Поиск, разведка и оценка запасов пресных подземных вод для питьевого и хозяйственного водоснабжения остается одной из самых острых проблем современности. Особую актуальность она приобретает для районов атлантико-континентальной европейской (степной области) умеренного пояса Российской федерации (Б.П. Алисов). На территориях, приуроченных к обозначенному району, наблюдаются засухи (очень сильные повторяются 1–2 раза в 10 лет); низкое годовое количество осадков, небольшая высота снежного покрова, значительное влияние суховеев. Перечисленные климатические особенности формируют условия недостаточного увлажнения, которые характерны для Сальского района Ростовской области.
Потребность г. Сальска в воде хозяйственно-питьевого назначения по расчетам ОАО «Института «Южводпроект», составляет 20,5 тыс. м3/сут. Перспективная потребность не определялась из-за спада городской экономики. В настоящее время для решения вопроса водоснабжения г. Сальска эксплуатируется конкско-караганский водоносный горизонт, в пределах которого в разные годы разведаны 3 месторождения подземных вод: Сальское (1962–1963 гг.), Гигантовское (1972 г.) и Новосальское (1975 г.). По сложности гидрогеологических условий месторождения подземных вод соответствуют I группе [1]. По всем месторождениям был произведен подсчет эксплуатационных запасов по категориям А и В, утвержденные в ТКЗ ВДТГУ СССР: по Сальскому МПВ – 1965 г., по Гигантовскому – 1972 г., по Новосальскому – 1975 г [2, 3]. Последние два месторождения с момента утверждения запасов и по настоящее время не эксплуатируются.
За прошедшие годы отмечается существенное изменение водохозяйственной обстановки в Сальском районе, например эксплуатация сальских групповых водозаборов привела к формированию депрессионной воронки. Кроме того, истекли сроки утверждения запасов для всех месторождений подземных вод, а возможность реализации проекта реконструкции и расширения внешнего водоснабжения населенных пунктов района по-прежнему отсутствует. Все перечисленные причины предопределили необходимость выполнения новых гидрогеологических работ и проведение оценки соответствия режима эксплуатации ранее выполненным прогнозам.
Цели статьи:
1) на основании полученной информации о повторном исследовании водоносных горизонтов территории выделить наиболее перспективный из них для удовлетворения потребности населения Сальского района Ростовской области в водных ресурсах;
2) подтвердить ранее проведенную оценку обеспеченности на расчетный период и потенциальных резервов эксплуатационных запасов конкско-караганского водоносного горизонта Сальского месторождения, используемого в настоящее время для хозяйственно-питьевого водоснабжения;
3) определить максимально возможную производительность проектируемого водозаборного сооружения, введение в эксплуатацию которого позволит полностью обеспечить населенные пункты района водой необходимого качества.
Геологические и гидрогеологические условия Сальского района Ростовской области
Район исследований расположен на Сальском поперечном поднятии и Целинской седловине [4], которые являются северными окраинными тектоническими элементами Азово-Кубанской впадины и Ставропольского поднятия. Фундамент в пределах указанных структур сложен дислоцированными породами каменноугольного возраста, а чехол – меловыми, палеогеновыми и неоген-четвертичными отложениями. В геоморфологическом отношении изучаемая территория находится в северо-восточной части Азово-Кубанской аккумулятивной равнины [5], расположенной в западной части Предкавказья.
Гидрографическая сеть Сальского района представлена р. Средний Егорлык (левый приток р. Западный Маныч). Водосборная площадь бассейна составляет 2270 км2, общая длина реки – 187 км. Питание ее происходит главным образом за счет атмосферных осадков, а также за счет талых вод. Скорость течения воды колеблется от 0,11 до 1,31 м/с, расход – от 0,025 до 0,85 м3/с [6]. Поверхностные воды р. Средний Егорлык отличаются повышенной минерализацией. На водомерном посту у с. Шаблиевка величина ее колеблется от 0,7–1,5 г/дм3; в многоводное половодье повышается до 4,5 г/дм3; в маловодье и в меженный период – 5,0–6,0 г/дм3 [7]. На р. Средний Егорлык имеются два водохранилища: Сальское, остаточным стоком которого наполняется Воронцовско-Николаевское водохранилище. Воды Сальского водохранилища используются для орошения.
