Ресурсы пресных подземных вод Беларуси: Методика исследований, закономерности формирования, оценка и прогноз

Актуальность темы

Интенсивное и разнонаправленное воздействие человека на природную среду существенно изменяет гидрогеоэкологическую обстановку как в региональном, так и локальном плане. В частности, в результате водоотбора происходит изменение химического состава и качества подземных вод, что создает напряженную ситуацию в водоснабжении крупных градопромышленных агломераций Республики Беларусь. Поэтому обеспечение > городов и производственных объектов хозяйственно-питьевой водой — одна из важнейших проблем современности, при решении которой главными задачами являются разведка, оценка и освоение эксплуатационных запасов месторождений подземных вод республики.

Решение данной проблемы также невозможно без долгосрочных гидрогеологических, гидрогеохимических и геоэкологических прогнозов, для которых необходимы детальные научно-методические обоснования. Разработке этих прогнозов должно предшествовать, с одной стороны, изучение геологических и гидрогеологических особенностей региональных структур и выявление закономерностей формирования ресурсов подземных вод, в том числе и на локальных участках, с другой — оценка последствий интенсивного водоотбора на окружающую среду и разработка рекомендаций по ее охране и восстановлению. Прогнозирование характера и масштабов воздействия тех или других видов хозяйственной деятельности на окружающую среду в отдельности и в совокупности ^ представляет собой исключительно сложную задачу. Существующие аналитические методы не обеспечивают решения данной проблемы.

Как известно, платформенный чехол территории Беларуси сложен породами всех геологических систем и эратем — от рифейской до четвертичной включительно. Сложное залегание поровых и трещиновато-пластовых коллекторов дочетвертичных пород, мощный покров неоднородных четвертичных образований, наличие глубоких эрозионных врезов, усложняющих гидродинамические условия зоны активного водообмена и густой речной сети, а также участков и источников загрязнения, возможность подтока минерализованных вод — это те особенности, которые предопределяют необходимость совершенствования методики и внедрения в практику прогнозирования ресурсов и качества подземных вод с учетом * природоохранных аспектов на базе построения математической региональной модели «BELARUS», включающей многофункциональные крупномасштабные модели-врезки отдельных объектов.

До настоящего времени региональной математической модели, построенной на основе схематизации подземной гидросферы республики со всеми разведанными месторождениями подземных вод, не было создано. Реализовывались различного рода аналоговые и постоянно действующие численные гидрогеологические модели городских агломераций, предназначенные для решения конкретных вопросов водоснабжения, оценки загрязнения подземных вод и влияния водоотбора на окружающую среду. В БелНИГРИ при непосредственном участии автора создана геофильтрационная региональная модель масштаба 1: 1 ООО ООО, включающая два водоносных пласта (грунтовый и первый от земной поверхности напорный), разделенных слабопроницаемым слоем, на базе которой были построены карты гидроизогипс в обоих пластах в естественных условиях.

Данная диссертационная работа посвящена теоретическому обобщению гидрогеодинамических закономерностей, пространственной изменчивости фильтрационных свойств водоносных и слабопроницаемых разделяющих пластов, созданию автоматизированной системы управления ресурсами и качеством пресных подземных вод, включающей пакеты фактических данных в виде файлов и математические модели фильтрации и геомиграции, позволяющие прогнозировать процессы водоотбора и загрязнения подземных вод. В ней, на примере артезианских бассейнов Беларуси, показаны пути решения задач разведки, оценки и эксплуатации ресурсов пресных подземных вод с учетом природоохранных аспектов.

Связь работы с крупными научными программами, темами.

Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ БелНИГРИ и Института геологических наук Национальной академии наук Беларуси (ИГН HAH), по отдельным направлениям которых автор был научным руководителем или ответственным исполнителем:

— «Изучение условий формирования подземных вод и влияния их отбора на сток малых рек БССР» по отраслевой программе 0.50.01.04.07, утвержденной ГКНТ СССР от 30.10.85 г., № 555.

— «Дать оценку изменения гидродинамической обстановки территории Белоруссии под влиянием сосредоточенного водоотбора и мелиорации. Разработать рекомендации по оптимизации водопользования» по отраслевой программе 0.50.01.04.07., утвержденной ГКНТ СССР от 30.10.85 г., № 555.

— «Усовершенствовать и внедрить методы гидрогеологических прогнозов на базе математического моделирования» по «Программе ускорения геологоразведочных работ по развитию минерально-сырьевой базы Республики Беларусь на 1985;1990 гг.».

— «Отчет о поисковых и разведочных гидрогеологических работах в районе г. Новолукомль с оценкой эксплуатационных запасов подземных вод на участке „Подберезье“ по состоянию на 01.01.87 г. для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Новолукомль и Белорусской АЭС» по заданию ПО «Белгеология».

— «Результаты разведочных гидрогеологических работ в районе Новополоцкого промышленного узла и оценка эксплуатационных запасов подземных вод на участке „Окунево“, „Белое“ и „Заозерье“ по состоянию на 01.07.88 г. для хозяйственно-питьевого водоснабжения гг. Полоцк и Новополоцк Витебской области БССР» по заданию ПО «Белгеология».

— «Отчет о поисково-разведочных работах на воду с оценкой эксплуатационных запасов подземных вод на участке «Свислочь» для технического водоснабжения промпредприятий III зоны г. Минска по состоянию на 01.12.91 г. по заданию института «Минскинжпроект», 1988 г.

— «Разработать научно-методическое обеспечение и создать постоянно-действующие модели типовых геофильтрационных объектов краевых частей артезианских бассейнов» по заданию ПО «Белгеология».

— «Составить методическое пособие по созданию постоянно-действующих геофильтрационных моделей для условий Республики Беларусь» по «Программе ускорения геологоразведочных работ по развитию минерально-сырьевой базы Республики Беларусь на 1993;1995 и на период до 2000 гг.».

