Гидрогеологические особенности и геоэкологические последствия многолетней эксплуатации Северо-Дагестанского артезианского бассейна

Территория Северного Дагестана — Терско-Кумское междуречье — это район с аридным климатом, где вопросы питьевого и хозяйственного водоснабжения всегда стояли наиболее остро. Поиск и разведка месторождений подземных вод для нужд народного хозяйства, оценка их естественных и эксплуатационных запасов являлись важнейшими задачами, которые ставились перед гидрогеологами. В этих целях необходимо было детально изучать вопросы формирования и размещения подземных вод, проследить естественную динамику движения от областей питания до областей разгрузки, оценить взаимосвязь между водоносными горизонтами, поверхностными, подземными и морскими водами окаймляющего бассейн с востока Каспийского моря.

Начиная с середины пятидесятых годов этим комплексом исследований занималась лаборатория гидрогеологии Института геологии Даг. ФАН СССР, в которых с 1979 года автор принимал участие. Под руководством Курбанова М. К. ежегодно проводились режимные наблюдения над уровнями, температурами и химическим составом подземных вод, что позволило выяснить условия циркуляции и дренажа артезианских вод, их зональность, впервые дать комплексную оценку их запасов и ресурсов. Открытие газонефтяных месторождений в мезозойских отложениях Северного Дагестана, где нет поверхностных вод, дало мощный импульс в расширении геолого-разведочных работ на ресурсы пресных подземных вод. К настоящему времени в Северо-Дагестанском артезианском бассейне (СДАБ) эксплуатируется около 3000 артезианских скважин.

Таким образом, став объектом систематических исследований более полувека назад, Терско-Кумский артезианский бассейн является одним из наиболее изученных гидрогеологических резервуаров на юге России. Поскольку подавляющее большинство артезианских скважин эксплуатируется в предельном гидродинамическом режиме самоизлива, весьма актуальными становятся проблемы, связанные с техногенным воздействием интенсивных разработок подземных флюидов на природную среду.

Известно, что состояние водных ресурсов бассейна является наиболее ярким показателем изменений, происходящих в геосфере. Истощение запасов пресных и слабоминерализованных артезианских вод, ухудшение их качества, падение напоров в эксплуатационных горизонтах, затапливание и засоление приартезианских земель — вот те неблагоприятные факторы, невнимание к которым наносит значительный ущерб геоэкологии региона в целом и может привести к кризисным явлениям в водоснабжении при непринятии адекватных мер.

В развитых странах уже давно изучение режима подземных вод стало одной из важнейших задач, решение которой позволяет строить прогнозы и давать оценки степеней риска для окружающей среды от разработок крупных водозаборов. Обширная сеть опорных наблюдательных скважин, равномерно. разбросанных по площади района разработки и дающих информацию в течение многих лет, позволяет строить математические модели, достаточно точно описывающие реальные гидродинамические процессы, происходящие' на глубинах.

Надо признать, что, несмотря на многократное увеличение добычи артезианских вод начиная с 60-х годов прошлого века, на территории СевероДагестанского артезианского бассейна полноценные режимные наблюдения по скважинам не велись. Лишь за последние годы имеются данные по нескольким опорным пунктам (Южносухокумск, Терекли-Мектеби т.д.), но их, во-первых, явно недостаточно для построения достоверных моделей, во-вторых, они не отражают вековую историю ТерскоКумского артезианского бассейна, от начала разработки, когда гидрогеологическая система была в равновесии, до настоящего времени «больших депрессий» .

Наряду с постоянно увеличивающимся отбором артезианских вод, в Дагестане идет интенсивная разработка нефтяных и газовых залежей, а, начиная с 50-х годов прошлого века, и геотермальных месторождений. В итоге из недр извлекаются большие объемы флюидов, освобождая еще большие объемы порового пространства. Подобная ситуация очевидно наводит на мысль о возможных как локальных проседаниях грунта над отдельными флюидными месторождениями, так и региональных оседаниях поверхности земли от повсеместной эксплуатации Северо-Дагестанского артезианского бассейна.

Учитывая особенности рельефа Северо-Дагестанской равнины, даже незначительные усадки дневной поверхности могут привести к подтоплению больших площадей земли в прибрежной полосе Каспийского моря. Кроме того, некоторые геотермальные месторождения, эксплуатация которых длится 50 и более лет, такие, например, как Махачкала-Тернаирское месторождение, и для которых существует реальная опасность локального оседания, находятся не только у береговой линии, но и непосредственно в черте города (со всеми вытекающими из этого последствиями).

