ISSN 1991-3494 № 3. 2017 B U L L E T IN OF N A T IO N A L A C A D E M Y OF SCIEN CES
OF TH E R EPU B LIC OF K A ZA K H STA N ISSN 1991-3494
V olum e 3, N um ber 367 (2017), 13 - 26
UDC 556.03.048
Y. V. S o tn ik o v , V. M . Ib ra im o v
NJSC «Kazakh National Research Technical University named after K. I. Satpayev» Almaty, Kazakhstan.
E-mail: [email protected], [email protected]
CALCULATED WATER DEMAND AS THE MAIN FACTOR INFLUENCING THE RELIABILITY OF HYDROGEOLOGICAL
FORECASTS AT THE EVALUATION OF GROUNDWATER ELASTIC RESERVES
A bstract. The article covers the problems of low reliability of hydrogeological forecasts concerning the state of groundwater resources due to significant difference between the amount of estimated elastic reserves registered on governmental level with included in prognostic calculations and actual water intake dynamics of its temporal variations. As a result, it leads to overestimation of prognostic levels with actual state.
This problem is most acute within the Almaty urban agglomeration. The choice of this region as a pioneer is obvious for hydrogeologists. Within the limits of the allocated territory as of 2008, the state balance accounts for about 15% of the total value of the drinking water quality of groundwater resources in the Republic of Kazakhstan.
The volume of groundwater production within the region is about 45%. This burden on the subsoil is not presented in any other region of the Republic of Kazakhstan.
On the basis of available developments in this issue, given appropriate solutions and ways of changing existing approaches to hydrogeological forecasts in estimating groundwater reserves are proposed to eliminate emerging inconsistencies, i.e. the implementation of forecasting taking into account the real, rather than overestimated in the calculation of the dynamics of water withdrawal.
Keywords: groundwater supply, reliability of hydrodynamic forecasts, actual water intake, management of operation.
The reliability o f hydrogeological forecasting has alw ays been o f great interest, both fo r the authors o f the forecasts them selves and for users.
W ith respect to the task o f assessing the operational reserves o f groundw ater, the reliability o f forecasts is determ ined prim arily by:
- the possibility o f extracting the required am ount o f w ater for the entire design life o f the w ater intake facility;
- the correspondence betw een the m agnitude o f the predicted and actual depressions o r depths o f the dynam ic levels o f groundw ater;
- com pliance o f the quality o f the selected w ater w ith the forecasted life o f the w ater intake facility.
In this article, the m ain focus is on the quantitative side o f the issue un der consideration, stressing th at a favourable and reliable forecast is an effective basis fo r subsoil use m anagem ent and the basis for resolving the issues o f subm itting subsoil use rights fo r the production o f groundw ater to new subsoil users.
This problem is particularly acute in the areas exploited by m any subsoil users: in large cities, urban agglom erations located on the area o f artesian basins, interm ountain depressions and other areas, w here groundw ater is exploited in conditions o f intensive interaction betw een existing w ater intakes. Even m ore intensive interaction is expected betw een existing and projected w ater intakes w ith a load equal to the approved groundw ater reserves [1].
A s an exam ple, let us consider the A lm aty city agglom eration. The core o f the m etropolitan area is one o f the tw o cities o f republican subordination o f A lm aty, w hich population, as o f 2016, is 1,716,779 people. The total population o f the agglom eration for 2015 am ounted to 2 460.4 thousand people.
The question o f assessing the correspondence betw een forecasts and nature is relevant fo r about h a lf a century.
In the authors' opinion [1], the reliability o f the perform ed predictions depends on tw o groups o f com ponents:
- hydrogeological param eters and boundary conditions adopted in the calculations (hydrogeological m odels) or calculation schem es;
- design costs o f settlem ent w ater intakes and th eir allocation schemes.
The first group o f questions alw ays caused the m o st attention o f hydrogeologists. C urrently, it is being solved by creating hydro-geological m odels and selecting param eters and boundary conditions to achieve a m atch betw een the m odel and nature in natural and disturbed conditions. The second group o f questions is usually no t seriously considered, and the calculations use the specified needs and the designed w ell pattern developed by the authors [1].
In the m id 60-ies o f the X X century, the M inistry o f G eology o f the U SSR , in A R R IH E G it was assigned w ork on the convergence estim ate o f exploration data and the operation o f existing w ater intakes.
This w ork w as carried out throughout the territory o f the U SSR, and its results w ere subsequently sum m arized in L.S. Y azvin's book "R eliability o f hydrogeological forecasts in assessing the operational reserves o f groundw ater" [2], w hich becam e his m ain doctoral dissertation.
The essence o f the convergence estim ate o f exploration data and the operation o f existing w ater intakes consisted o f the following:
- w ith the param eters obtained during the exploration and calculation o f the reserves, and the boundary conditions, the w ater intake calculation w as applied to the actual arrangem ent o f the w ells, w ith th eir actual capacity;
- the calculated low ering o f the level obtained in the calculation w as com pared w ith the actual one;
- the analysis o f the reasons revealed at com parison o f actual and calculated level depressions was carried out.
- analysis o f the reasons for the discrepancy betw een forecasts and operating data and identification o f the m ain sources o f the form ation o f g roundw ater operational reserves;
- selection o f the optim al design schem e w as m ade based on the analysis o f operating data for the revaluation o f groundw ater resources.
A s a result o f com parison o f the calculated and actual depressions o f the levels, it turned out th at in m ost cases th eir calculated values significantly exceed the actual ones.
The authors did no t set out to consider all the reasons for these discrepancies, bu t the m ain ones are related to the follow ing. Since the piezoconductivity coefficient o f the pressure w ater w as close to 106 m 2/day in the case o f evacuations during experim ental filtration operations, w hich corresponded essentially to the Thijs schem e (isolated reservoir), the calculations w ere carried out form ally. A s a rule, only the geom etric outlines o f boundaries w ere taken into account, and such factors as overflow w ere not considered in. To elim inate this contradiction, the concept o f "generalized" param eters w as introduced.
M ost often, the piezoconductivity coefficient value (usually close to 104 m2/day) w as chosen, at w hich the calculated and actual level reduction at the calculated m om ent coincided [1].