— «Гидрогеологические исследования по переоценке эксплуатационных запасов подземных вод на водозаборе „Белевичи“ для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Солигорска (по состоянию на 1.01.1994 г.)» по заданию Солигорского водоканала.

— «Выполнить оценку эксплуатационных запасов подземных вод по объекту „Гродно“ методом моделирования и дать прогноз влияния водоотбора на окружающую среду» по заданию ПО «Белгеология».

— «Отчет о результатах предварительной разведки подземных вод для водоснабжения г. Барановичи, Брестской обл. с подсчетом эксплуатационных запасов на участке „Дубровно“ по состоянию на 1.01.1995 г.» по заданию ПО «Белгеология».

— «Оценить изменение структуры баланса подземных вод на участках их интенсивной эксплуатации с целью повышения достоверности гидрогеологических прогнозов» по «Программе ускорения геологоразведочных работ по развитию минерально-сырьевой базы Республики Беларусь на 1993;1995 и на период до 2000 гг.».

— «Гидрогеологические исследования по переоценке эксплуатационных запасов подземных вод на водозаборе „Лучежевичи“ для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Мозыря с использованием моделирования (по состоянию на 01.01.1996 г.)» по заданию Мозырского горисполкома.

— «Разработать программно-методические средства и создать постоянно-действующие геофильтрационные модели крупных градопромышленных агломераций для оптимизации использования подземных вод» (Этап I — Минская градопромышленная агломерация) по «Программе ускорения геологоразведочных работ по развитию минерально-сырьевой базы Республики Беларусь на 1993;1995 и на период до 2000 гг.».

— «Дать прогноз обеспеченности Республики Беларусь в хозяйственно-питьевой воде на период 2020;2050 гг.» по «Программе ускорения геологоразведочных работ по развитию минерально-сырьевой базы Республики Беларусь на 1993;1995 и на период до 2000 гг.».

— «Оценить состояние геологической среды Гомельского и Минского регионов с целью охраны источников водоснабжения» по заданию 2.3.1.4.03 ГНТП «Природопользование и охрана окружающей среды», 1998;1999 гг.

— «Разработать программно-методические средства и создать постоянно-действующие геофильтрационные модели крупных градопромышленных агломераций для оптимизации использования подземных вод» (Этап IIГомельская градопромышленная агломерация) по «Программе ускорения геологоразведочных работ по развитию минерально-сырьевой базы Республики Беларусь на 1996;2000 гг.».

— «Разработать региональную математическую модель территории Беларуси для оценки состояния и прогноза ресурсов подземных вод» по «Программе ускорения геологоразведочных работ по развитию минерально-сырьевой базы Республики Беларусь на 1996;2000 гг.».

— «Разработать постоянно-действующую геофильтрационную модель Могилевской градопромышленной агломерации» по «Долгосрочной программе создания ПДМ крупных градопромышленных агломераций», утвержденной протоколом № 33 секции НТС ПО «Белгеология» от 21 июля 1997 г.

Цель исследований заключается в выявлении локальных и региональных закономерностей в формировании эксплуатационных ресурсов пресных подземных вод и прогнозировании обеспеченности республики запасами подземных вод на перспективу с учетом изменения их качества.

В соответствии с этим основные задачи настоящей работы включают:

1. Рассмотрение проблемы существующего и перспективного водоснабжения с оценкой качества поверхностных и подземных вод и анализом состояния региональных исследований по ресурсной тематике.

2. Выявление закономерностей формирования уровенного режима и водоотбора при эксплуатации месторождений подземных вод, установление закономерностей распределения фильтрационных свойств водонасыщенных пород с исследованием пределов применения методов их определения и усовершенствованием методики проведения разведочных работ и интерпретации их материалов.

3. Разработку принципов схематизации гидрогеологических условий краевых частей артезианских бассейнов с проведением гидрогеологической стратификации и выделением в их пределах единой геофильтрационной расчетной схемы.

4. Создание автоматизированной гидрогеоинформационной системы управления запасами и качеством подземных вод с разработкой файлов накопления, оперативной обработки входных данных и программ создания картографических моделей для решения гидродинамических и гидрохимических задач.

5. Разработку региональной геофильтрационной математической модели «BELARUS» и многофункциональных крупномасштабных моделей-врезок с адаптацией их к естественным и нарушенным гидрогеологическим условиям для целей оценки естественных и эксплуатационных ресурсов (запасов) и изменения качества пресных подземных вод. Установление закономерностей формирования запасов подземных вод и изменения водного баланса при взаимодействии всех водозаборов республики с оценкой отрицательных последствий их интенсивной эксплуатации на окружающую среду и разработкой легенды картирования ресурсов (запасов) с элементами геоэкологии.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлась подземная гидросфера зоны активного и верхняя часть зоны замедленного водообмена Беларуси. Предметом исследования была степень соответствия наших представлений — расчетных моделей динамики подземных вод реальным гидрогеологическим процессам и природным условиям.

Гипотеза. Геофильтрационные математические модели позволяют оценивать ресурсы подземных вод, прогнозировать их состояние и обеспеченность населения водой питьевого качества при заданном техногенном воздействии, что необходимо теоретически доказать.

Исходными материалами данной работы послужили результаты многолетней производственной и научно-исследовательской работы автора в области изучения гидрогеологических условий Беларуси, разведки и оценки запасов подземных вод для нужд водоснабжения, решения геофильтрационных и миграционных задач, оценки динамики структуры запасов при эксплуатации характерных типов месторождений пресных подземных вод, а также прогнозирования обеспеченности республики хозяйственно-питьевыми водами на 2050 г. и последствий интенсивного водоотбора на окружающую среду. Работа основана на результатах теоретических, региональных и экспериментальных исследований, выполненных автором в Белорусском научно-исследовательском геологоразведочном институте (БелНИГРИ) с 1981 года. Региональные и локальные гидрогеологические обобщения и результаты фильтрационных и миграционных расчетов проведены лично автором или под его научным руководством с использованием компьютерной техники. Во всех совместных работах автор принимал непосредственное участие в творческом процессе исследований.