Основные черты гидрогеологических условий Сальского района в большей степени определяются наличием и характером водоносных горизонтов, развитых в породах, слагающих его территорию [8]. В пределах четвертичных отложений выделены следующие водоносные горизонты:
– верхнечетвертичных и современных аллювиальных и аллювиально-делювиальных отложений (a, adQIII-IV);
– нижне-, средне- и верхнечетвертичных аллювиально-морских отложений (amQI-III);
– нижне-, средне- и верхнечетвертичных эолово-делювиальных и делювиальных отложений (vd, dQI-III).
Таблица 1
Основные показатели органолептических свойств, химического состава и микробиологического состояния оцениваемых подземных вод [9]
|
№ п/п |
Показатели |
Ед. измерения |
ПДК по СанПиН [13] |
Значения показателей в подземных водах месторождений и населенных пунктах |
||||
|
Всего по району |
Сальское |
Новосальское |
Гигантовское |
г. Сальск |
||||
|
I. Органолептические показатели |
||||||||
|
1 |
Запах |
балл |
2 |
0,0–3,0 |
0,0–3,0 |
0,0–0,1 |
0,0–3,0 |
0,0–3,0 |
|
2 |
Цветность |
градус |
20 (35) |
5,7–196,1 |
18,0–62,6 |
27,9–47,0 |
70,3–114,0 |
5,7–96,9 |
|
3 |
Мутность |
мг/дм3 |
1,5 (2) |
0,0–1,3 |
0,1–1,5 |
0,0–1,1 |
<0,5–1,4 |
0,0–1,4 |
|
II. Обобщённые показатели |
||||||||
|
4 |
Водородный показатель |
ед. рН |
6,0–9,0 |
6,9–8,8 |
7,3–8,8 |
7,5–8,4 |
7,6–8,4 |
6,9–8,7 |
|
5 |
Сухой остаток |
мг/дм3 |
1000 (1500) |
510–1608 |
573–1184 |
1208–1420 |
806–1160 |
510–1560 |
|
6 |
Жёсткость общая |
ммоль/дм3 |
7 (10) |
0,5–7,5 |
0,7–2,97 |
1,0–5,2 |
0,5–3,21 |
0,76–7,5 |
|
7 |
Окисляемость перманганатная |
мг/дм3 |
5 |
<0,2–11,2 |
1,1–4,0 |
3,0–4,2 |
5,2–7,3 |
<0,2–6,2 |
|
8 |
Нефтепродукты (суммарно) |
мг/дм3 |
0,1 |
<0,005–0,1 |
0,1 |
0,07 |
<0,005 |
<0,005–0,07 |
|
9 |
Фенольный индекс |
мг/дм3 |
0,25 |
<0,0005–0,004 |
– |
0,01 |
0,002 |
<0,0005–0,001 |
|
III. Неорганические вещества |
||||||||
|
10 |
Барий (Ba2+) |
мг/дм3 |
0,1 |
<0,05–0,31 |
<0,05 |
<0,05 |
<0,05–0,21 |
<0,05–0,24 |
|
11 |
Бериллий (Be2+) |
мг/дм3 |
0,0002 |
<0,0001–0,00018 |
<0,0001–0,00018 |
<0,0001 |
0,0001 |
<0,0001–0,00016 |
|
12 |
Железо (Fe, суммарно) |
мг/дм3 |
0,3 (1,0) |
0,0–1,0 |
0,0–0,3 |
<0,1–0,3 |
0,0–0,8 |
0,0–0,5 |
|
13 |
Марганец (Mn, суммарно) |
мг/дм3 |
0,1 (0,5) |
0,003–0,046 |
0,006–0,011 |
0,004–0,005 |
0,003–0,0034 |
0,0045–0,036 |
|
14 |
Медь (Cu, суммарно) |
мг/дм3 |
1,0 |
<0,001–0,07 |
0,0025–0,07 |
0,0044–0,02 |
0,0029–0,0095 |
<0,001–0,033 |
|
15 |
Молибден (Mo, суммарно) |
мг/дм3 |
0,25 |
<0,001–0,0029 |
<0,001–0,0029 |
<0,001 |
<0,001–0,001 |