Thus, w e have considered the first part o f the question - justification o f the initial data for forecasting w ith the purpose o f counting (reassessing) operational reserves. This is the m ost developed part o f forecasting issues. Form ally, on the basis o f this, the appraisal (reassessm ent) o f the operational reserves is carried out. W ith sufficiently substantiated input data fo r forecasting its reliability w ill correspond to the reliability o f the initial data o f the calculations, since the m ethodology its e lf and the technology o f predic
tive calculations can be considered reasonably justified theoretically, practically and m ethodically [1, 2].
W hy, then, com paring the results o f forecast calculations and the actual position o f groundw ater levels, do we observe significant discrepancies in them ?
A nalysis o f operational experience o f a num ber o f deposits o f the foothill plum e o f the Z ailiysky A latau allow ed to identify the m ain reasons for this discrepancy. L et us consider them in m ore detail:
The first circum stance is connected w ith the current m ethodology for calculating the operational reserves o f groundw ater, placing them on the state balance and th en taking into account the stocks th at are on state records w hen calculating new w ater intakes o r revaluing reserves. The existing practice o f counting operational reserves developed in the 70-80s o f the X X century is reduced to the following:
14
ISSN 1991-3494 № 3. 2017 - a priority need;
- a long-term need;
- the m axim um possible w ater abstraction.
W ith the regional assessm ents, the above schem e has been preserved, w hile also possible w ater abstraction in perspective areas is also estim ated. The calculated reserves o f categories A, B, Ci and C2 are pu t on the state balance and are taken into account in subsequent calculations o f the interaction o f w ater intakes.
D espite the fact th at often w ater requirem ents w ere determ ined w hen developing integrated schem es for the use and protection o f w ater resources, and for specific cities and other consum ers w ere calculated by the m ain design institutes, they w ere repeatedly overestim ated. This has led to a large gap betw een the claim ed w ater requirem ents (approved reserves) and actual w ater abstraction. A ccordingly, the level forecast perform ed in the calculation o f reserves has a very significant difference w ith the actual levels observed in the operation o f w ater intake facilities.
Excessively high dem and for w ater is difficult to explain. It should be noted th at the norm s o f w ater consum ption used in the U S S R (500 dm 3/d ay fo r 1 person) w ere alm ost 2.5 tim es hig her th an those in Europe [2]. A lso in the 1970s and 1980s, there w as an aspiration to build up the m axim um possible opera
tional reserves at each individual field.
The second circum stance causes significant differences betw een the predicted and actual use o f groundw ater and is associated w ith the follow ing. W ater supply o f cities and groups o f settlem ents w as planned at the expense o f large centralized w ater intakes outside the urbanized territories w ith the elim i
nation o f single w ater intakes w ithin urban areas and other ecologically unfavorable places. H ow ever, the real developm ent took a different path. E xplored sites located at a distance from w ater users have no t been developed, and the system o f single w ater intakes is developing to this day.
A n exam ple o f this situation is the A lm a-A ta deposit o f g roundw ater in the foothill plum e o f the northern slope o f the Trans-Ili A latau. To p revent pollution o f groundw ater w ithin A lm aty, in 1990, the State C om m ittee o f the U S S R recom m ended the liquidation o f departm ental w ater intakes w ith the transfer o f enterprises to centralized w ater supply. The num ber o f departm ental w ater intakes w ithin the A lm a-A ta deposit since the previous approval o f operational reserves has increased and currently stands at about 2 0 0.
The third circum stance. D uring the Soviet period, in alm ost all cities, there w ere significant leaks from m ain and breeding netw orks, resulting in unproductive losses, reaching on average about 30% o f total w ater extraction.
A s an exam ple, w e consider the w ater supply system in A lm aty, w hich is based on the use o f u nd er
ground and surface w ater. The operating organization actually im plem ents an average o f 65-68% o f the supplied w ater from all sources into a single w ater supply netw ork o f the city. The loss o f w ater during transportation is 32-35% . Because o f the old w ater supply netw ork, about 20% o f the w ater is filtered back into the aquifer throughout the city [5, 6].
W ith the transition to a new econom ic system , the operating organizations began to pay m uch attention to m easures to reduce leaks, the industrial enterprises - to the transition to the circulating w ater supply system s, etc. A ll this led to a previously n o t planned increase in w ater consum ption, but, on the contrary, to its significant reduction.
F or clarity, let us consider the balance o f drinking w ater consum ption in A lm aty for 1990-2040. [5,6].
To do this, we w ill construct a graph o f the estim ated dem and o f the m egapolis used in reassessing the exploitation reserves o f the T algar underground w ater deposit w ith the actual use o f groundw ater and surface w ater (fig. 1).
A s can be seen from the graph above, the total productivity o f the w ater supply system tends to decrease from 1104.6 thous.m 3/day in 1990 to 794.5 thous.m 3/day in 2010.
The estim ated design dem and o f the city in the w ater by 2040 is estim ated at 1640.5 thous.m3/day.
C om paring the estim ated dem and for 2010 (1646 thousand m3/day), w e observe th at it is tw ice the actual consum ption.
L et us consider the results o f the analysis o f the operational experience o f the A lm a-A ta, Talgar, Kaskelen, Pokrovsky and B oraldai deposits o f groundw ater located w ithin the piedm ont plum e o f the northern slopes o f the Z ailiysky A latau.
^ 2 0 0 0 ,0
§
s 1500,0
ф
5
a Ь 1 0 0 0 ,0
« % e a 6
8» a£
5 0 0 ,0 0 ,0
1990г.
1646 1640,5
1307 1446 1552
------■ 1159
968.0
847.9 844.8 794.5
1104.6
---^ ---A
г — *— -*---n--- -
Алма-Атинское мпв Суммарная
1995г. 2000г. 2005г. 2010г. 2040г.
■ Талгарское мпв —■— Поверхностные воды
—■—Проектная потребность
Figure 1 - Graph of correlation of design and actual indicators of groundwater production and use of surface water for water supply in Almaty
Figure 2 show s a graph o f the change in total w ater abstraction w ithin the A lm aty urban agglom e
ration fo r the period 1960-2014.
