Установление закономерностей фильтрации рассолов для решения проблем загрязнения природных вод на Верхнекамском месторождении калийных солей

Актуальность исследований.

Проблема загрязнения подземных вод высокоминерализованными растворами, имеющими повышенную плотность относительно пресных пластовых вод, в последние десятилетия вызывает обеспокоенность у многих специалистов-гидрогеологов. В Российской Федерации особенно остро подобные проблемы встают в районе Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС). Начиная с середины 1980;х годов, основное негативное влияние на состояние подземных и опосредованно поверхностных вод в районах шахтных полей Березниковских (БКПРУ) и Соликамских (СКРУ) рудоуправлений оказывают техногенные рассолы, фильтрующиеся из шламохранилищ и рассолосборников вследствие образования проранов в противофильтрационных экранах. Для разработки мероприятий, связанных с предотвращением возможного ухудшения и контролем существующей гидрогеологической и гидрохимической обстановки необходимо составление прогнозов развития ореолов загрязнения подземных вод.

Другая проблема заключается в необходимости изучения гидрогеологических последствий аварийного затопления рудника 1-го Березниковского калийного производственного рудоуправления (БКПРУ-1), которое вызвало нарушение фильтрационного режима поземных вод, что отразилось и на составе поверхностных вод. В связи с этим необходимо выполнить прогнозные оценки изменения гидрохимической обстановки в районе г. Березники. Для этого требуется учет как естественной гидрохимической зональности подземных вод (до образования техногенного засоления), так и нарушенной, сформировавшейся к настоящему времени в результате длительной эксплуатации объектов хвостового хозяйства и аварийного события на БКПРУ-1. Сложные геолого-гидрогеологические условия месторождения, большой объем фактического материала, а также плотностные эффекты, сопровождающие фильтрацию крепких рассолов в подземных водах, могут быть в полной мере учтены только на численных моделях. На сегодняшний момент существует множество программ, позволяющих создавать такие модели. В связи с этим требуется провести исследования по оценке точности описания потоков переменной солености с применением программ численного моделирования на упрощенных моделях, при построении которых должны учитываться специфические гидрогеологические ситуации.

Цель работы состоит в изучении и математическом описании физических процессов, сопровождающих фильтрацию рассолов в водоносных горизонтах, а также в прогнозировании загрязнения природных вод на участках расположения шламохранилищ и рассолосборников (шахтные поля БКПРУ-1 и СКРУ-3) методами численного моделирования.

Основные задачи исследования.

1. Изучение поведения тяжелых жидкостей (рассолов) в водоносных горизонтах на упрощенных моделях с использованием различных численных алгоритмов.

2. Исследование механизмов, ответственных за формирование естественной плотностной стратификации природных подземных вод уфимского водоносного комплекса применительно к территории шахтного поля БКПРУ-1.

3. Оценка изменения гидрогеохимической обстановки шахтного поля БКПРУ-1 в период аварии и после затопления горных выработок.

4. Анализ влияния рельефа кровли водоупорной соляно-мергельной толщи на развитие ореолов техногенных рассолов в надсолевой части разреза на примере района шахтного поля СКРУ-3.

Основные методы исследований.

Настоящие исследования основывались:

— на решении задач динамики подземных вод, описывающих потоки жидкостей переменной плотности аналитическими методами и методами численного (математического) моделирования;

— на решении обратных задач при интерпретации данных моделирования фильтрации подземных вод в зонах влияния утечек рассолов из поверхностных бассейнов;

Для решения теоретических и практических задач применялись современные программные комплексы SUTRA (Voss and Provost, 2002), SEA WAT (Guo and Langevin, 2002), TOUGH2 (Prues, 1991) и DENSFLOW (П.К. Коносавский, 2002).

Научная новизна.

Усовершенствованы решения для описания положения границы раздела пресных и соленых вод при их взаимном вытеснении в напорном пласте с учетом анизотропии его фильтрационных свойств. Получено решение, описывающее изменение минерализации воды во времени при подтягивании глубинных рассолов к контуру несовершенной эксплуатационной скважины.

На базе численной модели реконструирован процесс формирования естественной стратификации подземных вод по минерализации в районе Верхнекамского месторождения. Оценена длительность данного процесса.

Установлено, что изменение режима фильтрации подземных вод в период аварийного затопления рудника БКПРУ-1 вызвало временное реабилитирующее влияние на состояние подземных вод верхних водоносных горизонтов и опосредованно поверхностных вод.

Изучены главные факторы, контролирующие формирование техногенного ореола засоления в районе СКРУ-3. Показана значимость влияния рельефа водоупорной поверхности на динамику развития ореола рассолов в верхних водоносных горизонтах.

Фактический материал и личный вклад автора.

