
1. Иванова Л.Д., Ломовцева Н.С. Характеристика и распространение подмерзлотных водоносных комплексов // Подземные воды Центральной Якутии и перспек-
тивы их использования/ Отв. ред. Н.П. Анисимова. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. - С. 71.
2. Мерзлотно-гидрогеологические условия Восточной Сибири/ Шепелёв В.В., Толстихин О.Н., Пигузова В.М. и др. - Новосибирск: Наука, 1984.- 190 с.
3. Мониторинг подземных вод криолитозоны / В.В. Шепелёв, А.В. Бойцов, Н.Г. Оберман, М.Ф. Петченко и др. -Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2002. - 172 с.
4. Подземные воды Центральной Якутии и перспективы их использования / В.Т. Балобаев, Л.Д. Иванова, Н.М. Никитина и др. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2003. - 137с.