S 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ i -
^ Ч О Ч О Ч О Ч О Ч О ^ ^ ^ ^ ^ О О О О О О О О О О ^ ^ ^ ^ ^ О О О О О ’- Н ’- Н ’—
Алма-Атинское □ Талгарское ШПокровское □ Каскеленское ПБоралдайское
Figure 2 - Graph of total groundwater abstraction within the Almaty metropolitan area
From the presented graph it can be seen th at in the period from 1960 to 1986, there w as a gradual increase in w ater abstraction from 62.46 thousand m 3/day to 1005.98 thousand m 3/day (16 tim es).
Subsequently, there is an insignificant stabilization o f the total average annual w ater extraction w ithin 940 thousand m3/day. The subsequent period is characterized by a decrease in the total productivity from 760 thousand m 3/day in 1993 to 605 thousand m 3/day in 2002 and its subsequent stabilization w ithin 640 thousand m 3/day.
The m axim um total annual w ater extraction fo r selected deposits falls in 1986 and is 1005.98 thousand m3/day.
The reduction in the productivity o f existing w ater intakes has undoubtedly affected the level surface o f groundw ater. C urrently, there is a restoration o f the groundw ater level throu gh ou t the territory under consideration. This issue is especially relevant in the northern part o f A lm aty, w here the built-up areas are flooded.
To analyze the use and com parison w ith the operational reserves o f groundw ater in the state balance in the A lm aty m etropolitan area, the follow ing graph is constructed.
A s we see, even during periods o f m axim um w ater collection, the actual productivity is 2-3 tim es low er than the am ount o f approved operational reserves.
16
ISSN 1991-3494 № 3. 2017
3 u й й й U й й й й й й й и й U й й й й й й й й й U й й U
ТЙ О <N Tt 40 00 О <N Tt 40 00 О <N т* 40 00 О <N 40 00 О <N 40 00 О <N 4 0 4 0 4 0 4 0 4 0 ( ^ ( ^ ( ^ ( ^ ( ^ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ^ ^ ^ ^ ^ 0 0 0 0 0 ' - Н ' - Н ' —
■A— Суммарный водоотбор ♦ Утверждённые ЭЗПВ
Figure 4
F or a visual representation o f the share o f the use o f g roundw ater operational reserves th at are on the state balance w ithin the territory under consideration as o f 2014, we give the follow ing diagram .
Figure 4 - Diagram of the use of the operational groundwater resources in the state balance in the Almaty metropolitan area The analysis o f the current state o f the use o f groundw ater w ithin the foothill plum e o f the Z ailiysky A latau show s th at the actual volum e o f production in these deposits does n o t reach the calculated values.
The share o f the use o f approved operational reserves w ithin the territory un der consideration does not exceed 24%.
It should also be added th at the estim ated w ater requirem ents used in the initial exploration o f m ost o f K azakhstan's underground w ater resources are often taken as initial w hen reassessed and, at present, w ithout any justification. This again predeterm ines a low degree o f reliability in hydrogeological forecasts, even by m ethods o f m athem atical m odeling.
Thus, based on the perform ed analysis, the estim ated need for w ater is the least reliable. Therefore, often even w ith sufficiently high reliability o f the initial hydrogeological data (param eters, boundary conditions, etc.) used in predictive calculations o f groundw ater operational reserves, their real reliability is extrem ely unsatisfactory.
A s a result, the gap betw een the total value o f the operational reserves calculated and consisted in the state balance and the actual w ater extraction are constantly grow ing, w hich leads to an extrem ely low reliability o f the forecast o f groundw ater status in com parison w ith the observed one. This hinders the rational developm ent o f subsoil, especially in areas w ith intensive exploitation and difficult w ater m ana
gem ent environm ent, because the forecast is m ore "hard" than, the picture actually observed for m any decades.
L et us consider a small exam ple. W hen re-evaluating the operational reserves o f the A lm a-A ta underground w ater deposit, at the site o f a local w ater intake for dom estic and drinking w ater supply in a residential com plex in the southw estern part o f A lm aty, its productivity w as lim ited to 1 thousand m3/day, w hile the perm issible reduction in the w ater intake area w as 75 m, and the decrease in the level from the operation o f the w ells them selves w as 6.7 m. H ow ever, the calculated level cut o f f from interaction w ith other undeveloped groundw ater resources on the state balance w as approxim ately 10 tim es greater (64 m ),
w hich resulted in a significant lim itation o f w ater extraction in the w ater intake area and approval o f a part o f the subm itted reserves fo r category C2. The deep occurrence o f the groundw ater level necessitated the recom m endation to drill tw o production w ells, instead o f operating due to dehum idification o f the upper filter intervals. In this case, there is a need to increase the depth o f the w ell from 325 to 400 m.
L et us enum erate the m ain consequences to w hich predictive overestim ation o f w ater abstraction and depths o f groundw ater levels leads in com parison w ith th eir actual state:
1. G ranting the right to extract groundw ater to new subsoil users from deeper aquifers w ith increasing depth and com plicating the design o f w ells, and as a consequence causes an increase in costs for the construction o f w ater intake;
2. O verestim ation o f the sizes o f zones o f sanitary protection due to the estim ated increase in the slopes o f g roundw ater against the real one.
3. Since the assessm ent o f operational reserves w as carried out for the m axim um possible low ering o f the level, in m any cases exploration o f new g roundw ater extractions is practically im possible, since taking into account the m utual influence o f w ater intakes on previously explored and new w ater intakes, the calculated depressions w ill exceed the perm issible value.
4. C orresponding overestim ation o f m igration rates for forecasts o f changes in the quality o f groundw ater.
5. O verstating the negative im pact o f exploitation on the environm ent.
C onclu sio n s:
1. A t present, there is a significant gap betw een the forecasted in the assessm ent o f operational reserves and the actual state o f groundw ater. F orecast levels have already significantly exceeded the actual levels for m any decades. This is due to a sharp discrepancy betw een the forecast and actual w ater extraction, since the reserves calculated and registered in the state record are m any tim es hig her th an the actual w ater extraction.