В основу диссертационной работы положен обширный фондовый материал по геолого-гидрогеологическим условиям Верхнекамского месторождения калийных солей. Автором выполнен анализ данных режимных наблюдений за состоянием подземных и поверхностных вод за 2002;2010 гг. в пределах шахтных полей Соликамско-Березниковского промышленного узла. Автор принимал участие в полевых работах (отборы проб техногенных рассолов, откачки, гидрологические работы) в районе исследуемых объектов. Автором выполнена большая часть численных расчетов в ходе тестирования программ и поиска новых аппроксимирующих зависимостей, а также разработаны миграционные модели шахтных полей БКПРУ-1 и СКРУ-3.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Установленные закономерности пространственно-временного положения контакта пресных и соленых вод в напорном водоносном горизонте и изменения минерализации воды в несовершенных скважинах при подтягивании рассолов базируются на аналитических решениях поршневого вытеснения при наличии плотностного градиента и анизотропии фильтрационных свойств пласта.

2. Формирование естественной гидрохимической зональности надсолевого уфимского водоносного комплекса происходило в течение 8−10 тыс. лет и определялось совместным протеканием процессов растворения галита с поверхности соляной залежи, молекулярной диффузии, профильной гидродисперсии и плотностной конвекции, препятствующей в сочетании с площадной инфильтрацией пресных вод засолению верхней части разреза.

3. Аварийное затопление рудника БКПРУ-1 вызвало изменение конфигурации существующих ореолов техногенных рассолов в надсолевой толще пород и способствовало снижению выноса хлоридных натриевых солей в поверхностные водотоки, что подтверждается режимными наблюдениями и численным моделированием.

4. Формирование квазистационарного ореола растекания техногенных рассолов в районе шахтного поля СКРУ-3 определяется равнозначным влиянием естественного фильтрационного потока и уклона поверхности водоупорной толщи (кровли соляной залежи).

Достоверность полученных результатов подтверждается достаточным объемом выполненных ранее аналитических исследований потоков переменной плотности, основы которых заложены в расчетные алгоритмы программ, использованных для решения поставленных задач. Результаты исследований на численных моделях реальных объектов согласуется с данными натурных наблюдений за состоянием поверхностных и подземных вод в районе рассматриваемых шахтных полей.

Практическая значимость работы:

Заключается в расширении возможностей использования аппарата численного моделирования при решении гидрогеологических задач, связанных с оценкой фильтрации рассолов из поверхностных бассейнов. Усовершенствованные зависимости могут быть применены для экспертных прогнозных оценок продвижения фронта соленых вод в профильно анизотропных пластах. Результаты работы могут быть использованы для разработки технологических решений, связанных с контролем и снижением техногенного засоления подземных и поверхностных вод в пределах Верхнекамского месторождения.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на Первой Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной памяти В. А. Мироненко «Дерзость Надежд» (Санкт-Петербург, 2010), научной конференции, посвященной 75-летию кафедры гидрогеологии СПбГУ «Комплексные проблемы гидрогеологии» (Санкт-Петербург, 2011), УП-й ежегодной Общероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2011).

Публикации.

Основные положения диссертации отражены в пяти публикациях, в том числе в одной статье в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация объемом 160 страниц, включает введение, 5 глав, заключение, список источников из 113 наименований, содержит 84 рисунка и 17 таблиц.

5.9. Выводы к главе 5.

Вынос в поверхностную гидросеть (в р. У солку) техногенных рассолов, за последние десять лет вырос более чем в два раза с 15−20% до 40−45% от общих объемов утечек. Основная часть техногенных рассолов, после их фильтрации из шламохранилища, под действием плотностной конвекции погружается вглубь водоносной толщи и продолжает миграцию по кровле водоупора в противоположном от реки направлении.

По результатам миграционного моделирования уже на стадии эпигнозных расчетов (до 2007 г.) выяснилось, что ореол растекания, сформированный неразбавленными рассолами с минерализацией порядка 300 г/л, образовался в северо-восточной части Тверитинского прогиба и принял квазистатичное положение. По данным эпигнозного моделирования, контакт неразбавленных рассолов с пресными поверхностными водами шахтного поля не фиксируется.

Прогнозные оценки, выполненные в условиях функционирующего источника загрязнения (2007;2025 гг. — по проекту эксплуатации шламохранилища), а затем отключенного источника загрязнения (2025;2125 гг.). показали, что в будущем разгрузки техногенных рассолов в поверхностные водоемы и водотоки происходить также не будет.

Экспериментальные исследования на численной модели с целью оценки взаимовлияния гидродинамического и плотностного градиентов показали, что под действием только плотностной конвекции, при гипотетическом отсутствии естественного потока подземных вод, модельная «интрузия» мигрирует по кровле водоупора строго к центральной части Тверитинского прогиба (соответственно уклону кровли СМТ2). Постепенно рассолы заполняют депрессию, что в реальности минимизировало бы интенсивность их смыва с поверхности «интрузии» и последующий вынос солей в местную гидросеть. Подобное развитие ореола загрязнения имело бы минимальные последствия (по сравнению с реальной обстановкой) для экологического состояния подземных вод зоны активного водообмена и вод р. Усолки.

