Принципы и примеры создания информационно-компьютерных систем управления недропользованием в части использования подземных вод

Некоторые позиции, связанные с излагаемыми здесь принципами, высказывались рядом авторов еще в "докомпьютерную эру", когда в качестве основного инструмента для гидрогеологических прогнозов использовались аналитические методы и аналоговое моделирование. Основные же идеи и принципиальные подходы сформировались только в тот период, когда в состав научных и производственных гидрогеологических исследований стали внедряться компьютерные технологии. Мощным толчком в развитии этих представлений явилась постановка темы "Разработка системы постоянно-действующих моделей (ПДМ) геологической среды центральной части Московского артезианского бассейна" в бывшей Центральной инженерно-геологической и гидрогеологической экспедиции Министерства геологии РСФСР. При выполнении этой работы были сформулированы принципиальные позиции, которые легли в основу наших нынешних представлений. Эти идеи явились результатом коллективного творчества и, прежде всего, следующих специалистов-гидрогеологов: Л.К. Гохберга, И.С. Пашковского, А.Н. Клюквина, Д.И. Ефремова и автора данной публикации.

При разработке информационно-компьютерной системы (ИКС) государственного мониторинга подземных вод и геологической среды представления о целях и задачах ПДМ геологической среды и принципах их создания безусловно трансформировались. Ныне они претерпевают дальнейшее развитие в связи с расширением круга решаемых задач в рамках ИКС государственного мониторинга состояния недр. При этом, однако, основные идеи и подходы остаются прежними. Кроме того, несмотря на то, что они сформировались в процессе решения в основном гидрогеологических задач эти идеи и подходы, как нам представляется, становятся общими и при рассмотрении более широкого круга вопросов по оценке и прогнозированию состояния недр и управлению недропользованием.

Перейдем далее к изложению наших нынешних представлений.

ИКС управления недропользованием имеет многоцелевое назначение. С ее помощью решаются, например, такие задачи как

• изучение процессов и региональных закономерностей инфильтрационного питания подземных вод и их изменения при эксплуатации подземных вод и под влиянием других видов хозяйственной деятельности (жилищное, гражданское, дорожное, гидротехническое и пр. строительство, лесное и сельское хозяйство, в том числе мелиорация);
• исследование условий взаимосвязи поверхностных и подземных вод;
• региональная и объектная оценка (переоценка) эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод;
• оценка влияния эксплуатации подземных вод на экологические условия территорий (изменение речного стока, влажностного режима почв, условий произрастания растительности и т.д.) и условия развития экзогенных геологических процессов (оседание поверхности, просадки, карстово-суффозионные процессы, оползни, эрозия почв и т.п.);
• обоснование условий и масштабов природопользования (в первую очередь при использовании недр и др. ресурсов, эксплуатация которых оказывает влияние на недра и безопасное недропользование);
• исследование региональных и локальных закономерностей миграции подземных вод и условий формирования их качества;
• оценка защищенности подземных вод от различных видов загрязнения;
• выявление источников загрязнения подземных вод и оценка их интенсивности;
• оценка масштабов очагов загрязнения подземных вод и разработка инженерных мероприятий по их локализации и утилизации;
• изучение условий засоления почв и грунтов и обоснование инженерных мероприятий по их защите и рассолению;
• гидрогеологические и инженерно-геологические прогнозы для обоснования условий отработки месторождений полезных ископаемых;
• разработка проектов добычи полезных ископаемых геотехнологическими методами (подземное выщелачивание, гидродобыча и т.п.);
• обоснование условий строительства (проходки) и эксплуатации объектов недропользования, не связанных с добычей полезных ископаемых и размещаемых в подземном пространстве (метрополитен, тоннели, коммуникации и т.д., а также подземное захоронение твердых и жидких отходов);
• прогнозная оценка и обоснование инженерных мероприятий по защите территорий и сооружений от подтопления, заболачивания и других экзогенных процессов;
• экологические (прежде всего, в части, связанной с геологическими аспектами) прогнозы и обоснование ОВОСов проектов;
• обоснование проектов развития сетей (и систем в целом) государственного мониторинга состояния недр и др.