2. The least reliable com ponents o f the forecast are the size and design o f the project w ater extraction.
Therefore, it is necessary to take into account in the forecasts only the operational reserves o f groundw ater th at have been m astered or planned fo r developm ent.
3. D eclared and taken into account in the calculation w ater requirem ents are gigantic, because they are in m ost cases repeatedly overstated, and have never been achieved, and in the foreseeable future, as show n by the trend in the dynam ics o f w ater diversion form ed in recent decades, they w ill n o t be used for practical purposes.
4. To im plem ent the selected proposals, appropriate adjustm ents should be m ade to the regulatory fram ew ork th at regulates the principles o f counting and recording groundw ater resources. F irst o f all, it is necessary to m ake adjustm ents to the classification o f operational reserves, expanding the concept o f off- balance reserves in their general structure and attributing to them all stocks that will not be used in the future.
5. It is necessary to take an adm inistrative decision at the level o f the State R eserves C om m ittee o f the R epublic o f K azakhstan on the tran sfer o f previously explored, b u t n o t exploited, groundw ater deposits to a reserve fund (transfer to off-balance reserves). To this end, the analysis should be perform ed o f the reconnoitred g roundw ater deposits, the reserves o f w hich w ere approved by the State R eserves C om m ittee o f the U S S R and the TR C until 1991. B ased on this analysis, tw o groups o f deposits w ill be identified.
The first group w ill include deposits, for w hich the expiry date o f the reserves has expired. The second - the deposits, for w hich the approval o f the reserves has n o t y et been com pleted, bu t the operation is not planned until the end o f this period. The operational reserves o f groundw ater for both groups th at are not in dem and w ill be transferred to off-balance reserves and w ill not be taken into account w hen exploring new deposits and sites [5].
6. It is necessary to strengthen the role o f g roundw ater m onitoring as a real basis fo r predicting changes in the state o f groundw aters, and no t ju s t its ascertaining.
REFERENCES
[1] Borevsky B.V., Grabovnikov V.A. Reliability of hydrogeological forecasts in assessing operational reserves of groundwater. Myths and Reality. // "Exploration and Conservation of the Earth", 2010 No. 10.
[2] Yazvin L.S. Reliability of hydrogeological forecasts in assessing the operational reserves of groundwater (Methodo
logical recommendations). M., VsEGiNgEO, 1972, 149 p.
18
ISSN 1991-3494 № 3. 2017 [3] Andrusevich V.I. Study of the current state of groundwater resources in Kazakhstan// Materials of the International Scientific and Practical Conference (Belarus, Kazakhstan, Russia, Ukraine) Modern problems of studying and assessing the operational resources of drinking groundwater. September 3-5, 2008 Kiev.
[4] Andrusevich V.I., Zheksembaev Yu.M., Iskhakov A.L. "Principles of groundwater exploration on the current market economy conditions" (Hydrogeological Research and Production Company "KazHYDEK")// Proceedings of the international scientific and practical conference "Water: resources, quality, monitoring use and protection of groundwater resources, Almaty, 2008.
[5] Andrusevich V.I., Zheksembaev Yu.M., Rachkov S.I. "Features of exploration and assessment of groundwater opera
tional reserves in artesian basins" (Hydrogeological Research and Production Company "KazHYDEK") // "Geology and conser
vation of mineral resources", Almaty 2/2004 (11), pp. 46-48.
[6] Dzhazylbekov N.A ., etc. "Report on the results of detailed groundwater exploration for the purpose of reassessing the reserves of the Alma-Ata well field for the groundwater supply of Almaty city with a calculation of elastic reserves as of October 1, 1989", Alma-Ata GGE, 1989
[7] Sotnikov E.V., Ibraimov V.M., Report on the results of the revaluation of the elastic reserves of the Alma-Ata groundwater well -field on the site of wells No. 1421, 1955 and 3654 for domestic and drinking water supply of the residential complex and the cottage town "Solnechnaya Dolina" performed for "BASIS-LUX" LLP in Bostandyksky district of Almaty city (With the calculation of groundwater reserves as of 01.07.2015).
[8] Classification of elastic reserves and prognostic groundwater resources. GKZ RK, Almaty, 1997.
Е . В. С о т н и к о в , В. М . И б р а и м о в
НАО «Казахский национальный исследовательский технический университет им. К. И. Сатпаева», Алматы, Казахстан
РАСЧЁТНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ВОДЕ - КАК ОСНОВНОЙ ФАКТОР, ВЛИЯЮЩИЙ НА ДОСТОВЕРНОСТЬ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД
А ннотация. В статье рассмотрены вопросы низкой достоверности гидрогеологических прогнозов состояния подземных вод в связи с существенным расхождение величины оцененных эксплуатационных запасов подземных вод, состоящих на государственном балансе и учитываемых при прогнозных расчётах, и фактического водоотбора и динамики его изменения во времени. Это приводит к существенному завышению прогнозных понижений уровней по сравнению с их фактическим положением.
Наиболее остро эта проблема стоит в пределах Алматинской городской агломерации. Выбор этого ре
гиона в качестве пионерного очевиден для специалистов гидрогеологов. В пределах выделенной территории по состоянию на 2008 г. на государственном балансе состоит около 15% от суммарной величины эксплуатационных запасов подземных вод питьевого качества в Республике. А объем добычи подземных вод в пределах региона составляет около 45%. Такой нагрузки на недра нет ни в одном другом регионе Рес
публики Казахстан.
На основе имеющихся разработок в этом вопросе, предложены пути изменения существующих под
ходов к гидрогеологическим прогнозам при оценке запасов подземных вод для устранения возникающих несоответствий, т. е. выполнение прогнозирования с учётом реальной, а не завышенной при расчетах динамики водоотбора.
К лю чевы е слова: эксплуатационные запасы подземных вод, достоверность гидродинамических прогнозов, фактический водоотбор, управление эксплуатацией.
Д остоверность гидрогеологического прогнозирования всегд а п редставляла больш ой интерес, как для сам их авторов прогнозов, так и для пользователей ими.