Фактическим материалом явились данные поисково-съемочных и геологоразведочных работ, режимных наблюдений, геологических и гидрогеологических карт, лабораторных исследований, результаты математического моделирования процессов фильтрации и геомиграции, данные AMC ГВК по ресурсной тематике, предназначенные для прогноза обеспеченности Республики Беларусь хозяйственно-питьевыми водами на дальнесрочную перспективу. Автор настоящей работы был руководителем и ответственным исполнителем ряда исследований.

Методология и методы проведенного исследования. Методика исследований заключалась в анализе литературных и фондовых материалов региональных исследований ресурсов подземных вод республики, сборе, обобщении и систематизации фактических данных, необходимых для создания автоматизированной гидрогеоинформационной системы и региональной модели «BELARUS» для прогнозирования обеспеченности населения республики водой питьевого качества на 2050 г., в научно-методических разработках — системном подходе к гидрогеологической стратификации и схематизации условий РБ, построению картографических моделей водоносных и слабопроницаемых пластов, методике прогнозирования обеспеченности республики водой, методике идентификации модели к природным условиям, типизации источников загрязнения подземных вод, методике картирования запасов подземных вод, решению теоретических вопросов по оценке и учету влияния отдельных входных параметров модели «BELARUS» на снижение уровней подземных вод при эксплуатации водозаборов, полевым и лабораторным исследованиям.

Научная новизна и значимость полученных результатов работы сводится к следующим основным положениям: впервые для территории республики проведена схематизация гидрогеологических условий краевых частей артезианских бассейновразработана и адаптирована к ним региональная математическая модель «BELARUS», на базе которой выполнены региональные оценки естественных ресурсов пресных подземных вод, минимального речного стока 95% обеспеченности по крупным рекам, модуля эксплуатационных запасов подземных вод в пределах региональных воронок депрессий, последствий интенсивного водоотбора на речной сток и подземные воды при взаимодействии всех водозаборов республики, формирования структуры эксплуатационных запасов в настоящем и будущем, возможного изменения химического состава пресных подземных вод за счет подтока минерализованных вод и поступления некондиционных вод из грунтового горизонта и поверхностных водотоков и водоемовдан прогноз обеспеченности республики хозяйственно-питьевыми водами на дальнесрочную перспективу и построена карта эксплуатационных запасов подземных вод с элементами геоэкологии, отвечающая требованиям построения схем комплексного и рационального освоения водных ресурсовусовершенствована методика расчета гидрогеологических параметров многослойных толщ и установлены закономерности изменчивости их фильтрационных свойств по площади и в разрезе.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: закономерности формирования и территориального распределения ресурсов пресных подземных вод, представленных в виде карт гидроизогипс, гидроизопьез, естественных и прогнозных эксплуатационных ресурсов, определяются особенностями геолого-структурного строения, питания, транзита и разгрузки подземных вод артезианских бассейнов. Они обусловлены метеорологическими (осадки и испарение), геоморфологическими (расчлененность рельефа, густота речной сети) и геолого-гидрогеологическими (мощность и состав пород зоны аэрации, инфильтрационное питание, взаимосвязь поверхностных и подземных вод, проводимость и соотношение напоров водоносных пластов) факторами и являются основанием рационального использования и охраны подземных вод от загрязнения и истощения, а также размещения и развития производительных сил республикиосновные критерии построения картографических моделей проводимости подземной гидросферы заключаются в синтезе данных пространственной изменчивости фильтрационных свойств водоносных и слабопроницаемых пластов многослойной гидравлически взаимосвязанной системы, обусловленных особенностями осадконакопления и диагенеза, эпигенетическими изменениями, гляциальными, аквагляциальными, тектоническими и денудационными процессами, литологической неоднородностью пород, глубиной их залегания и разуплотненностью в пределах крупных речных долинсхематизация гидрогеологических условий артезианских бассейнов Беларуси, выполненная на основе структурного, балансово-гидродинами-ческого и гидрогеохимического принципов, включает четыре фазы: общего районирования, гидрогеологической стратификации, обоснования единой фильтрационной схемы и граничных условий, вычислительной (конечно-разностной) схематизации и является основой разработки и создания региональной численной модели фильтрации подземных вод и массопереноса с моделями-врезками локального уровнятеоретически обоснованная система технологий оценки ресурсов и запасов подземных вод, включающая автоматизированную гидрогеоинформационную систему управления ресурсами и качеством подземных вод с последовательным комплексированием подсистем регионального и локального уровней: «Цифровой», «Картографической», «Кодовой» и «Вычислительной», использующих программное обеспечение EXCEL, SURFER, FH8, TEIS, REGIM, TOPAS НС, MIG-2 и др., и региональную геофильтрационную математическую модель подземной гидросферы Беларуси с крупномасштабными многофункциональными моделями-врезками конкретных объектов (водозаборов) с идентификацией их к природным условиям в естественном и нарушенном режимах, обеспечивает повышение геологической эффективности разведки и оценки ресурсов (запасов) подземных вод, создание мониторинга и принятие управленческих решений в области охраны окружающей средыгеофильтрационные расчетные модели динамики подземных вод соответствуют реальным гидрогеологическим процессам и природным условиям и позволяют оценивать ресурсы подземных вод, прогнозировать их состояние и обеспеченность населения водой питьевого качества при заданном природном и техногенном воздействии. Выявленные закономерности и источники формирования эксплуатационных запасов подземной гидросферы Беларуси и месторождений подземных вод в отдельности с оценкой и прогнозом последствий воздействия интенсивного водоотбора на природную окружающую среду являются основанием оптимизации опорной сети мониторинга и переоценки эксплуатационных запасов пресных подземных вод по данным режимных наблюдений.

Личный вклад соискателя. Диссертация является результатом многолетних исследований (1979;2004 гг.) соискателя, выполненных в Белорусском научно-исследовательском геологоразведочном институте, Белорусской гидрогеологической экспедиции и Институте геологических наук НАН Беларуси.

