Гидрогеодинамическое обоснование комбинированного использования водных ресурсов

4. Комбинированные водозаборные системы на репрезентативных месторождениях подземных вод в речных долинах.

В настоящей главе разработаны предложения по реализации комбинированного использования водных ресурсов на репрезентативных натурных объектах - освоенных или разведанных месторождениях подземных вод в речных долинах в различных физико-географических, гидрогеологических и гидрологических условиях.

Августовское месторождение подземных вод приурочено к аллювиальным отложениях долины реки Биры (г. Биробиджан, ЕАО). Связь с рекой практически совершенная, что позволяет отнести это месторождение к первому подтипу компенсационных месторождений.

Эксплутационный баланс действующего берегового водозабора (20.3 тыс. м³/сутки) полностью обеспечивается сокращением расхода реки. Сложившийся за 25 лет эксплуатации меженный расход является минимально допустимым для нижележащего участка реки. В связи с необходимостью расширения водоотбора (в перспективе до 30-40 тыс. м³/сутки) и сохранения МДР в размере 0.72 м³/с (62.208 тыс. м³/сутки) предлагается использовать КВС.

В качестве ОВ сохраняется ныне действующий водозабор, дебит которого регулируется от требуемого перспективного до современной величины. Низководным периодом, когда требуется защита стока реки от дополнительного ущерба, является внутригодовой период февраль-март, следовательно, продолжительность работы КВ составляет 60 суток.

Предварительную оценку необходимого удаления КВ от контура реки можно выполнить по предложенным формулам в главе 3:

(8)

(9)

, доп = εМДР/QКВ

Дебит КВ Q_КВ в первых вариантах решения принят равным 19 тыс. м³/сутки. При гидрометрической погрешности 0.05 величина допустимого единичного расхода составляет 0.1637. Параметр уровнепроводности a равен в среднем 4.5^.10³ м²/сутки. При данных параметрах необходимое удаление КВ составляет по формуле (8) 2650 м, по формуле (9) - 1500 м, следовательно, для первого варианта моделирования это расстояние можно принять равным 1.5 км и уточнить положение КВ в ходе решения прогнозных задач.

По результатам моделирования КВ представляет собой квазилинейный ряд из девяти равнодебитных скважин, удаленных от реки примерно на 2 км. При использовании КВС отчетливо наблюдается перестройка балансовой структуры по сравнению с современной (табл. 2). Компенсационный водоотбор в низководный период обеспечивается естественными запасами; роль естественных и привлекаемых ресурсов в балансе незначительна, что минимизирует ущерб речному стоку (рис. 7). Величина дополнительного ущерба в марте не превышает 2% от МДР р. Биры, что отвечает требованию сохранения МДР при работе КВС. Воронка депрессии, сформированная КВ, имеет локальный характер и не сливается с воронкой, образованной ОВ [1, 11].

Таким образом, применение комбинированной водозаборной системы позволяет увеличить располагаемые водные ресурсы Августовского МПВ почти на 50%, не нанося недопустимого ущерба поверхностному стоку.

Таблица 2. Дельта-баланс при современной и комбинированной водозаборных системах (м3/сутки).
Месяц	Современная водозаборная система			Комбинированная водозаборная система
	Источники обеспечения водоотбора			Источники обеспечения водоотбора
	Использование емкостных запасов	Привлечение речных вод	Сокращение разгрузки подземных вод	Использование емкостных запасов	Привлечение речных вод	Сокращение разгрузки подземных вод
Январь	63	8730	914	-902	9224	1382
Февраль	59	8763	875	2196	6780	1168
Март	49	8805	852	8374	746	587
Апрель	16	8943	739	-757	9513	944
Май	26	8895	782	-1031	9730	1005
Июнь	47	8742	924	-1070	9417	1365
Июль	41	8763	903	-1093	9467	1330
Август	45	8740	923	-1075	9380	1402
Сентябрь	34	8784	881	-1070	9494	1275
Октябрь	33	8798	867	-1045	9539	1202
Ноябрь	49	8720	934	-990	9288	1403
Декабрь	44	8746	916	-961	9301	1371

Рис. 7. Графики ущерба речному стоку при разных режимах эксплуатации.