Все эти и многие другие факторы сводятся к необходимости и своевременности постановки задач о количественной оценке 1) размеров образовавшейся депрессии- 2) возможного вертикального смещения пластов в результате вековой эксплуатации месторождений подземных флюидов- 3) площадей подтопления прибрежных земель морскими водами при максимальных оседаниях- 4) влияния депрессии в напорных горизонтах, расположенных наиболее близко к поверхности, на уровень грунтовых вод и процесс опустынивания северо-дагестанских районов, а также на процесс распространения загрязнения артезианских вод.

Не касаясь в данной работе нефтяных и газовых месторождений, все перечисленные геоэкологические проблемы рассматриваются для активно эксплуатирующегося плиоцен-плейстоценового комплекса на всей территории Северо-Дагестанского артезианского бассейна. Частично также затронуты вопросы техногенного воздействия на некоторые геотермальные природные системы, объектом использования в которых являются подземные воды караганских и чокракских термоводоносных горизонтов.

В результате проведенных исследований выявлены основные закономерности формирования депрессионных зон, их развития и распространения по всей территории Северо-Дагестанского бассейна. Показано как под воздействием постепенно меняющегося геофильтрационного поля плиоцен-плейстоценовых отложений, меняется естественная гидродинамическая картина подземного стока.

В пределах площади, ограниченной границами Северного Дагестана, выделены участки с максимальными экологическими рисками, явившимися следствием многолетней эксплуатации артезианского бассейна.

Работа выполнена в институтах ИГ и ИПГ, где, начиная с 1979 г., автор принимал участие в качестве рядового и ответственного исполнителя плановых тем гидрогеологических и геотермических исследований по Дагестану и Восточному Предкавказью.

Для построения детальных карт гидродинамических параметров привлечен и систематизирован первичный материал по скважинам, пробуренным на изучаемой площади за столетний период, существующий фондовый материал научных и научно-производственных организаций: АО «Дагнефть», б. Дагестанской геологической комплексной экспедиции, б. Северо-Кавказской разведочной экспедиции и НПО Дагбургеотермия, Северо-Кавказского геологического управления и других организаций.

В работе над составлением карт гидродинамических параметров неоценимую помощь оказали консультации к.г.-м.н. Кудрявцевой К.А.

Особую благодарность автор выражает доктору геолого-минералогических наук Курбанову М. К. за научное руководство, внимание и требовательность.