Автором самостоятельно проведено обобщение и систематизация гидрогеологических материалов по водозаборам подземных вод Беларуси. Сформулированы исходные понятия и определения. Установлены закономерности распределения фильтрационных свойств водоносных и слабопроницаемых пластов. Разработана и создана автоматизированная система управления ресурсами и качеством подземных вод. Выполнена гидрогеологическая стратификация артезианских бассейнов Беларуси. Проведена схематизация гидрогеологических условий территории республики. Построены картографические модели проводимости водоносных и вертикальной проводимости слабопроницаемых пластов расчетной схемы модели. Создана региональная численная модель «BELARUS» с моделями-врезками конкретных объектов и городских агломераций. Выполнена оценка естественных и эксплуатационных ресурсов подземных вод. Дан прогноз обеспеченности республики хозяйственно-питьевой водой и оценка воздействий водоотбора на грунтовые воды и речной сток. Установлены закономерности формирования уровенного режима и водоотбора при эксплуатации месторождений подземных вод. Разработаны методики интерпретации ОФР, идентификации моделей фильтрации и массопереноса к естественным и нарушенным условиям. Получено аналитическое решение для расчета производительности водозаборов в трехслойной толще вблизи несовершенной реки. Дана оценка изменения химического состава подземных вод при эксплуатации всех водозаборов республики. Построена карта эксплуатационных запасов подземных вод с элементами геоэкологии.

Практическая ценность работы заключается в установлении закономерностей формирования водоотбора и снижения уровней при опробовании (эксплуатации) месторождений подземных вод речных долин и водораздельных пространств, усовершенствовании и разработке методических приемов интерпретации ОФР графоаналитическими способами и методом моделирования, получении нового решения для расчета производительности береговых водозаборов, выявлении региональных и локальных закономерностей пространственной изменчивости фильтрационных свойств зоны активного водообмена, а также в создании гидрогеоинформационной автоматизированной системы и региональной геофильтрационной модели «BELARUS» с крупномасштабными многофункциональными моделями-врезками отдельных объектов, что позволяет целенаправленно, методически обоснованно и более эффективно проводить поисково-разведочные работы на подземные воды, гидрогеоэкологическое обследование территорий, повысить их информативность и достоверность оценки и прогноза состояния подземной гидросферы республики при интенсивной ее эксплуатации и обеспеченности Республики Беларусь запасами (ресурсами) подземных вод установленного стандарта качества.

Методические разработки по постановке и проведении разведочных работ, методике интерпретации данных ОФР, принципам схематизации гидрогеологических условий, методикам создания геофильтрационных и геомиграционных математических моделей, количественной оценке источников формирования эксплуатационных запасов и прогнозе обеспеченности республики хозяйственно-питьевыми водами на перспективу с оценкой последствий водоотбора на окружающую среду внедрены в практику Белорусской гидрогеологической и Белорусской геофизической экспедициями в период 1979;2003 гг. и использованы при разведке и оценке эксплуатационных запасов подземных вод для целей водоснабжения городов Мосты, Слоним, Барановичи, Гродно Гродненской области, Гомель, Мозырь Гомельской области, Новолукомль, Новополоцк Витебской области, Минск, Солигорск Минской области, городов Брест и Могилев, которые утверждены в ГКЗ СССР и ТКЗ РБ, а также при геоэкологическом обследовании водозаборов городов Мозырь и Борисов. Разработанная гидрогеоинформационная система и модель «BELARUS» внедрена и широко используется на практике при решении задач по ресурсной и геоэкологической тематикам. Это вопросы оценки запасов пресных подземных вод, прогнозирования обеспеченности республики в целом и отдельных городов хозяйственно-питьевой водой, оценки состояния подземной гидросферы в настоящем и будущем, в том числе, предсказание изменения химического состава и качества пресных подземных вод за счет поступления некондиционных вод наземной гидросферы и подтока минерализованных вод и многое другое. Решение этих вопросов и внедрение полученных результатов и разработок в практику играют немаловажную роль в экономической и социальной сферах при принятии решений по охране окружающей среды, благосостоянию и здоровью людей и т. д.

Опублнкованность результатов. Основные положения, методические разработки и выводы диссертации опубликованы в 70-ти печатных работах, в том числе в четырех монографиях, статьях, в международных и республиканских журналах, сборниках, государственных кадастрах, изложены в 9-ти производственных и 20-ти научных отчетах. Восемь специализированных гидрогеологических карт, составленных диссертантом с соавторами, включено в Национальный атлас Беларуси.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований докладывались на: 1) четырех международных конференциях, симпозиумах и совещаниях (1996, 1997, 1999, 2000 гг.) — 1 Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988) — 2) годичной сессии Научного совета.

РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии -«Сергеевские Чтения» (2001) — 3) научной конференции молодых ученых и специалистов ЦНИИКИВР и БелНИИМиВХ (Минск, 1987) — 4) Всесоюзных курсах повышения квалификации специалистов гидрогеологов организаций Мингео СССР (Минск 1983, 1984, 1985) — 5) четырех всесоюзных конференциях, совещаниях и семинарах (Москва 1986; Ленинград 1987; Таллинн 1988; Калиниград 1989) — 6) трех научных конференциях (Минск, 1990, 1995, 1998) и других научных и научно-технических совещаниях и заседаниях. Производственные отчеты по оценке запасов подземных вод для водоснабжения городов республики защищены и утверждены в ГКЗ России и РКЗ Беларуси. Результаты научных работ докладывались на заседаниях Ученого совета БелНИГРИ и НТС РУП «Белгеология». Разработки и технологии, изложенные в диссертационной работе, представлялись автором на международных и республиканских выставках: «ГЕОЛОГОРАЗВЕДКА» (Санкт-Петербург, 2000), Польско-Белорусская научно-практическая выставка (Польша, Белосток, 2001), «БЕЛАГРО 2001» (Минск, 2001), «Энергетика, Экология, Энергосбережение» (Минск, 2001, 2002, 2003), Белорусско-Польская научно-практическая выставка (Брест, 2001), «Наука и инновации в регионах Беларуси» (Могилев, 2001) и др.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из общей характеристики работы, семи глав и выводов, списка литературы из 333 наименований и двух приложений, изложена на 294 страницах печатного текста и иллюстрируется 56 рисунками и 28 таблицами.