<0,001–0,013 |
|
16 |
Мышьяк (As, суммарно) |
мг/дм3 |
0,05 |
<0,005–0,007 |
<0,005–0,006 |
<0,005 |
<0,005 |
<0,005–0,007 |
|
17 |
Нитраты (по NO-3) |
мг/дм3 |
45 |
0,0–17,5 |
0,0–17,5 |
0,1–0,6 |
0,0–13,0 |
0,0–14,6 |
|
18 |
Нитриты (NO-2 ) |
мг/дм3 |
3 |
0,0–12,9 |
0,0–10,7 |
0,1–0,3 |
0,0–2,9 |
0,0–9,0 |
|
19 |
Свинец (Pb, суммарно) |
мг/дм3 |
0,03 |
0,0003–0,0040 |
0,0009–0,0040 |
0,001–0,0024 |
0,0003–0,0009 |
0,0006–0,0024 |
|
20 |
Селен (Se, суммарно) |
мг/дм3 |
0,01 |
<0,002–0,0053 |
<0,002–0,0053 |
<0,002 |
<0,002 |
<0,002–0,004 |
|
21 |
Стронций ( Sr2+) |
мг/дм3 |
7,0 |
<0,5–0,97 |
<0,5 |
0,58–0,6 |
<0,5–0,97 |
<0,5–0,53 |
|
22 |
Цинк ( Zn2+) |
мг/дм3 |
5,0 |
<0,01–0,25 |
<0,01–0,195 |
<0,01–0,012 |
<0,01–0,01 |
<0,01–0,25 |
|
23 |
Сульфаты ( SO42-) |
мг/дм3 |
500 |
83,0–434,5 |
48,0–309,0 |
274,1–382,0 |
114,0–386,0 |
13,0–434,5 |
|
24 |
Фториды ( F-) |
мг/дм3 |
1,5 |
<0,1–0,6 |
<0,1–0,4 |
<0,1–0,2 |
0,1–0,4 |
<0,1–0,4 |
|
25 |
Хлориды (Cl-) |
мг/дм3 |
350 |
62,4–404,0 |
106,4–280,6 |
196,0–255,2 |
62,5–149,0 |
41,1–404,0 |
|
26 |
Литий (L-) |
мг/дм3 |
0,03 |
<0,015–0,05 |
0,03–0,04 |
0,02–0,05 |
<0,015–0,02 |
0,03–0,04 |
|
27 |
Аммоний (NH4+) |
мг/дм3 |
2 |
0,01–6,0 |
0,1–4,7 |
0,1–4,4 |
0,7–4,0 |
<0,1–5,4 |
|
28 |
Кремний (Si) |
мг/дм3 |
10 |
0,2–22,0 |
2,2–10,1 |
2,6–4,1 |
0,2–4,1 |
1,03–22,0 |
|
29 |
Сероводород (H2S) |
мг/дм3 |
0,003 |
0,01–3,0 |
0,72–1,9 |
0,01 |
2,0–3,0 |
0,52–2,9 |
|
30 |
Аммиак (NH3) |
мг/дм3 |
1,5 |
1,52–4,47 |
3,0–4,47 |
– |
2,4–3,3 |
1,52–3,9 |
|
31 |
Натрий (Nа) |
мг/дм3 |
200 |
до 460 |
до 346 |
431,3–439,3 |
до 450 |
до 460 |
|
IV. Микробиологические исследования |
||||||||
|
32 |
Общее микробное число |
число бактерий в 1 мл |
не более 50 |
<50 |
<50 |
– |
4–6 |
<50 |
|
33 |
Общие полиформные бактерии |
число бактерий в 100 мл |
отсутствие |
не обнаружено |
не обнаружено |
– |
не обнаружено |
не обнаружено |
|
34 |
Термотолерантные полиформные бактерии |
число бактерий в 100 мл |
отсутствие |
не обнаружено |
не обнаружено |
– |
не обнаружено |
не обнаружено |
В пределах неогеновых отложений выделяются следующие водоносные комплексы и горизонты:
– подземные воды спорадического распространения азово-кубанской серии верхнего плиоцена (N2ak);
– водоносный комплекс отложений понтического яруса нижнего плиоцена (N2p);
– водоносный комплекс отложений сарматского яруса верхнего миоцена (N1s);
– водоносный горизонт нерасчлененных конкско-караганских отложений среднего миоцена (N1kr-kn);
– водоносный горизонт отложений караганского яруса среднего миоцена (N1kr).