1. На основе анализа многочисленных данных, опубликованных в научной литературе, обширного фондового материала и многолетних исследований автора построены карты глубин залегания, общих и эффективных мощностей, песчанистости, коэффициентов фильтрации водоносных горизонтов бакинских и апшеронских отложений Северо Дагестанского артезианского бассейна. С целью сравнительной оценки последствий многолетней эксплуатации бассейна, карты абсолютных пьезометрических уровней водоносных горизонтов апшерон древнекаспийских отложений составлены в естественных, не нарушенных эксплуатацией, условиях и в современных условиях (с использованием результатов математического моделирования). Прослежено движение подземных вод от областей питания до областей разгрузки, изменение горизонтальной и вертикальной скоростей фильтрации вдоль линий тока, оконтурены области субмаринной разгрузки. Дана оценка вертикальных градиентов напора в естественных условиях, общего бокового притока в бассейн и разгрузки под акваторию Каспия.2. Произведены расчеты: 1) объемов артезианских вод, добытых из бакинских и апшеронских водоносных горизонтов за весь период эксплуатации, как по районам, так и по всему Северо-Дагестанскому артезианскому бассейну- 2) объемов упругих запасов артезианских вод, заключенных в водоносных горизонтах бакинских и апшеронских отложений, также по районам. Сравнение показало, что в некоторых районах, таких, как Ногайский, Тарумовский, Хасавюртовский, упругие запасы апшеронских вод уже полностью выработаны.3. Предложена методика, с помощью которой можно сделать выводы о динамике изменения напоров в условиях отсутствия стационарного мониторинга. Она позволила построить графики зависимости уровня подземных вод от времени эксплуатации напорного пласта для больших и малых водозаборов, приуроченных к различным населенным пунктам и выявить характерный для месторождений подземных вод северного Дагестана тип кривой снижения гидростатических напоров. Создан целевой банк гидрогеологических и геофизических параметров для плиоцен четвертичных отложений, приспособленный для решения нестационарных задач плановой фильтрации на территории Северо-Дагестанского артезианского бассейна.4. В результате проведенных исследований, с использованием методов математического моделирования гидродинамического процесса эксплуатации артезианского бассейна, выявлены основные закономерности формирования депрессионной зоны, ее развития и распространения по всей территории Северо-Дагестанской равнины. Показано, что в настоящее время в зону депрессии вовлечена вся область фильтрации, в той или иной степени. Если смещение пьезоизогипс наблюдается на всей территории междуречья Кума-Сулак, то конфигурация пьезоизогипс изменяется, в основном, в Терско-Кумской области, где, как в апшеронском, так и в бакинском водоносных комплексах линии тока, имевшие явно выраженную северо-восточную направленность, разворачиваются в сторону образовавшейся депрессии. Таким образом, налицо изменение вектора горизонтальной составляющей естественного фильтрационного потока. Сравнение карт современных абсолютных пьезометрических уровней по апшеронскому и бакинскому водоносным комплексам, построенных по результатам моделирования, позволило сделать вывод об изменении направленности вертикальной составляющей фильтрационного потока подземных вод на территории Терско-Кумского междуречья: если до начала разработки артезианского бассейна основная часть апшеронских напорных вод разгружалась в грунтовые воды на всей рассматриваемой площади, то в настоящее время разгрузка осуществляется в полном объёме через открытые артезианские скважины, а направление вертикальной фильтрации изменилось на противоположное.5. Резюмируя вышесказанное, отметим, что естественная гидродинамическая картина подземного стока за последние десятилетия эксплуатации плиоцен-четвертичных отложений Северо-Дагестанского артезианского бассейна претерпела настолько большие изменения, что они стали соизмеримы с природными процессами: большая депрессионная воронка, возникшая на побережье Кизлярского залива, постепенно углубляясь, захватывает всю территорию междуречья, меняется направление движения подземных вод, характер их разгрузки, сток в Каспий.6. По результатам детальных расчётов построена схематическая карта оседания дневной поверхности территории Северного Дагестана под воздействием многолетней эксплуатации подземных вод артезианского бассейна (рис. 5.1.2). Изолиния максимального оседания почвы охватывает долину реки Терек, включая Кизлярский водозабор, здесь величины деформации достигают 60 см и более. Значительным деформациям подвержены и бассейны рек Прорва и Таловка: абсолютные величины оседания здесь изменяются от 30 до 60 см. К северу и северо-западу от Кочубея значения этих величин снижаются и колеблются вокруг средней цифры — 20 см. Изолиния с отметкой 20 см, изображенная на рис. 5.1.2, постепенно смещается в западном направлении, охватывая всё большую площадь, со скоростью, пропорциональной скорости распространения депрессионной воронки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что наметились тенденции к оседанию северных областей республики, причём это стало следствием многолетней эксплуатации подземных вод. Хотя наиболее сильно подвергаются деградации земли вокруг больших водозаборов, более масштабные по площади охвата и абсолютной величине усадки характерны для прибрежных территорий Северного Дагестана.7. Дана оценка возможного смещения морской границы и определены направления, вдоль которых затопления могут оказаться максимальными Установлено, что направления максимальных затоплений совпадают с руслом реки Прорва, междуречьем Прорва — Таловка, Таловка — Старый Терек, долиной Терека.8. По результатам расчетов для территории дагестанской части ТКАБ построена схематическая карта абсолютных величин снижения уровня грунтовых вод, которая, будучи совмещена со схемой глубин залегания уровня грунтовых вод, дает картину изменения уровня грунтовых вод за период эксплуатации бассейна. В результате многолетней интенсивной эксплуатации артезианских горизонтов, процесс снижения уровня грунтовых вод охватил всю территорию