Под действием только гидродинамической конвекции, при гипотетически горизонтальной поверхности кровли СМТ2, ореол растекания двигался бы в направлении реки, далее рассолы мигрировали бы с подрусловым потоком в сторону региональной дрены — р. Камы. В данном случае на модели фиксируется контакт «интрузии» рассолов с руслом р. Усолки, что в действительности привело бы к существенному увеличению минерализации речной воды.

По результатам исследования формирования ореола загрязнения подземных вод в районе шахтного поля СКРУ-3 может быть сформулировано следующее защищаемое положение.

Четвертое защищаемое положение. Формирование квазистационарного ореола растекания техногенных рассолов в районе шахтного поля СКРУ-3 определяется равнозначным влиянием естественного фильтрационного потока и уклона поверхности водоупорной толщи (кровли соляной залежи).

Заключение

.

Результатом исследований особенностей миграции разноплотностных жидкостей на упрощенных численных моделях с использованием нескольких современных программ являются новые аппроксимационные зависимости, предназначенные для описания пространственно-временного положения контакта разноплотностных жидкостей, имеющих резкую границу раздела, а также для описания изменения концентрации растворенных солей в несовершенной скважине при подтягивании глубинных рассолов. Во всех вариантах полученные зависимости учитывают профильную анизотропию коэффициента фильтрации породы. Данные зависимости рекомендуется применять при экспертных прогнозных оценках развития загрязнения подземных вод высокоминерализованными растворами в районах расположения поверхностных накопителей промстоков, на участках нагнетания тяжелых жидкостей в напорные водоносные пласты, а также в рамках работ по обоснованию размещения водозаборных скважин при наличии в разрезе соленых вод и рассолов.

Взаимное тестирование компьютерных кодов, предназначенных для моделирования потоков переменной плотности в пористой среде, на базовых моделях позволило выявить достоинства и недостатки рассматриваемых программ. Определены области применения программ для решения различных гидрогеологических задач. При анализе плановых потоков (площадных ореолов загрязнения) это могут быть компьютерные коды, основанные на предпосылке Гибена-Герцберга, в других случаях, для корректного учета на моделях вертикальной составляющей фильтрационного потока и переходной дисперсионной зоны, требуется более строгое решение трехмерных уравнений для потоков переменной плотности.

На начальной стадии исследований, связанных с оценкой гидрогеологических последствий аварии на руднике БКПРУ-1, с использованием численного моделирования доказано, что естественная профильная гидрохимическая зональность Верхнекамского месторождения калийных солей формировалась в результате растворения каменной соли с поверхности соляной залежи («соляного зеркала») относительно пресными инфильтрационными водами. При этом длительность периода формирования равновесного концентрационного профиля не превышает 10 000 лет.

В рамках исследования последствий аварийного затопления соляного рудника БКПРУ-1 реконструирована история формирования техногенного загрязнения подземных вод фильтрационными рассолами. Показано, что в ходе 43-летней нисходящей фильтрации крепких техногенных рассолов под рассолосборником, шламохранилищем и солеотвалом сформировался обширный ореол засоления, миграция которого определялась равнонаправленным действием вынужденной конвекции (в нанравлении р. Камского водоханилища) и плотностной конвекции (в сторону Камского прогиба). Выявлено, что до аварии около 2/3 фильтрационных рассолов шло на формирование подбассейновой «интрузии», остальная часть рассолов в разбавленном виде выносилась в воды местной гидросети.

По результатам изучения гидрогеологических последствий аварии на руднике БКПРУ-1 был сделан вывод о том, что авария оказала временное реабилитирующее влияние на состояние подземных и поверхностных вод. В дальнейшем, после затопления рудника и восстановления естественного гидродинамического режима, интенсивность выноса солей вернется к доаварийным показателям, причем тенденция к стабилизации этого процесса сохраниться.

Выполненные исследования процессов фильтрации техногенных рассолов в районе шахтного поля СКРУ-3, позволили установить возможность формирования в реальных геолого-гидрогеологических условиях, квазистационарных ореолов загрязнения, развивающихся при различно направленных естественном потоке подземных вод и уклоне водоупора.

Численные исследования, ориентированные на качественную оценку влияния морфологии водоупорной поверхности на развитие ореола техногенных рассолов, сформировавшегося в пределах шахтного поля СКРУ-3, доказывают равнозначную степень влияния гидродинамических и гравитационных сил на динамику миграции загрязнения в данном районе. На базе вычислительных экспериментов показано, что недоучет одного из этих механизмов миграции при прогнозе развития загрязнения подземных вод более плотными жидкостями может привести к принципиально неверным результатам.