П рим енительно к задаче оценки эксп луатационны х запасов п одзем ны х вод достоверность прогнозов определяет, преж де всего:
- возмож ность добы чи н еобходим ого коли чества воды на весь расчетны й срок эксплуатации водозаборного сооруж ения;
- соответствие величины прогнозны х и ф актических пониж ений или глубин динам ических уровней подзем ны х вод;
- соответствие качества отбираем ой воды прогнозируем ом у до кон ц а расчетного срока эксплуатации водозаборного сооруж ения.
В дан ной статье основной упор н аправлен н а количественную сторону рассм атриваем ого вопроса, подчеркнув при этом, что надеж ны й и д остоверны й прогноз - эф ф ективная основа управления недропользованием (эксплуатацией) и основа реш ения вопросов представления права недропользования д ля добы чи подзем ны х вод новы м недропользователям .
О собенно остро эта проблем а стоит на участках, эксплуати руем ы х м ногим и н едропользо
вателями: в крупны х городах, городских аглом ерациях, располож енн ы х н а п лощ ади артезианских бассейнов, меж горны х впадин и других участков, там , где эксплуатация подзем ны х вод осущ ествляется в услови ях интенсивного взаим одействия м еж ду действую щ и м и водозаборами.
Ещ е более интенсивное взаим одействие предполагается м еж ду действую щ им и и проектны м и водозаборам и с нагрузкой равной утверж денны м запасам п одзем ны х вод [1].
В качестве п рим ера рассм отри м А лм атинскую городскую агломерацию . Я дром аглом ерации является один из двух городов республиканского подчинения г.А лм аты , население которого по данны м на 2016 г. составляет 1 716 779 человек. Общ ее же население аглом ерации на 2015 г.
составило 2 460,4 тыс. чел.
В опрос оценки соответствия прогнозов и натуры актуален уж е около полувека.
П о м нению авторов [1] достоверность вы полняем ы х прогнозов, зависит от дву х групп состав
ляю щих:
- ги дрогеологических парам етров и граничны х условий, приняты х в расчетах (гидрогеологи
ческие м одели) или расчетны х схемах;
- проектны х расходов расчетны х водозаборов и схем и х разм ещ ения.
Н аиболее пристальное внимание гидрогеологов всегда вы зы вала первая груп па вопросов. В настоящ ее врем я она реш ается путем создания ги дрогеологических м оделей и подбора парам етров и граничны х услови й д ля достиж ения соответствия м одели и натуры в естественны х и н ару ш енны х условиях. В торая груп па вопросов обы чно серьезно не рассм атривается, а в расчетах и с
пользую тся заданны е потребности и разработанная авторам и схем а разм ещ ения скваж ин [1].
В середине 60-х годов Х Х века М инистерством геологии СССР во В С Е ГИ Н ГЕО бы ла п остав
лена работа по оценке сходим ости дан ны х разведки и эксплуатации действую щ их водозаборов.
Э та работа вы полнялась по всей терри тори и СССР, а ее результаты в последствии бы ли обобщ ены в книге Л. С .Я звина «Д остоверность ги дрогеологических прогнозов при оценке эксп луатационны х запасов п одзем ны х вод» [2], которая стала основной его докторской диссертации.
Суть оценки сходим ости дан ны х разведки и эксплуатации действую щ их водозаборов заклю чалась в следую щ ем:
- при полученны х в процессе разведки и подсчете запасов парам етрах, и граничны х условиях производился расчет водозабора прим енительно к реальной схеме располож ения скваж ин, с их ф актической производительностью ;
- расчетное пониж ение уровня, полученное при подсчёте, сопоставлялось с фактическим;
- осущ ествлялся анализ причин, вы явленны х при сопоставлении ф актических и расчетны х пониж ений уровней.
- осущ ествлялся анализ причин расхож дения прогнозов с дан ны м и эксплуатации и выявление основны х источников ф орм ирования эксплуатационны х запасов подзем ны х вод;
- производился вы бор оптим альной расчётной схемы на основании ан али за д ан ны х эксп луа
тации для переоценки запасов п одзем ны х вод.
В результате сравнения расчетны х и ф актических пониж ений уровней оказалось, что в б оль
ш инстве случаев их расчетны е значения значительно п ревы ш аю т фактические.
А вторы не ставили перед собой цель рассм отреть все причины указанны х расхож дений, но главны е из них связаны со следую щ им. П оскольку при откачках при проведении о п ы тн о
ф ильтрационны х работ коэф ф ициент пьезопроводности н апорны х вод п олучался близким к 106 м2/сутки, что соответствовало по сущ еству схеме Т ей са (изолированного пласта), расчёты вы полнялись формально. В н их учиты вались, как правило, только геом етрические очертания границ, а такие факторы, как перетекание не учиты вались. Д ля устранения этого противоречия было вве
дено понятие «обобщ ённы х» парам етров. Чащ е всего подбиралось такое значение коэф ф ициента --- 20 ---
ISSN 1991-3494 № 3. 2017 пьезопроводности (обы чно близкое к 104 м2/сутки), при котором расчётное и ф актическое п о н и ж ение уровня на расчётны й м ом ент совпадали [1].
Таким образом, мы рассм отрели первую часть вопроса - обоснование и сходны х дан ны х для прогнозирования с целью п одсчета (переоценки) эксп луатационны х запасов. Это наиболее разр а
ботанная часть вопросов прогнозирования. Ф ормально н а ее основе и вы полняется оценка (пере
оценка) эксп луатационны х запасов. П ри достаточно обоснованны х и сходны х д ан ны х для п рогно
зирования его достоверность будет соответствовать достоверн ости исходны х д ан ны х полож енны х в основу расчетов, поскольку саму м етодику и технологию п рогнозны х расчетов м ож но признать достаточно обоснованной теоретически, практически и м етодически [1, 2].
П очем у же тогда, сравнивая результаты прогнозны х расчётов и фактического полож ения уровней подзем ны х вод, мы наблю даем в н их сущ ественны е расхож дения?