Материалы и методы исследования
Гидрогеологическое обследование скважин действующих водозаборов исполнялось ГУП «Кубаньгеология» Краснодарского края с целью изучения условий эксплуатации подземных вод. Всего обследовано 129 скважин, из них повторно – 63 скважины [9].
1. Бурение шести гидрогеологических скважин осуществлялось роторным способом сплошным забоем буровым агрегатом 1БА-15В, диаметрами трехшарошечных долот 190 мм и 161 мм. Для определения гидрогеологических параметров конкско-караганского горизонта был создан опытный куст из трех скважин глубиной 180 м, вскрывших полностью конкско-караганские отложения. Три наблюдательные скважины были пройдены до проектной глубины 145 м. Они решили следующие задачи: вскрыли конкско-караганский водоносный горизонт на полную мощность, установили глубины его залегания и эффективную мощность водовмещающих пород. В дальнейшем скважины вошли в системную сеть мониторинга подземных вод, необходимого для построения гидродинамической модели и разработки долгосрочных прогнозов функционирования водозаборных сооружений Сальского района. Общий объем бурения составил 975 м.
2. Геофизические исследования, а именно метод кажущихся сопротивлений и потенциалов естественной поляризации пород (КС, ПС), а также гамма-каротаж выполнялись для подтверждения литологического разреза, предварительной оценки качества подземных вод и выбора интервалов установки фильтров.
3. Опытные гидрогеологические испытания проводились с целью получения данных для сравнительной характеристики фильтрационных свойств; анализа качества вод конкско-караганского водоносного горизонта; уточнения его гидрогеологических параметров на участке между Бровкинским водозабором и п. Гигант. Комплекс работ включал следующие методы: разглинизация скважин, пробные откачки, опытные кустовые откачки, остановка и пуск эксплуатационных скважин.
4. В процессе мониторинга подземных вод конско-караганского горизонта производились замеры уровней и температуры подземных вод во всех опорных режимных скважинах; прокачка скважин погружным электрическим насосом перед отбором проб воды для лабораторных анализов по определению их химического состава.
5. Опробование водоносного горизонта и лабораторное изучение физических свойств, химического состава подземных вод, заключения об их качестве проведены в соответствие с утвержденными стандартными методиками [10–13]. Всего исследовано 381 проба воды.
На основании полученных данных авторами выполнены расчеты: по проектированию нового водозабора, установлению его рентабельности; прогнозных ресурсов и эксплуатационных запасов для выделенного водоносного горизонта.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ гидродинамических параметров водоносных горизонтов, химического и микробиологического состава подземных вод позволил установить, что для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Сальска и других населенных пунктов наиболее перспективным остается конкско-караганский водоносный горизонт. В пределах района он развит повсеместно. Основная область питания находится на Ставропольском сводовом поднятии, а частичное пополнение баланса осуществляется в долине р. Западный Маныч, где происходит перетекание вод аллювиально-морских отложений.