Благодарности. Большую помощь в процессе исследований оказали сотрудники БелНИГРИ — С. П. Гудак, В. И. Бучурин, М. В. Фадеева, В. И. Фоменко, H.H. Муромец и др., работники РУП «Белгеология» — П. З. Хомич, И. А. Линник, работники БГГЭ и БГЭ — В. Д. Коркин, В. П. Сидорович, Г. И. Илькевич,.

А.Н. Шуравин, В. А. Шитц, сотрудники ИГН HAH Беларуси — A.A. Махнач, P.E. Айзберг, A.B. Кудельский, Я. И. Аношко, В. И. Пашкевич, сотрудники других организаций — В. Н. Губин, М. Ю. Калинин, B.C. Усенко, A.M. Гречко, которым автор выражает свою благодарность.

Автор искренне признателен коллективу кафедры гидрогеологии МГУ, научным сотрудникам Института водных проблем и Института геоэкологии РАН, ВСЕГИНГЕО, сотрудникам фирм ГИДЭК и ГЕОЛИНК за ценные рекомендации и замечания, которые способствовали повышению качества диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Выполненные исследования представляют собой дальнейшее развитие и совершенствование методологии оценки ресурсов пресных подземных вод применительно к природным гидрогеологическим условиям сочленения крупных гидрогеологических структур. На примере изучения краевых и центральных частей четырех артезианских бассейнов, а также типовых месторождениях пресных подземных вод, расположенных на территории Беларуси, сформулированы основные научные положения и принципы прогнозирования обеспеченности Республики Беларусь эксплуатационными запасами подземных вод на далекую перспективу.

Научные исследования, связанные с обеспеченностью населения водой питьевого качества, образуют сложную схему последовательности решения гидрогеологических задач, в которой, наряду с натурными данными, рассматриваются математические геофильтрационные модели. Стыковка и увязка натурных данных с модельными позволила существенно развить методологию гидрогеологических расчетов и прогнозирования. Стратегия долгосрочных прогнозных расчетов зависит от правильности выбора и обоснования расчетной балансово-гидродинамической схемы, динамики водопотребления и опыта освоения запасов пресных подземных вод. Поэтому анализ ранее проведенных региональных и детальных работ в области разведки, оценки и прогнозирования ресурсов пресных подземных вод, изучения источников их формирования, характеристика существующего и перспективного водопотребления в республике, а также исследование качества поверхностных и подземных вод являются исходной позицией для дальнейших исследований.

Прогнозирование обеспеченности Беларуси хозяйственно-питьевыми водами в предлагаемой работе выполнено на основе последовательного целенаправленного изучения и анализа региональных и локальных гидродинамических и гидрогеохимических условий артезианских бассейнов и установления закономерностей распределения их показателей в прошлом, настоящем и в будущем на базе комплексирования традиционных и современных методов исследований.

Исходя из принципа целенаправленности выполненные исследования включали: а) типизацию месторождений пресных подземных вод по геоморфологическому, структурному, стратиграфическому и гидравлическому принципамб) оценку пространственной изменчивости фильтрационных свойств пород, заключающейся в выявлении закономерностей формирования водоотбора и уровенного режима при эксплуатации (опробовании) типовых месторождений, совершенствовании методики определения гидрогеологических параметров и установлении закономерностей распределения их по площади и в разрезев) создание автоматизированной системы управления ресурсами и качеством подземных вод со систематизацией и кластеризацией исходной гидрогеологической информацииг) схематизацию гидрогеологических условий крупных структур и выделения в них единой открытой балансово-гидродинамической схемыд) разработку региональной численной модели «BELARUS» с крупномасштабными многофункциональными моделями-врезками конкретных объектове) идентификацию численной модели «BELARUS» и природных условий в естественном и нарушенном режимах фильтрации подземных водж) выявление региональных закономерностей и источников формирования запасов, а также) территориального распределения естественных и эксплуатационных ресурсов пресных подземных водз) прогнозирование обеспеченности населения республики водой питьевого качества с оценкой последствий водоотбора на природную окружающую средуи) картирование естественных и эксплуатационных ресурсов пресных подземных вод с элементами геоэкологии.

В результате выполненных исследований сделаны следующие основные выводы методического (теоретического), регионально-гидрогеологического и ресурсно-балансового характера:

1. В теоретическом аспекте получены следующие основные результаты, которые могут быть использованы при решении гидрогеологических задач в аналогичных Беларуси природных условиях других регионов.

1.1. Расчетные схемы исследуемых участков, степень взаимосвязи подземных и поверхностных вод, расположение водозабора относительно русла реки и ее расхода по сравнению с водоотбором и преобладающего источника формирования запасов МППВ разделяются на три типа: 1-ый — месторождения, приуроченные к грунтовым (безнапорным) водам и взаимосвязанные с рекой только через русловые образованияН-ой — месторождения, эксплуатирующие напорные воды, которые взаимосвязаны с рекой через русловые образования и слабопроницаемый слойШ-ий — месторождения, эксплуатирующие напорно-безнапорные воды, взаимосвязанные с рекой через русловые образования и слабопроницаемый слой с гидрогеологическим «окном» /149,150/.

1.2. Установлено, что при опробовании МППВ безнапорного и напорного типов снижения уровней ПВ имеют свои особенности и характеризуются этапами режима фильтрации, описываемыми зависимостями, функции которых переходят одна в другую. Подтверждено проявление режима «псевдосвязи» между уровнями подземных вод в процессе опробования (эксплуатации) многослойных толщ /147,151/.