А н али з оп ы та эксплуатации ряд а м есторож дений предгорного ш лей ф а Заилийского А латау позволил вы делить основны е причины такого расхож дения. Р ассм отрим и х более детально:
П ервое обстоятельство связано с принятой и д ей ствую щ ей в настоящ ее врем я методикой подсчета эксп луатационны х запасов подзем ны х вод, п остановки их н а государственны й баланс и последую щ ем учете запасов, состоящ их н а государственном учете при расчете новы х водозаборов или переоценке запасов. С ущ ествую щ ая практи ка п одсчета эксп луатационны х запасов слож илась в 70-80-х годах Х Х века и сводится к следую щ ему:
- первоочередная потребность;
- перспективная потребность;
- м аксим ально возм ож ны й водоотбор.
П ри региональны х оц енках сохранилась вы ш еуказанная схема, при этом оценивается также возм ож ны й водоотбор на перспективны х участках. П одсчитанны е запасы категорий А, В, С1 и С2 ставятся н а государственны й баланс и учиты ваю тся в п оследую щ их расчетах взаим одействия водозаборов.
Н есм отря н а то, что зачастую потребности в воде определялись при разработке ком плексны х схем использования и охраны водны х ресурсов, а д ля конкретны х городов и д ругих потребителей рассчиты вались головны м и проектны м и институтам и, они оказались многократно завы ш енны м и.
Это привело к больш ом у разры ву меж ду заявленны м и потребностям и в воде (утверж денны м и запасами) и ф актическим водоотбором. С оответственно прогноз уровней, вы полненны й при подсчете запасов им еет весьм а значительную разницу с ф актическим и уровням и, наблю даем ы м и в процессе эксплуатации водозаборны х сооруж ений.
Ч резм ерно завы ш енная потребность в воде трудно объяснима. С ледует отметить, что использовавш иеся в СССР норм ы водопотребления (500 д м 3/сутки н а 1 чел.) почти в 2,5 раза превы ш али общ еевропейские [2]. Такж е в 70-80-х годах имело место стрем ление к наращ иванию максим ально возм ож ны х эксплуатационны х запасов на каж дом отдельно взятом месторож дений.
В торое обстоятельство, обуславливает сущ ественны е расхож дения м еж ду прогнозируем ы м и ф актическим использованием п одзем ны х вод и связано со следую щ им. В одоснабж ение городов и групп населенны х пунктов планировалось за счет крупны х ц ентрализованны х водозаборов за пределам и урбанизированны х территорий с ликвидацией одиночны х водозаборов в пределах городских территорий и других, экологически н еблагоприятны х мест. О днако, реальное развитие пош ло по д ругом у пути. Разведанны е участки, располож енны е н а уд алении от водопотребителей не осваивались, а си стем а одиночны х водозаборов развивается и по сей день.
П рим ером возникновения такой ситуации м ож ет служ ить А лм а-А тинское м есторож дение подзем ны х вод предгорного ш лей ф а северного склона Заилийского А латау. Для предотвращ ения загрязнения подзем ны х вод в пределах города А лм аты в 1990 г. ГКЗ С СС Р было реком ендовано ликвидировать ведом ственны е водозаборы с переводом предприятий н а централизованное водоснабж ение. К оличество ведом ственны х водозаборов в пределах А лм а-А тинского м есторож дения с м ом ента преды дущ его утверж дения эксплуатац и онн ы х запасов увеличилось и н а данны й м ом ент составляет п оряд ка 2 0 0.
Третье обстоятельство. В С оветское врем я практически во всех городах им ели место сущ е
ственны е утечки из м агистральны х и разводящ и х сетей, приводящ ие к непроизводительны м п оте
рям, достигаю щ им в среднем около 30 % от общ его водоотбора.
В качестве п рим ера рассм отрим систем у водоснабж ения города А лматы , которая базируется н а использовании подзем ны х и п оверхностны х вод. Э ксплуатирую щ ая организация ф актически реализует в среднем 65-68 % из поданной воды из всех источников в единую водопроводную сеть города. П отери воды при транспортировке составляю т 32-35 %. И з-за старой водопроводной сети порядка 20 % воды ф ильтруется обратно в водоносны й горизонт по всей площ ади города [5, 6].
С переходом н а новую эконом ическую систему эксплуатирую щ ие организации стали уделять больш ое внимание м ероприятиям по сокращ ению утечек, пром ы ш ленны е предприятия - переходу на оборотны е систем ы водоснабж ения и т.п. Все это привело к не планируем ом у ранее росту водопотребления, а напротив, к его сущ ественном у сокращ ению .
Д ля наглядности рассм отрим баланс питьевого водопотребления г. А лм аты на 1990-2040 гг.
[5,6]. Д ля этого построим граф ик расчётной потребности мегаполиса, использованной при п ере
оценке эксп луатационны х запасов Талгарского м есторож дения п одзем ны х вод с нанесением фактического использования п одзем ны х и поверхностны х вод (рисунок 1).
2 0 0 0 ,0
о 1 0 0 0 ,0 2
£ 5 0 0 ,0 СС
асс
0 ,0
1446 1552 1646 1640,5
1 9 9 0 г 1995г.
Алма-Атинское мпв Суммарная
2000г. 2005г. 2010г. 2040г.
- Талгарское мпв —■— Поверхностные воды Проектная потребность
Рисунок 1 - График сопоставления проектных и фактических показателей добычи подземных вод и использования поверхностных вод для водоснабжения г. Алматы
К ак видно из приведённого графика, сум м арная производительность систем ы водоснабж ения им еет тенденцию к сокращ ению от 1104,6 ты с.м 3/сутки в 1990 году до 794,5 ты с.м 3/сутки в 2010 г.
Расчётная проектная потребность город а в воде к 2040 г. оценивается в 1640,5 ты с.м3/сутки.
С опоставляя расчётную потребность н а 2010 г. (1646 ты с.м3/сутки) мы наблю даем , что о н а в д ва раза п ревы ш ает ф актическое потребление.
Рассмотрим результаты ан али за оп ы та эксплуатации А лм а-А тинского, Талгарского, К аске- ленского, П окровского и Боралдайского месторож дений п одзем ны х вод, располож енны х в п р е
д елах предгорного ш лейф а северны х склонов Заилийского А латау.