Водовмещающими породами являются мелко- и тонкозернистые, местами глинистые, кварцевые пески и слабосцементированные, глинистые песчаники. Общая мощность этих отложений по району изменяется от 15 до 55 м. Кровля водовмещающих песков вскрывается на глубинах 75–225 м, в зависимости от рельефа местности и гипсометрической поверхности пород, которая фиксируется на абсолютных отметках от – 30 до – 130 м, с общим погружением кровли в западном и юго-западном направлениях. По степени неоднородности фильтрационных свойств водовмещающих пород данный водоносный горизонт относится к однородным (удельные дебиты однотипно оборудованных скважин различаются не более чем в 5 раз). Коэффициенты фильтрации изменяются от 4,03 до 12,40 м/сут, чаще – 5–7 м/сут; водопроводимость – от 100 до 400 м2/сут, чаще – 150–250 м2/сут. Повышенная водопроводимость – 250–300 м2/сут отмечена в пределах зоны с максимальным водоотбором (х. Бровки) [9].
Пьезометрический уровень вод выделенного горизонта устанавливается на глубинах от 25 до 90 м (абсолютные отметки –10,3 м, –25,66 м). Дебиты скважин изменяются в больших пределах от 1,4 до 22,2 дм3/с при понижениях уровня воды соответственно на 25 и 50 м. Максимальные дебиты 10,4–22,2 дм3/с получены по эксплуатационным скважинам в г. Сальске и при групповых откачках на участках детальных разведок. В районе х. Бровки дебиты скважин составляют 14,0–18,5 дм3/с; на Новосальском месторождении подземных вод – 10,4–15,5 дм3/с; на Гигантовском месторождении – 9,6–13,1 дм3/с [9].
Воды конкско-караганского водоносного горизонта от пресных до весьма слабосолоноватых с сухим остатком от 0,51 до 1,61 г/дм3, преобладают значения 0,9– 1,4 г/дм3. По величине общей жёсткости воды преимущественно мягкие – 0,5–5,2 ммоль/дм3. По ионному составу воды смешанные хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатные, сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатные натриевые. По бактериологическим показателям соответствуют предъявляемым требованиям [12]. В табл. 1 приведены основные показатели органолептических свойств, химического состава и микробиологического состояния оцениваемых подземных вод. Качество подземных вод конкско-караганского водоносного горизонта отличается стабильностью и, как правило, во время эксплуатации сухой остаток почти не изменяется, о чем свидетельствует многолетний опыт добычи подземных вод этого водоносного горизонта на территории г. Сальска, на Бровкинском водозаборе [9].
Данные таблицы демонстрируют, что качество подземных вод горизонта по некоторым показателям не соответствует санитарным нормам [13]. Выявленные отклонения имеют постоянный характер и обусловлены особенностями вмещающих пород, а именно высокой концентрацией органических веществ (гумуса) [9].
Прогнозные ресурсы подземных вод рассчитывались по формуле
P = B×q, (1)
где B – ширина перехватываемого потока, м; q – погонный расход, м2/сут;
B = 2×Rвл, (2)
(3)
(4)
где Rвл – радиус влияния, м; а – коэффициент пьезопроводности, м2/сут; t – количество суток, принятое на расчетный срок эксплуатации водозабора (10000); k – коэффициент фильтрации, м/сут; m – мощность водоносного горизонта, м; I – напорный градиент, д.е.; разность напоров, м; L – расстояние между точками, на которых фиксируются максимальная и минимальная величины напоров [14]. В ходе полевых испытаний были установлены следующие значения гидрогеологических параметров:
– а – коэффициент пьезопроводности = = 4,8×105 м2/сут;
– k – коэффициент фильтрации kср = 6 м/сут;
– m – мощность водоносного горизонта 37,5 м;
– I – напорный градиент 0,001 д.е.;
– ΔH – разность напоров: H1 = + 10 м; H2 = + 5 м, I = 0,001 [15].
В итоге были получены величины: Rвл = 103,5 тыс. м; q = 0,29 м2/сут, а прогнозные ресурсы подземных вод для выделенного водоносного горизонта составили 60000 м3/сут.