1.3. Получено новое аналитическое решение расчета понижений в верхнем и нижнем пластах на линии ряда скважин, расположенных вблизи несовершенной реки в стационарной постановке. Полученные зависимости позволяют выполнить оценку производительности водозабора, определить понижение в верхнем пласте, а также решить вопрос о значимости ширины реки при подсчете эксплуатационных запасов подземных вод береговых водозаборов. Предложены критерии отнесения реки к узкой или широкой, что имеет принципиальное значение при выборе расчетных схем для подсчета запасов в речных долинах /149/.

1.4. Доказана необходимость учета естественных колебаний уровней подземных и поверхностных вод при опытных откачках, что достигается проведением цикла режимных наблюдений за уровнями поверхностных и подземных вод во всех скважинах, включая и находящиеся в зоне влияния реки вне радиуса влияния откачки. С учетом корректировки уровней при откачках определен режим фильтрации, получены через корреляционные коэффициенты достоверные срезки в наблюдательных скважинах и оценены фильтрационные параметры пласта и подрусловых отложений /146/.

1.5. Обобщен опыт и получили дальнейшее развитие методы интерпретации данных ОФР. Рассмотрены пределы их применения на основании диагностики откачек и режимных наблюдений, проводимых при разведке МППВ. Усовершенствованы способы определения параметров безнапорного пласта и подрусловых образований. Предложен поэтапный прием интерпретации данных опытных кустовых откачек для многослойных толщ с учетом упругого режима фильтрации в разделяющих слоях /1,148,152,271/.

1.6. Предложена структура наблюдательной сети опытных кустов скважин при разведке (эксплуатации) месторождений безнапорного и напорного типов. Эта структура сети позволяет провести ОФР в едином комплексе, что дает возможность получить более достоверную информацию не только о гидрогеологических условиях разведываемого участка, но и позволяет контролировать состояние качества подземных вод при их эксплуатации. Установка ярусных пьезометров в русле реки позволяет оценить величину отрыва уровня от реки и проследить кольматацию русловых образований в процессе водоотбора /154/.

1.7. Для территорий, включающих краевые части артезианских бассейнов или бассейны в целом, необходимо обоснование выделения единой открытой многопластовой балансово-гидродинамической системы с учетом региональных гидрогеологических и гидрогеохимических особенностей и закономерностей. В основу схематизации природных условий таких территорий положены не только структурно-стратиграфический и геоморфологический, но и балансово-гидродинамический и гидрогеохимический принципы. Выделены четыре фазы процесса схематизации гидрогеологических структур: 1) общее гидрогеологическое районирование территории- 2) гидрогеологическая стратификация, выбор метода расчета и составление специальных карт- 3) обоснование фильтрационной схемы и граничных условий модели- 4) вычислительная схематизация модели /89,153,163,231/.

1.8. Установлены основные закономерности формирования и распределения фильтрационных свойств терригенных и карбонатных пород: а) для всех водоносных пластов характерна фоновая водопроводимость, обусловленная осадконакоплением и диагенезомб) значение величины параметра Т зависит от лито логического состава пород, их эффективной мощности и глубины залеганияв) по мере погружения водоносных горизонтов происходит уменьшение их водопроводимостиг) участки повышенной водопроводимости приурочены к речным долинам крупных рек, зонам тектонических дроблений, участкам переотложения и разуплотнения пород, которые связаны с тектоническими и денудационными процессамид) фильтрационные свойства четвертичных образований зависят от гляциальных и аквагляциальных процессов, а не от мощности отложений /89/.

Пространственная изменчивость фильтрационных свойств разделяющих слабопроницаемых пород обусловлена литологической неоднородностью, глубиной их залегания, мощностью и разуплотненностью в долинах рек. Методом моделирования установлено, что взаимосвязь между водоносными горизонтами осуществляется, в основном, через более проницаемые участки слабопроницаемых слоев или через гидродинамические «окна». Отсутствие корреляционных связей между параметром перетока и мощностью четвертичных отложений указывает на то, что при построении карт проводимости необходимо учитывать литологическую неоднородность, глубину залегания и разуплотненность пород /89/.

1.9. Разработаны концепция и принципы, структура и состав АС8811(2СУ, что обеспечивает хранение, накопление и оперативную обработку информации, создание разномасштабных многофункциональных моделей для решения широкого спектра задач по моделированию подземной гидросферы в прошлом, настоящем и будущем не только для Беларуси, но и для других регионов /156,164/.

1.10. В работе развиты методические основы региональных расчетов водообмена в многослойной бапансово-гидродинамической системе и учета отдельных ИФ ЭРППВ. Исследования, выполненные на примере артезианских бассейнов Беларуси показали, что доля ЕР в общем расходе водозаборов составляет 77%. При этом, для неизолированных водоносных горизонтов она достигает 100%, для изолированных — 60%. В процессе эксплуатации МППВ водообмен в бапансово-гидродинамической системе увеличивается в 1,5−2 раза /163/.

Основным процессом, формирующим эксплуатационные запасы подземных вод, является уменьшение естественной разгрузки в реки, т. е. увеличение перетекания сверху. Натурные исследования и установленные основные закономерности формирования уровенного режима и водоотбора показали, что многослойную толщу осадочного чехла необходимо рассматривать как единую открытую водоносную систему. Однако, при определенном режиме ее эксплуатации можно достичь условия не привлечения поверхностных и грунтовых вод, которые в последнее время являются все более некондиционными.

1.11. Для месторождений подземных вод Беларуси установлены и количественно оценены основные источники формирования ЭЗ и изменение их структуры в процессе водоотбора /130,131,132,147,165,168,171,231 /: при эксплуатации месторождений безнапорного типа основным источником запасов подземных вод являются ПР за счет притока из реки и ЕР. Емкостные запасы горизонта определяют водоприток лишь в начальный период эксплуатации водозабора, а на момент наступления стабилизации составляют менее 1%. При эксплуатации таких месторождений со временем формируется установившейся режим фильтрации.