Пермиловское месторождение подземных вод в северо-западной части Северо-Двинского артезианского бассейна является также примером компенсационного месторождения первого типа. Основным здесь является трещинно-карстовый водоносный горизонт в каменноугольных карбонатных отложениях. Месторождение было разведано с утверждением эксплуатационных запасов в ГКЗ СССР, но введение в эксплуатацию было приостановлено из-за прогноза возможности недопустимого сокращения стока реки в маловодные периоды вплоть до полного перехвата.

Предлагаемое решение для предотвращения негативных экологических последствий - создание КВС. В качестве ОВ рассматривается проектируемый береговой водозабор. При его работе с полной нагрузкой 153 тыс. м³/сутки в период с ноября по апрель прогнозируется снижение расхода реки ниже МДР, вплоть до полного перехвата; следовательно, необходимый период включения КВ составляет шесть месяцев. При уровнепроводности водоносного горизонта 4÷6.7^.104 м²/сутки, среднем (за 6 месяцев) дебите КВ 49.5 тыс. м³/сутки, МДР 73.7 тыс. м³/сутки величина единичного допустимого ущерба с погрешностью 0.05 составляет 0.074. При столь малой величине емкостное сопротивление должно быть очень большим - по формуле 8 необходимое удаление КВ составляет 36-51 км. Однако очевидно, что эта величина завышена, так как аналитические расчеты не учитывают сложную гидрографическую сеть, т.е. граничные условия, сдерживающие развитие воронки депрессии. Поэтому на первом этапе принято удаление КВ на 15-20 км на водоразделе рек Ваймуга и Кяма, а оптимальное удаление подбиралось при решении серии прогнозных задач.

По результатам моделирования доказано, что применение КВС подтверждает эксплуатационные запасы Пермиловского месторождения без перехвата стока р.Ваймуги, которое прогнозировалось при <традиционной> системе водоотбора (рис. 8) [11].

Рис. 8. Эпюра расходов р.Ваймуга (апрель)

Амбарнинское месторождение подземных вод расположено за Полярным кругом в криолитозоне северо-западной части Сибирской платформы. Возможности водоснабжения поверхностным водозабором осложняется перемерзанием р. Амбарной в течение пяти месяцев. По результатам разведочных работ утверждены эксплуатационные запасы межпластового водоносного горизонта в пределах сквозного подруслового талика применительно к системе из 8-и постоянно действующих скважин с производительностью 15 тыс. м³/сутки.

В качестве альтернативного варианта предлагается КВС из основного поверхностного водозабора ОВ (7 месяцев в году) и компенсационного подземного водозабора КВ (5 месяцев). Эксплуатационный баланс КВ полностью обеспечивается естественными запасами грунтового (40-25%) и межпластового (60-75%) водоносных горизонтов. В период работы ОВ происходит восстановление сработанных запасов водоносных горизонтов за счет сокращения расхода р. Амбарная. Максимальная величина ущерба от работы КВ наблюдается в мае (16.4 тыс. м³/сутки) с постепенным снижением до 1.2 тыс. м³/сутки. Полный ущерб (с учётом отбором речного стока ОВ) 31.1 тыс. м³/сутки, т.е. в два раза больше эксплуатационного водоотбора, однако это значение не превышает величину допустимого изъятия речного стока (43.2-51.8 тыс. м³/сутки) и отвечает требованию сохранения МДР [11].

Таким образом, применение КВС на Амбарнинском МПВ позволяет оптимизировать схему подземного водозабора (длина водозаборного ряда уменьшена в три раза - с 3 км до менее 1 км) и сократить необходимое количество водозаборных скважин с восьми до пяти. Применительно к утверждённой системе из восьми скважин прогнозный водоотбор может быть повышен более чем вдвое - до 21.6-25.9 тыс. м³/сутки.

Техническое водоснабжение Калининской АЭС. Увеличение мощности АЭС ограничивается дефицитом ресурсов поверхностных вод в маловодные периоды и изменением температурного режима озер-охладителей Песьво и Удомля. Использование подземных вод как дополнительного источника водоснабжения предполагается как задача регенерации - поддержание полезного объёма озёр в маловодные периоды речного стока за счёт периодической эксплуатации подземных вод каширско-мячковского и окско-протвинского водоносных горизонтов, отделенных от озер Песьво и Удомля четвертичным водоносным комплексом (третий тип компенсационных МПВ). Соответственно единичный ущерб поверхностному стоку при периодической эксплуатации межпластового горизонта должен оцениваться по эмпирической зависимости (7, глава 3) при , которая получена при расположении КВ в непосредственной близости от поверхностного водного объекта, и учитывает только величины фактора перетекания и эквивалентной длины ложа водотока (водоёма).