При решении всех вышеперечисленных задач ИКС должна являться инструментом:

• объективной (в том числе количественной) оценки состояния недр (включая ресурсы всех полезных ископаемых и показатели состояния геологической среды в их взаимодействии с другими природными ресурсами и компонентами окружающей среды);
• получения достоверных оценок динамики развития геологических процессов;
• прогнозирования развития геологических процессов, в их взаимодействии с окружающей средой.

Отсюда вытекает, что ИКС является единой, т.е. интегрированной. Она, прежде всего, состоит из двух взаимодействующих блоков: информационного и модельного. Информационный блок содержит всю необходимую совокупность фактографических и картографических данных.

Фактографические данные подразделяются на две группы:

• статические (относительно неизменные); к их числу относятся, например, паспорта скважин, водозаборных узлов, месторождений подземных вод и др. полезных ископаемых, данные обработки результатов опытно-фильтрационных и опытно-миграционных работ или инженерно-геологических испытаний и т.п.;
• динамические (изменяющиеся во времени); к числу которых относятся, например: уровни, температура, показатели качества и отбор подземных вод, показатели динамики развития экзогенных геологических процессов, гидрометеорологические показателям и т.п.

Динамические данные подразделяются на ретроспективные и текущие. Часть из последних данных может поступать в систему от автоматизированных средств измерения (мониторинга).

Картографические данные, как правило, включают в себя:

• географическую ситуацию (рельеф, речная сеть, населенные пункты и другие объекты, учитываемые в системе), т.е. необходимые элементы топографической основы;
• фактический материал (географическая привязка геологических, инженерно-геологических и гидрогеологических скважин разного целевого назначения, др. горных выработок и водопунктов, гидрологических створов, метеорологических станций и постов, реперов и др. объектов сети наблюдений за экзогенными геологическими процессами и т.п.);
• геологические материалы необходимые для формирования моделей (обычно это комплект карт геологического содержания таких как: геоморфологическая, геологическая, литологическая, структурно-тектоническая, гидрогеологическая, инженерно-геологическая, геологоэкологическая и т.п.).

Модельный блок включает в себя систему моделей различных геологических процессов и, определяющих их, природных и техногенных факторов. Эти модели разрабатываются применительно к задачам и масштабам исследований и калибруются в соответствии с количественными и качественными данными, содержащимися в информационном блоке. На основе, решения комплекса обратных задач, в том числе, по воспроизведению на моделях состояния геологической среды на предыдущие моменты времени, дается количественная оценка и прогноз состояния недр.

Таким образом, модельный блок становится неотъемлемым элементом государственного мониторинга состояния недр. Строго говоря, только на базе ИКС, включающей в себя модели геологических процессов и средства прогнозирования, могут быть решены задачи по обоснованию условий и масштабов природопользования (в части использования ресурсов недр, и в части использования других природных ресурсов, воздействующих на состояние недр).

При разработке моделей важнейшим этапом является схематизация природных условий, которая осуществляется, в частности, с учетом круга решаемых задач, а также масштабов рассматриваемых процессов и самой модели. Например, при обосновании масштаба геофильтрационной модели, т.е. степени ее дискретизации в плане, учитываются размеры области техногенного воздействия в целом, плотность техногенной нагрузки (т.е. количество эксплуатационных скважин и расстояние между ними), требования к детальности и точности прогноза в плане. С другой стороны, принятый масштаб модели в плане в значительной мере определяет дискретизацию в разрезе, т.е. количество расчетных слоев модели. Иными словами, как правило, чем более крупный масштаб модели в плане - тем более детальным должно быть расчленение разреза. Это вытекает, как из требований, определяемых погрешностями пространственной аппроксимации, так из сущности решаемых задач. Аналогичным образом увязываются принципы дискретизации процессов во времени.