Н а рисунке 2 приведен граф ик изм енения сум м арного водоотбора в п ределах А лм атинской городской аглом ерации за период 1960-2014 гг.
И з представленного граф и ка видно, что в период с 1960 по 1986 г.г. происходило ступенчатое наращ ивание водоотбора с 62,46 ты с.м 3/сутки до 1005,98 ты с.м 3/сутки (в 16 раз). В последствии наблю дается незначительная стабилизация сум м арного среднегодового водоотбора в пределах 940 ты с.м3/сутки. П оследую щ ий период характеризуется сниж ением сум м арной п роизводитель
ности с 760 ты с.м 3/сутки в 1993 г. до 605 ты с.м 3/сутки в 2002 г. и его п оследую щ ей стабилизации в пределах 640 ты с.м3/сутки.
М аксим альны й сум м арны й среднегодовой водоотбор по вы деленны м м есторож дениям приходится н а 1986 г. и составляет 1005,98 ты с.м3/сутки.
С окращ ение производительности действую щ их водозаборов безусловно отразилось и на уровенной поверхности подзем ны х вод. В настоящ ее время наблю дается восстановление уровня
22
ISSN 1991-3494 № 3. 2017
s
£ 1 I t I >
cq £ 1200 1000 800 600 400
200 ^ т г Г Т Г
U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U u
O <N T t 40 00 О <N -4fr 40 О О О <N tT 40 00 О <N tT 40 00 О <N -*t
40 40 40 40 4 0 t ^ t ^ t ^ t ^ t ^ 0 0 00 00 00 0 0 ^ ^ ^ ^ ^ 0 0 c
u U u 40 00 о о о
o o о o o u2
<N<N<N<N<N<N<N<N Алма-Атинское П Талгарское ШПокровское □ Каскеленское ПБоралдайское
0
Рисунок 2 - График суммарного водоотбора подземных вод в пределах Алматинской городской агломерации подзем ны х вод на всей рассм атриваем ой территории. О собенно актуален этот вопрос в северной части города А лматы , где п роисходит подтопление застроенны х территорий.
Д ля ан али за использования и сопоставления с числящ им ися н а государственном балансе эксплуатационны м и запасам и п одзем ны х вод в пределах А лм атинской городской аглом ерации построен ниж еследую щ ий график.
3000 2500 2000 1500 1000 500 0
0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^ 4 0 0 0 0 < N ^
ч о ч о ч о ч о ч о 1^ 1^ 1^ 1^ 1^ о о о о о о о о о о < ^ < ^ < ^ < ^ < ^ о о о о о ^ н ^
с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ с ^ о о о о о о о о
- Суммарный водоотбор Утверждённые ЭЗПВ
Рисунок 3
К ак мы видим, даж е в периоды м аксим ального водотбора, ф актическая производительность в 2,3 р аза меньш е величины утверж денны х эксп луатационны х запасов
Д ля визуального представления д оли использования эксп луатационны х запасов подзем ны х вод, числящ ихся на государственном балансе в пределах рассм атриваем ой территории по со
стоянию на 2014 г. приведём ниж еследую щ ую диаграмму.
Рисунок 4 - Диаграмма использования числящихся на государственном балансе эксплуатационных запасов подземных вод в пределах Алматинской городской агломерации
В ы полненны й анализ соврем енного состояния использования подзем ны х вод в пределах п редгорного ш лей ф а Заилийского А латау показы вает, что ф актический объём добы чи н а рассм ат
риваем ы х м есторож дениях не дости гает расчётны х величин. Д оля использования утверж дённы х эксплуатационны х запасов в пределах рассм атриваем ой территории не п ревы ш ает 24 %.
Н еобходим о такж е добавить, что и спользуем ы е при первоначальной разведке больш инства месторож дений подзем ны х вод К азахстан а расчётны е потребности в воде, зачастую приним аю тся как исходны е при их переоценке и в настоящ ее время, без какого-либо обоснования. Это вновь предопределяет низкую степень достоверности при гидрогеологических п рогнозах даж е методам и матем атического моделирования.
Таким образом, на основе вы полненного ан али за наименее д остоверной является расчётная потребность в воде. П оэтом у, зачастую даж е при достаточно вы сокой достоверн ости исходны х гидрогеологических д ан ны х (параметров, граничны х условий и т.п.), используем ы х в прогнозны х расчетах эксп луатационны х запасов подзем ны х вод, их реальная достоверность оказы вается крайне неудовлетворительной.
В результате всё врем я растёт разры в меж ду общ ей величиной подсчитанны х и состоящ их на государственном балансе эксплуатационны х запасов и ф актическим водоотбором , что приводит к крайней низкой достоверности п рогноза состояния подзем ны х вод по сравнению с наблю даемы м.
Это препятствует рациональном у освоению недр, особенно в районах с интенсивной эксп луата
цией и слож ной водохозяйственной обстановкой, так как прогноз оказы вается более «ж естким»
чем, ф актически наблю даем ая на протяж ении многих десятилетий картина.
Рассм отрим небольш ой пример. П ри переоценке эксп луатационны х запасов А лм а-А тинского месторож дения подзем ны х вод н а участке локального водозабора для хозяйственно-питьевого водоснабж ения ж илого ком плекса в ю го-западной части города А лм аты его производительность бы ла огран и чена 1 ты с.м 3/сутки при том, что допустим ое пониж ение н а участке водозабора со ставило 75 м, а пониж ение уровня от работы сам их скваж ин составило 6,7 м. О днако, расчетная срезка уровня от взаим одействия с другим и неосвоенны м и, но стоящ им и н а государственном балансе запасам и подзем ны х вод составила прим ерно в 10 раз больш е (64 м), что и привело к сущ ественном у ограничению водоотбора на участке водозабора и утверж дению части представ
ленны х запасов по категории С 2. Глубокое залегание уровня п одзем ны х вод обусловило н еоб
ходим ость реком ендовать бурение двух эксп луатационны х скваж ин, взам ен д ействую щ их по п р и чине осуш ения верхних интервалов фильтров. П ри этом возникает необходим ость в увеличении глубины скваж ины с 325 до 400 м.