Фактически водозаборные площадки городского водозабора и участка <Елманова горка> располагаются на расстоянии L = 1500-3000 м от озёр Песьво и Удомля, что формально требует учёта этой величины при расчётах. Однако, при этом следует также учесть различие пьезопроводности каширско-мячковского и окско-протвинского горизонтов (порядка 10⁷ м²/сутки) и уровнепроводности четвертичного водоносного комплекса (10³ м²/сутки), т.е. в окончательном виде параметр обобщённой удалённости КВ составит:

для городского водозабора ,

для городского водозабора ,

где a_КМ, a_ОП - коэффициенты пьезопроводности каширско-мячковского и окско-протвинского горизонтов соответственно, B_в, B_ч - величины фактора перетекания для верейского разделяющего слоя и четвертичного водоносного комплекса соответственно.

Продолжительность работы КВ Δt существенно различна в зависимости от выбранного для анализа периода смоделированного гидрологического ряда. Для предварительной оценки она принята равной средней величине 60 суток в каждом году при нагрузке водозабора 77.76 м³/сутки.

Аналитические расчеты ожидаемого ущерба водосбору озёр-охладителей от работы КВ показывают следующие результаты при значениях гидрогеодинамических параметров B_в = 17300 м, B_ч = 1400 м, ΔL = 90-220 м:
1. при эксплуатации каширско-мячковского водоносного горизонта средняя величина емкостного сопротивления 6.44, единичный ущерб 0.223,
2. при эксплуатации окско-протвинского водоносного горизонта емкостное сопротивление 76.76, единичный ущерб 0.081.

Общая величина единичного ущерба определяется в соответствии с долей каждого водозабора и составит 0.132 при суммарной нагрузке 60 тыс. м³/сутки и 0.152 при 77.8 тыс. м³/сутки. Таким образом, по предварительной аналитической оценке прогнозируемая абсолютная величина ущерба ожидается в количестве от 7900 до 11 800 м³/сутки.

В результате моделирования трех расчетных вариантов максимальный ущерб озерам Песьво и Удомля при работе КВ составляет около 17.5 тыс. м³/сутки. Дополнительный ущерб приводит к снижению объема озера на 0.5 млн. м³, что составляет от минимального объема озера 1.5%, и понижению уровней озера на 2 см. Полученные величины ущерба объему и глубине озера несущественны и не требуют дополнительного увеличения дебита КВ для нейтрализации дополнительного ущерба.

Рис. 9. Дополнительный ущерб поверхностному стоку водосбора озер Удомля и Песьво в условиях периодической работы КВ для первого расчетного варианта.

В заключение следует ещё раз подчеркнуть, что предлагаемые схемы по применению КВС на рассмотренных месторождениях нельзя рассматривать как оптимальные. Такая цель может быть достигнута только при точном анализе водохозяйственных условий и критериев; кроме того, оптимизация КВС требует специально предпринятой гидрогеологической доразведки месторождения.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Применение комбинированного использования водных ресурсов позволяет обоснованно увеличить величину располагаемых водных ресурсов за счет кратковременного использования естественных запасов водоносного горизонта.

2. Доказана эффективность применения комбинированной водозаборной системы для типовых компенсационных месторождений: при эксплуатации грунтовых вод в удалении и вблизи контура реки и/или межпластовых водоносных горизонтов.

3. Эффективность организации КВС можно оценить по эмпирическим зависимостям допустимого единичного ущерба от емкостного сопротивления, зависящего от суммы физического и виртуального удаления компенсационного водозабора от реки, обобщённой уровнепроводности водоносной системы и от внутригодовой продолжительности действия водозабора.

4. Единичный ущерб при периодической работе компенсационного водозабора следует оценивать по циклической модификации формулы B. Hunt, за исключением области малого несовершенства рек - в этом случае расчет следует производить по циклической модификации формулы Glover & Balmer.

5. При моделировании периодической работы компенсационного водозабора необходимо воспроизведение начальных естественных условий с точностью (между смежными циклами решения) не менее 0.001 м по уровням и не менее 5^.10^-5 по величине относительной разгрузки подземных вод к текущему значению. При отсутствии необходимости решения задачи в полных напорах моделирование следует проводить с применением метода суперпозиции.

---

<< пред.

след. >>