Во многих случаях для детализации прогнозных расчетов целесообразно создавать систему разномасштабных моделей, которые представляют собой последовательные модели-"врезки", каждая из которых должна быть согласована по граничным условиям с более мелкомасштабной моделью. Таким образом, создается иерархическая(по степени детальности) система моделей, которая, к тому же хорошо согласуется с иерархической системой наблюдений в составе государственного мониторинга (например, территориальной и объектной). Такой подход, позволяет существенно снизить трудозатраты по разработке детальной модели для всей зоны влияния и он, как правило, вытекает из пространственных закономерностей развития процессов и обусловлен к тому же различной степенью изученности различных частей территории.

Для формирования и калибровки любой модели используются данные, содержащиеся в информационном блоке. Поэтому при определении состава и объема информации (включая виды наблюдений, количество пунктов наблюдения, частоту измерений и т.п.) должна учитываться специфика, обусловленная требованиями построения достоверных моделей. При калибровке модели, в первую очередь, учитываются количественные критерии (например, невязки по уровням подземных вод и разгрузке подземных вод в реки). С другой стороны, в обосновании модели и степени ее достоверности учитываются полуколичественные и качественные данные, а также (и это особенно важно) субъективные представления исследователей о закономерностях протекания геологических процессов и природных и техногенных факторов их обуславливающих. Формируемая модель, таким образом, считается достоверной, если результаты моделирования не противоречат всей совокупности имеющихся данных.

Обоснованная, таким образом, модель используется для прогнозирования. Затем по результатам последующих наблюдений оценивается степень достоверности выполненного ранее прогноза и вносятся уточнения в модель. Таким образом, модель становится постоянно развивающейся и уточняющейся по мере появления расхождений между данными прогноза и данными наблюдений или при возникновении принципиально новой информации.

Немаловажно еще одно положение, связанное с требованием интегрированности ИКС. ИКС должна содержать в себе не только вышеописанные информационный и модельный блоки, но и функциональный блок, содержащий инструментальные средства для всех доступных видов обработки данных, аналитических исследований и прогнозирования. Таким образом, ИКС является рабочим местом специалиста (геолога, гидрогеолога, инженера геолога и геоэколога).

Остановимся теперь на некоторых примерах создания ИКС и отдельных гидрогеологических моделей для решения задач, связанных с использованием ресурсов подземных вод. Конечно, при каждой конкретной разработке мы в разной мере смогли реализовать изложенные выше принципы, однако основные идеи и подходы были всегда аналогичными.

Наиболее ранними разработками (80-е годы), в которых участвовали специалисты компании "Геолинк", были:

• система разномасштабных геофильтрационных ПДМ центральной части Московского артезианского бассейна;
• система региональных геофильтрационных ПДМ гидрогеологических структур Ленинградского артезианского бассейна - Карельского перешейка и Ижорского плато.

Наиболее полно вышеизложенные принципы были реализованы в первой работе. При этом была создана фактографическая база данных, содержащая определенный, хотя и весьма ограниченный по тем временам, объем информации по опорным и наблюдательным скважинам. Картографический блок сводился к набору картограмм (сеточных цифровых карт) параметров и характеристик основных водоносных горизонтов, слабопроницаемых отложений и вспомогательных слоев (зона аэрации и речная сеть). Кроме того, была создана целая система разномасштабных геофильтрационных моделей (см. табл. 1). Разрабатывались и еще более детальные модели применительно к решению конкретных задач гражданского и жилищного строительства (прокладка подземных тоннелей, строительство линий метрополитена, застройка отдельных микрорайонов). В соответствии с изложенным степень детальности этих моделей в разрезе возрастала по мере укрупнения масштаба в плане.