Эксплуатационные запасы подземных вод по конкско-караганскому водоносному горизонту по категориям А + В + С1 приведены в табл. 2.
Таблица 2
Эксплуатационные запасы подземных вод по конкско-караганскому водоносному горизонту
|
№ п/п |
Наименование месторождения |
Количество водозаборных скважин |
Эксплуатационные запасы подземных вод, тыс. м3/сут |
|||
|
Всего по «А + В + С1» |
А |
В |
С1 |
|||
|
1 |
Сальское (Бровкинский водозабор) |
15 скв. |
12,5 |
12,5 |
– |
– |
|
2 |
Новосальское МПВ |
10 скв. |
8,0 |
– |
8,0 |
– |
|
3 |
Гигантовское МПВ |
5 скв. |
4,0 |
– |
4,0 |
– |
|
Всего |
30 скв. |
24,5 |
12,5 |
12,0 |
– |
|
Таким образом, эксплуатационные запасы подземных вод по категориям «А + В + С1» составляют 27,8 тыс. м3/сутки и удовлетворяют заявленной потребности в воде г. Сальска (20,5 тыс. м3/сутки) и близлежащих населённых пунктов.
Одной из целей данной статьи является определение максимально возможной производительности проектируемого водозаборного сооружения, ввод которого более экономически рентабелен, чем реконструкция и расширение внешнего водоснабжения. При этом расчетная величины понижения уровня воды в скважинах данного водозабора Sc к концу периода его эксплуатации не должна превышать максимально допустимого в конкретных природных условиях понижения Sдоп. При Sc ≤ Sдоп производительность водозабора, а соответственно и эксплуатационные запасы считаются обеспеченными на принятый в расчетах срок [14]. Расчет производился по следующей формуле:
(5)
, (6)
где Qвдзб – производительность водозабора, м3/сут; F – площадь водозабора, м2.
При расчетах дополнительно к приведенным ранее использовались следующие значения гидрогеологических параметров: Qвдзб = 12500 м3/сут; F = 180000 м2 [14]. Получены следующие значения: R0 ≈ 239,4 м; Sc = Sвдзб = 34,4 м; Sдоп = 47 м. Так как Sc = Sвдзб (34,4 м) ≤ Sдоп (47 м), то производительность водозабора, а соответственно и эксплуатационные запасы подземных вод рассматриваемого водоносного горизонта являются обеспеченными на принятый в расчетах срок.
Выводы
На основе сравнения всех гидродинамических характеристик изученных водоносных горизонтов четвертичных и неогеновых отложений установлено следующее.
1. Наиболее перспективным для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Сальска и близлежащих населенных пунктов остается конкско-караганский водоносный горизонт, обладающий нижеперечисленными особенностями:
– большая мощность водовмещающих пород, по району изменяется от 15 до 55 м;
– высокие дебиты скважин, максимальные значения составляют 10,4–22,2 дм3/с;
– высокие коэффициенты фильтрации (5–7 м/сут) и водопроводимости (150–250 м2/сут);
– отсутствие гидравлической связи горизонта с вышезалегающими сарматским и понтическим водоносными комплексами;
– наличие надежных водоупоров в подошве горизонта, представленного плотными глинами караганского горизонта мощностью от 8 до 76 м.
2. На основе произведенных расчетов можно сделать вывод о том, что рассчитанные эксплуатационные запасы подземных вод (27,8 тыс. м3/сут) при водопотреблении населения Сальского района 20,5 тыс. м3/сут, обеспечиваются прогнозными ресурсами, рассчитанными для выделенного водоносного горизонта (60 тыс. м3/сут).
3. Полученные значения Sc = Sвдзб (34,4 м) ≤ Sдоп (47 м) показывают, что производительность проектируемого водозабора является рентабельной, обеспечивает водные ресурсы конско-канского горизонта на принятый в расчетах срок, а следовательно, сооружение водозабора полностью решает проблему хозяйственного водоснабжения Сальского района.