— в первый период эксплуатации месторождений напорного типа основную долю в водопритоке составляют емкостные запасы водовмещающих пород. На конечный период основным источником формирования водопритока являются привлекаемые ресурсы (запасы) за счет перетекания из поверхностных водотоков и частично из верхнего горизонта. Структура запасов непостоянна во времени и зависит от параметра перетока (%) разделяющего слоя и сопротивления ложа реки (AL). Неоднородность по проводимости фильтрационного поля эксплуатируемого пласта не оказывает существенного влияния на динамику структуры запасов. При эксплуатации месторождений данного типа формируется неустановившийся режим фильтрации, приближающийся к установившемуся. При % > 1СГ* 1/сут они работают в установившемся режиме фильтрации, что обусловлено перетеканием из поверхностных водотоков, которое через 3−5 лет эксплуатации составляет более 50% от водоотбора и на конечный период достигает 80%.

1.12. Предложен методический подход к прогнозированию обеспеченности республики хозяйственно-питьевыми водами, включающий следующие этапы ! работ: 1). Информационный поиск и диагностика данных- 2). Схематизация гидрогеологических условий с обоснованием фильтрационной и конечно-разностной схем модели- 3). Идентификация региональной и локальных моделей к природным и нарушенным условиям- 4). Решение прогнозных задач фильтрации подземных вод и массопереноса /159/.

2. В регионально-гидрогеологическом аспекте впервые для артезианских бассейнов Беларуси выявлены общие гидродинамические закономерности зоны активного водообмена с учетом пространственной изменчивости фильтрационных свойств пород. Выполнена схематизация гидрогеологических условий, в основе которой создана региональная фильтрационная модель «BELARUS» с моделями-врезками Ml 111 В. Дан прогноз обеспеченности республики водой на перспективу с учетом допустимых понижений по линии водозаборов и изменения качества на участках условно загрязненных поверхностных и грунтовых вод и с оценкой последствий интенсивного водоотбора на речной сток и грунтовые воды /162,163/.

2.1. В процессе схематизации гидрогеологических условий в разрезе балансово-гидродинамических систем артезианских бассейнов республики автором выделяется три гидрогеологических этажа: верхний и средний, отнесенные к зоне активного водообмена с ППВ, и нижний — к зоне замедленного водообмена с минеральными водами. Формирование ППВ верхнего этажа определяется климатом, гидрографией, геоморфологией и гидрогеологическими условиями, среднего — крупной речной сетью и геолого-структурным фактором, нижнего, в основном, геолого-структурным /231/.

Анализ фактических и модельных карт гидроизопьез водоносных горизонтов показывает, что водораздельные пространства являются областью питания ППВ с нисходящей фильтрацией, а речные долины, пониженные элементы рельефа и эрозионные врезы — зонами разгрузки с восходящей фильтрацией, которые влияют на латеральные потоки верхнего этажа. В среднем и нижнем этажах из-за) уменьшения интенсивности вертикального водообмена и скорости фильтрации это влияние незначительное и латеральные потоки становятся региональными /89,231/.

2.2. Расчетная схема модели «BELARUS» состоит из четырех эксплуатируемых водоносных пластов, содержащих ППВ четвертичных и дочетвертичных пород, и пятого — пласт минеральных вод, разделенных между собой слабопроницаемыми слоями. Для них впервые автором построены и уточнены карты водопроводимости и вертикальной проводимости с обоснованием гидрогеохимических границ и граничных условий подземной гидросферы /89,161,162,163,165/. Установлена загрязненность поверхностных водотоков, а также изменение содержания отдельных химических компонентов в подземных водах в процессе их интенсивного отбора /175/.

2.3. Установлены геофильтрационные параметры водоносных пластов и слабопроницаемых слоев единой расчетно-балансовой гидродинамической системы Беларуси и выявлены основные закономерности их распределения по площади и в разрезе. В зоне активного водообмена коэффициент фильтрации слабопроницаемых слоев изменяется от Ю-5 до 10~3 м/сут, а региональных водоупоров — от Ю-6 до 10″ 4 м/сут. Фоновая проводимость карбонатных водоносных горизонтов и комплексов не превышает 20 — 50 м2/сут, увеличение проводимости от 100 до 2000 м2/сут связано с процессами тектонического дробления и образования денудационной трещиноватости в зоне гипергенеза. Водопроводимость дочетвертичных л терригенных пород изменяется от 100−200 до 600−800 м /сут и зависит, в основном, от эффективной их мощности, так как они сравнительно однородны по гранулометрическому составу и значениям коэффициента фильтрации. Водопроводимость четвертичных межморенных образований весьма изменчива л от 10−25 до 400−700 м /сут и зависит от аквагляциальной ситуации во время осадконакопления, что рекомендуется учитывать при проведении геофильтрационного районирования территории /89/.

2.4. Выявлены основные закономерности формирования естественных и ЭР ППВ Беларуси, из которых следует: ЕР зоны активного водообмена в целом л составляют 35 139 тыс. м /сут, а основных напорных водоносных пластов 6 511 тыс. м /сут, что составляет 20−25% от общего подземного стока. Основным источником формирования ЭЗ являются ЕР. ПР составляют 22%. Емкостные запасы на конечный период прогнозирования обеспечивают незначительную часть расхода водозаборов /163/.

2.5. Показано, что влияние прогнозируемого водоотбора на природную среду будет незначительным — сокращение речного стока прогнозируется лишь на 8−20% от минимальной его величины 95% обеспеченности летней и зимней межени, снижение уровня грунтовых вод до 20 метров и более может произойти только на локальных участках в пределах центральных частей депрессий. Значительная доля в общем водоотборе ПР — грунтовых и поверхностных вод создает угрозу ухудшения качества запасов ППВ, что требует организации специальной режимной сети /89,163/.

2.6. На региональной модели оценено взаимодействие водозаборов друг с другом и воздействие их на состояние подземной гидросферы в целом на настоящий и прогнозный период. Установлено, что на территории республики в результате перспективного водоотбора сформируется шесть региональных.