Надо отметить, что на стадии разработки этой системы моделей целевая задача, прежде всего, сводилась к оценке закономерностей и прогнозу развития воронок депрессии в основных эксплуатируемых водоносных горизонтах (в том числе, их частичного осушения) и степени влияния эксплуатации подземных вод на карстово-суффозионные процессы, протекающие в г. Москве и прилегающих территориях. Одновременно решалась проблема подтопления территории города грунтовыми водами под влиянием перепланировок и утечек из систем водонесущих коммуникаций.

В дальнейшем существенно изменились задачи, решение которых должно осуществляться с применением этой системы. Сегодня на первое место вышли задачи, связанные с региональной и объектной переоценкой эксплуатационных запасов подземных вод и подготовкой обоснований для оперативного управления использованием подземных вод. В процессе решения этих задач должны быть получены и объективные оценки влияния интенсивного отбора подземных вод в Московском регионе (суммарный забор подземной воды здесь был более 3 млн м³) на экологические условия. Немаловажно при этом, что с момента создания первой системы моделей Московского региона существенно выросли технические возможности используемых компьютеров, а также уровень наших программных средств, которые мы используем при развитии системы.

В связи с этим система геофильтрационных моделей Московского региона существенно трансформировалась. Ныне мы совместно с коллегами из Геоцентра "Москва" завершаем разработку региональной модели всей территории применительно к масштабу 1:100 000 (2-е поколение). Детальные же модели (масштаба 1:25 000) охватывают сейчас не только территорию г. Москва, но и ряда водозаборов (или систем водозаборов) в районах с наиболее напряженной гидрогеологической ситуацией.

Региональная модель в разрезе охватывает всю зону пресных вод. Наибольшие трудности (и, вместе с тем, профессиональный интерес) в построении геофильтрационной модели Московского региона представляет сложный характер фильтрации подземных вод в основных эксплуатационных горизонтах. Водовмещающие отложения представлены здесь переслаивающими толщами карбонатно-глинистых пород. Фильтрационные параметры чрезвычайно изменчивы в плане и разрезе. Эта изменчивость обусловлена тектонической трещиноватостью пород и развитием карстовых процессов. Не менее сложными являются условия взаимосвязи глубоких водоносных горизонтов с мезокайнозойскими водоносными горизонтами. Здесь имеются многочисленные "гидрогеологические окна" в юрских водоупорных отложениях. Толща прорезается палеодолинами четвертичного и доюрского возраста. Сложен и характер взаимосвязи поверхностных и подземных вод. Достаточно сказать, что, при отборе подземных вод в объеме приближающемся к естественным ресурсам, мы не наблюдаем (или не можем оценить) заметного регионального ущерба поверхностному стоку. Нет признаков регионального изменения режима уровней грунтовых вод. Все наблюдаемые изменения носят, как правило, локальный характер.

Весьма сложна региональная гидрогеохимическая картина. Для региона характерна крайняя пространственная неоднородность показателей качества подземных вод. Поэтому в дальнейших наших планах стоит построение геомиграционной модели Московского региона. Эта модель необходима для решения проблем качества подземных вод в процессе их интенсивной эксплуатации при наличии сложных природных гидрогеохимических аномалий и возможных очагов загрязнения подземных вод.

Многие годы "Геолинк" сотрудничает с предприятием "Водны Здрои Хрудим" (Чешская республика). Мы с нашими чешскими коллегами создали модели целого ряда гидрогеологических структур Восточной Чехии, Моравии и Словакии. Это два десятка объектов, в том числе: Полицкая, Кишперская, Высокомитская, Краловодворская и Гержамановоместецкая синклинали, Новоградский, Урбаницкий и Липа-Грушовицкий бассейны, Литоградская и Подлажицкая системы водозаборов, бассейн Михайловце (система водозаборов и государственное подземное хранилище нефтепродуктов), Метиновец (нефтяное загрязнение подземных вод), Стрелочский бассейн (система водозаборов и песчаный карьер), Градецкралово-Пардубицкий бассейн, Южноморавский бассейн. Остановимся подробнее на двух последних разработках, поскольку они представляются нам наиболее характерными с точки зрения комплексного решения проблем.