Терско-Кумского междуречья Дагестана. Наиболее значительные снижения уровня грунтовых вод приурочены к северным частям Ногайского и Тарумовского районов: на северо-западе, в районе Южносухокумска, абсолютные значения снижения уровня грунтовых вод достигают 90 и более сантиметровцифра 70 см охватывает почти весь район Прикумской зоны поднятий, а значение 50 см характерно для всей области, находящейся над депрессией. С повсеместным снижением уровня грунтовых вод, которое, в свою очередь, стало следствием развития региональной депрессии в напорных водоносных горизонтах плиоцен-четвертичных отложений в результате столетнего периода эксплуатации Северо-Дагестанского артезианского бассейна, может быть напрямую связано опустынивание территорий Северного Дагестана. Такие природные факторы, как удаленность территории от основных областей питания, особенности рельефа дневной поверхности, климата и геологического строения, малые скорости фильтрации, а также техногенные факторы, как наличие множества эксплуатирующихся водозаборов, «перехватывающих» подземный сток и продолжающееся падение напоров, не позволяют рассчитывать на быстрое восполнение запасов естественным потоком подземных вод и потому процесс снижения уровня грунтовых вод принимает необратимый характер.9. Установлено, что на рассматриваемой территории существуют условия для техногенного загрязнения подземных вод продуктами нефтепромысла, которые проникают 1) в артезианские воды в процессе бурения и эксплуатации нефтяных месторождений- 2) в почву, грунтовые воды (глубина залегания от 0,5 до 5−10 м) и, в условиях образующихся депрессионных воронок, достигают неглубоко залегающих водоносных горизонтов (глубина кровли апшерона 80−150м), далее распространяясь с потоком артезианских вод в восточном и юго-восточном направлении (рис. 5.4.1). Подобному проникновению может способствовать наличие зон повышенной проницаемости в геофильтрационном поле плиоцен четвертичных отложений. В данной работе едва затронуты проблемы мышьяковистого и прочего загрязнения пресных подземных вод СДАБоб интенсивности этих процессов, угрожающих водоснабжению целого региона, говорится в работах Курбанова М. К., где обосновывается естественное поступление мышьяка из вмещающих пород. Однако загрязнение артезианских вод с большой долей вероятности может происходить и за счет техногенного фактора.10. На примере полувековой эксплуатации Махачкала-Тернаирского геотермального месторождения показано, что многолетняя разработка глубокопогруженных геотермальных горизонтов может привести к ряду геоэкологических проблем, аналогичных вышеизложенным. В частности, наблюдается ухудшение качества термальных вод, а большие объемы добычи за эксплуатационный период привели к формированию гидродинамической депрессии, выработке упругих запасов и положили начало необратимому процессу оседания дневной поверхности на территории, соизмеримой с площадью месторождения.11. На основании изложенного произведена геоэкологическая оценка стабильности всей территории Северного Дагестана, которую демонстрирует схематическая карта деградации региона (рис. 5.6). Из карты видно, что самая нестабильная ситуация отмечается на северо-западе области, на территории, приуроченной к Сухокумской группе нефтяных месторождений и ряду населенных пунктов, где сосредоточена максимальная антропогенная нагрузка на окружающую среду и поэтому эту зону можно отнести к зоне максимального экологического риска. Надо признать, что вся система деятельности по бурению и многолетней эксплуатации артезианских скважин на территории СДАБ явилась ярким примером нерационального природопользования. Запасы пресных подземных вод на самых начальных стадиях разработки месторождений надо было отнести к разряду стратегических и расходовать очень экономно. Бесхозяйственно эксплуатировать скважины в предельном гидродинамическом режиме — об этом факте постоянно упоминают в своих публикациях гидрогеологи. Сотни пришедших в негодность скважин надо ликвидировать, остальные перевести на краново-диафрагменный режим. Если в 70−80г.г. звучали рекомендации об установлении критических дебитов отбора, то в настоящее время речь должна идти о минимальных дебитах отбора, обусловленных жизненной необходимостью. Нерационально использовать артезианские воды на орошение сельскохозяйственных угодий даже в условиях аридного климата: отборы больших объемов воды для этих целей, окультуривая незначительные площади, наносят огромный ущерб экологии региона в целом. Необходимо произвести учет всех новых, в том числе бесконтрольно пробуренных артезианских скважин. Выяснить с какого времени они функционируют, в каком режиме эксплуатируются, сделать замеры давлений, дебитов и т. д. Важно рационально разместить систему опорной наблюдательной сети скважин и наладить повсеметно мониторинг. Наличие наблюдательных скважин на всех крупных водозаборах, в местах прогнозируемых больших депрессий, нефтепромыслах, геотермальных месторождениях, сельскохозяйственных комплексах — обязательно. Необходимо расширить научные исследования на стационарных наблюдательных пунктах, а также проводить ежегодные полевые выезды на активно эксплуатирующиеся скважины с целью замеров давлений, дебитов, отбора проб воды для химического анализа, а также изучения экологического состояния их окрестностей. При этом добиваться, чтобы подобными исследованиями было охвачено как можно больше скважин. Помимо изучения изменения во времени гидродинамических и гидрохимических характеристик водонапорной системы, в районе стационарных наблюдательных скважин должны быть установлены реперы и налажены замеры уровня грунтовых вод. Необходимо также производить замеры УГВ на скважинах, находящихся в значительном удалении от больших водозаборов, в районах, не охваченных хозяйственной деятельностью. Опорные наблюдательные станции должны быть оснащены современной высокоточной аппаратурой и автоматизированной системой сбора информации в единый центр управления. Все эти задачи специалистам под силу решить лишь под эгидой государственной научнотехнической программы по охране и рациональному использованию подземных вод Терско-Кумского артезианского бассейна.