П еречислим основны е последствия, к которы м приводит прогнозное завы ш ение водоотбора и глубин уровней подзем ны х вод по сравнению с их реальны м состоянием :
1. П редоставление п рава добы чи подзем ны х вод новы м недропользователям из более глубоких водоносны х горизонтов с увеличением глубины и ослож нением конструкции скваж ин, и как следствие обуславливает повы ш ение затрат н а сооруж ение водозабора;
2. Завы ш ению разм еров зон санитарной охраны за счет расчетного увеличения уклонов подзем ны х вод против реального.
3. П оскольку оц ен ка эксплуатационны х запасов осущ ествлялась для м аксим ально возмож ны х пониж ений уровня, во многих случаях р азведка новы х водозаборов подзем ны х вод оказы вается практически невозмож ной, так как при учёте взаим овлияния водозаборов на ранее разведанны х и н овы х водозаборов расчётны е пониж ения будут превы ш ать допустим ую величину.
4. С оответствую щ ем у завы ш ению скоростей м играции при п рогнозах изм енения качества подзем ны х вод.
5. Завы ш ению негативного воздействия эксплуатации н а окруж аю щ ую среду.
В ы в о д ы :
1. В настоящ ее врем я возник сущ ественны й разры в м еж ду прогнозируем ы м при оценке эксп луатационны х запасов и ф актическим состоянием п одзем ны х вод. П рогнозны е уровни уже в течение м ногих десятилетий сущ ественно п ревы ш аю т фактические. Это связано с резким н есоот
ветствием прогнозного и ф актического водоотбора, поскольку подсчитанны е и состоящ ие на государственном учете запасы м ногократно п ревы ш аю т ф актический водоотбор.
24
ISSN 1991-3494 № 3. 2017 2. Н аим енее д остоверны м и составляю щ им и п рогноза являю тся величина и схемы проектного водоотбора. П оэтом у необходимо, учиты вать в прогнозах только освоенны е или нам еченны е к освоению эксплуатационны е запасы п одзем ны х вод.
3. Заявляем ы е и учиты ваем ы е в расчетах потребности в воде являю тся гигантским и, так как они в больш инстве случаев многократно завы ш ены , и н икогда не достигались, а в обозрим ом будущ ем, как показы вает сф орм ировавш аяся в последние д есятилетия тенденция динам ики водоотбора, не будут использоваться для п рактических нужд.
4. Д ля реали заци и вы деленны х предлож ений долж ны быть внесены соответствую щ ие коррективы в норм ативную базу, реглам ентирую щ ую принципы подсчета и у ч ета запасов п одзем ны х вод. В первую очередь требуется внести корректировки в классиф икацию эксплуатационны х запасов, расш ирив само понятие забалансовы х запасов в и х общ ей структуре и отнести к ним все запасы, которы е не будут использованы в перспективе.
5. Н еобходим о принять управленческое реш ение на уровне ГКЗ Р еспублики К азахстан о переводе ранее разведанны х, но не эксплуатируем ы х месторож дений подзем ны х вод в резервны й фонд (перевод в забалансовы е запасы). С этой целью д олж ен быть вы полнен анализ разведанны х м есторож дений подзем ны х вод, запасы которы х утверж дены ГКЗ СССР и ТКЗ до 1991 г. Н а основании этого ан али за будут вы делены две группы месторож дений. В первую группу войдут месторож дения, по которы м истёк срок утверж дения запасов. Во вторую - м есторож дения, по которы м срок утверж дения запасов ещ е не заверш ился, но эксплуатация не планируется до конца этого срока. Э ксплуатационны е запасы п одзем ны х вод по обеим группам которы е не будут востре
бованы переводятся в забалансовы е и не учиты ваю тся при разведке н овы х м есторож дений и участков [5].
6. Н еобходим о усилить роль м он и торин га п одзем ны х вод как реальной базы прогнозирования изм енения состояния п одзем ны х вод, а не только его констатации.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Боревский Б.В., Грабовников В.А. Достоверность гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод. Мифы и реальность. Журнал «Разведка и Охрана недр». 2010 г. № 10.
[2] Язвин Л.С. Достоверность гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод (Методические рекомендации). М., ВСЕГИНГЕО, 1972, 149 с.
[3] В.И. Андрусевич. Современное состояние изучения ресурсов подземных вод в Казахстане. Материалы между
народной научно-практической конференции (Беларусь, Казахстан, Россия, Украина) Современные проблемы изучения и оценки эксплуатационных ресурсов питьевых подземных вод. 3-5 сентября 2008 г.Киев.
[4] В.И. Андрусевич, Ю.М. Жексембаев, А.Л. Исхаков. «Некоторые принципы разведки подземных вод в современных условиях рыночной экономики» (Гидрогеологическая научно-производственная и проектная фирма
«КазГИДЭК»). Труды международной научно-практической конференции «Вода: ресурсы, качество, мониторинг, использование и охрана подземных вод., г.Алматы, 2008 г.
[5] В.И. Андрусевич, Ю.М. Жексембаев, С.И. Рачков. «Особенности разведки и оценки эксплуатационных запасов подземных вод в артезианских бассейнах» (Гидрогеологическая научно-производственная и проектная фирма
«КазГИДЭК»). Журнал «Геология и охрана недр». г.Алматы 2/2004 (11) C -46-48.
[6] Джазылбеков Н.А. и др. «Отчет о результатах детальной разведки подземных вод с целью переоценки запасов Алма-Атинского месторождения для водоснабжения г.Алма-аты с подсчетом запасов по состоянию на 1 октября 1989 г.»
Алма-Атинская ГГЭ.1989 г.
[7] Сотников Е.В., Ибраимов В.М., Отчёт о результатах переоценки эксплуатационных запасов Алма-Атинского месторождения подземных вод на участке скважин №№ 1421, 1955 и 3654 для хозяйственно-питьевого водоснабжения жилого комплекса и коттеджного городка «Солнечная долина» ТОО «БАЗИС-ЛЮКС» в Бостандыкском районе города Алматы
(с подсчётом запасов подземных вод по состоянию на 01.07.2015 г.).
[8] Классификация эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод. ГКЗ РК. Алматы, 1997.