О 0 депрессий, площадью от 3,6 млн м до 58,9 млн м. Исключением является безнапорный пласт, где развитие и конфигурация депрессий определяются наличием гидрографической сети и ДЬ/89,163,165/.

2.7. Установлено, что доля подтока минеральных вод в формировании ЭЗ ППВ л составляет около 20 тыс. м /сут по республике в целом. При этом, минерализация отбираемых смешанных вод останется в пределах установленного стандарта (< 1 г/дм), за исключением, возможно, отдельных районов интенсивного водоотбора I при наличии тектонических нарушений или маломощного слабопроницаемого слоя между пресными и минеральными подземными водами. Результаты моделирования поступления загрязняющего мигранта с зеркала грунтовых вод и поверхностных водотоков показали, что при эксплуатации подземных вод содержание его не превысит предельно допустимых концентраций, за исключением участков незащищенности напорных горизонтов (места наличия гидрогеологических «окон») /163/.

На основе выполненных исследований разработана легенда картирования эксплуатационных запасов подземных вод и для них построена карта с элементами геоэкологии, отвечающая требованиям построения схем комплексного и рационального освоения водных ресурсов. Легенда карты ЭР (запасов) ППВ с элементами геоэкологии включает: информацию о разведанных и перспективных МППВ, величине модулей прогнозных ЭР и запасов подземных вод, прогнозируемых величинах влияния интенсивного водоотбора на природную среду: изолинии понижений уровня подземных вод, ущерб речному стоку, подток минеральных вод и др. /170/.

3. В ресурсно-балансовом аспекте рассмотрены факторы формирования и закономерности площадного распределения естественных и ЭР ППВ по территории Беларуси.

3.1. Обоснована приходная часть перспективного водохозяйственного баланса, который на дальнесрочную перспективу является положительным. Потребность в воде обеспечивается разведанными запасами — 6.7 млн. м /сут, а эксплуатационные ресурсы — 49 млн. м /сут. Основными факторами, обуславливающими формирование и территориальное распределение ЭР, являются проводимость водоносных горизонтов и условия возобновления — возможность привлечения ресурсов в пределах распространения основных эксплуатируемых водоносных комплексов, в которых формируется около 40% прогнозируемых ЭР Беларуси. Разведанность ЭЗ ППВ к прогнозным ЭР по республике составляет 13%, административным областям — 10−17, артезианским — 8−15 и речным бассейнам -7−94%. В перспективе для централизованного водоснабжения прогнозируется эксплуатация 56 водозаборов производительностью до 10 тыс. м /сут- 107 — от 10 до 30- 56 — от 30 до 50- 25 — от 50 до 100 тыс. м3/сут и только 4 водозабора — более 100 тыс. м3/сут/80,89,162,167,169,172,173, 175,231/.

3.2. Модуль прогнозных ЭР ППВ по территории республики изменяется в пределах — от 1 до 5 л/с/км и более. Величина модуля ЭЗ ППВ в пределах шести региональных депрессий колеблется от 0,3 до 0,92 л/с/км2. Наибольшие величины Мэз характерны для Бобруйско-Гомельской и Гродненско-Лидской депрессий — 0,8 и 0,92 л/с/км2 соответственно. Для остальных депрессий Мэз в среднем составляет 0,4 л/с/км. Полученные значения Мэз можно использовать для сравнения эксплуатационных возможностей различных участков водоносных пластов.

I моделируемой геофильтрационной схемы территории республики /163/.

3.3. Распределение ЕР по территории административных областей и районов республики, а также речных бассейнов крайне неравномерно и связано, прежде всего, с характером рельефа, мощностью зоны аэрации, литологией покровных и водовмещающих пород. Наибольшее количество ЕР в Минской области, наименьшее — в Брестской. Доля артезианских бассейнов в общих ресурсах подземного стока в реки следующая: Прибалтийский — 4,7 км /годБрестский — 1,8- Оршанский — 6,0- Припятский — 3,4 км /год. Из основных речных бассейнов наиболее значительные ресурсы установлены в водосборе р. Днепр (вместе с р. Припять) — 7,8 км3/год, наименьшие в водосборе р. Зап. Буга — 0,5 км3/год. Долевое участие толщ в формировании ресурсов подземных вод изменяется от менее 1% (силурийско-кембрийский комплекс и воды фундамента) до 65% (четвертичный комплекс). Обобщенный модуль питания водоносных горизонтов изменяется по территории от 5,0−4,5 л/с/км на приподнятых участках Белорусской и Ошмянской гряд и до 1,0−0,5 л/с/км на низинных площадях Полесья и Поозерья. Самые высокие значения модулей свойственны четвертичным отложениям (1,6 л/сек/км). В общем речном стоке Беларуси на долю подземных вод приходится 47% /89, 166,167,169,172,173,175,176,231/.

Основные задачи дальнейших исследований связаны с расширением и детализацией региональной модели «BELARUS» с многофункциональными моделями-врезками, включающей блоки не только подземной, но и наземной гидросферы. В качестве одного из приоритетных направлений теоретических исследований следует выделить разработку теории и методов оценки пространственно-временной изменчивости фильтрационных свойств пород в процессе эксплуатации МППВ, что повысит достоверность моделирования. Важнейшей задачей в области создания модели подземной и наземной гидросферы республики является совершенствование программного обеспечения и разработка новых методов моделирования. Особый теоретический и практический интерес) представляет совершенствование проведения крупномасштабной геоэкологической съемки городских агломераций с целью построения разномасштабных специальных гидрогеохимических карт и установления достоверных границ распространения загрязнения. Немаловажным является усовершенствование гидрогеохимической режимной сети и организация проведения опытно-миграционных работ в полевых и лабораторных условиях с целью получения информации о качестве поверхностных и подземных вод в контрольных точках, определения геомиграционных параметров по горизонтам динамичной и гидравлически взаимосвязанной водоносной системы.

Интенсивная эксплуатация подземной гидросферы должна сопровождаться систематическим контролем и оценкой происходящих процессов путем сопоставления фактических и модельных данных. I.