Градецкралово-Пардубицкий бассейн (Восточная Чехия) на первый взгляд, характеризуется сравнительно простыми гидрогеологическими условиями. Здесь основное значение имеет грунтовый водоносный горизонт в высокопроницаемых песчано-гравийно-галечных четвертичных отложениях древней долины реки Лабы. Район в целом выгодно отличается значительными естественными ресурсами подземных вод. Однако водоносный горизонт имеет незначительную мощность и залегает на наклонном водоупоре, уклон которого имеет один порядок с уклоном потока подземных вод. Основным источником формирования ресурсов подземных вод в этой структуре является инфильтрация атмосферных осадков. Разгрузка подземных вод, как традиционно предполагалось, осуществляется в реку Лаба.

Результаты моделирования существенно изменили представления об условиях формирования и разгрузки подземных вод на этой территории. В частности, было установлено, что большая часть подземных вод разгружается путем эвапотранспирации на площадях с неглубоким залеганием уровней грунтовых вод (от 0.5 до 1.5 м). При этом была модельно апробирована зависимость интенсивности питания и эвапотранспирации от глубины залегания уровня грунтовых вод. Было выявлено, что на значительных площадях территории при эксплуатации подземных вод и снижении их уровней произошло сокращение эвапотранспирации вплоть до инверсии разгрузки на питание. Изменение глубины залегания уровней подземных вод, а, следовательно, и влажностного режима почв, соответствующим образом, оказывают влияние на условия произрастания растительности. Это в, свою очередь, требует осуществления экологических прогнозов.

Описываемый район подвержен интенсивной техногенной нагрузке. Здесь существует несколько водозаборов. Два наиболее мощных из них обеспечивают питьевое водоснабжение двух крупнейших городов Восточной Чехии (Градец Кралов и Пардубице). В непосредственной близости от этих водозаборов эксплуатируется система карьеров, где осуществляется добыча песчано-гравийного материала для строительных нужд по схеме "мокрой" технологии. Кроме того, здесь имеется спрямляющий канал реки Лабы, который оказывает существенное влияние на подземные воды, местами дренируя подземный поток, а местами восполняя подземные воды. Результаты специальных гидрометрических работ и моделирование позволили подойти к количественной оценке разгрузки подземных вод в канал и потерь поверхностного стока.

Все перечисленные природные и техногенные особенностей были учтены при разработке геофильтрационной модели этой гидрогеологической структуры. На основе данных мониторинга (здесь использовалась информация по нескольким сотням пунктов наблюдения) была осуществлена калибровка этой модели на различные моменты времени и воспроизведен опыт эксплуатации подземных вод на водозаборах с учетом развития системы карьеров. В результате были количественно оценены все составляющие баланса подземных вод, а модель была подготовлена к решению прогнозных гидродинамических задач и, в том числе, для переоценки эксплуатационных запасов подземных вод.

Другой гидрогеологической особенностью этого бассейна является плохая защищенность подземных вод от загрязнения. Зона аэрации здесь представлена в основном песчаными и супесчаными отложениями. Построенная по методике, предложенной И.С. Пашковским, карта защищенности подземных вод, показывает, что расчетное время поступления консервативного (несорбирующегося в почвенном слое) загрязняющего вещества составляет для большей части территории от 0.5 до 3-х лет.

Действительно, анализ данных наблюдений за показателями качества подземных вод за последние десятилетия показывает, что здесь возникли многочисленные очаги загрязнения с повышенным содержанием хлоридов, аммония, нитратов и нитритов. Все эти очаги носят локальный характер и обусловлены деятельностью промышленных или сельскохозяйственных предприятий. Анализ же данных по сульфатам в подземных водах показывает, что практически повсеместно наблюдается рост их содержания. Степень изменений настолько велика, что практически везде возник новый гидрогеохимический тип воды. Подземные воды, которые в естественных условиях были гидрокарбонатными, стали сульфатными. На 40% территории подземные воды по содержанию сульфатов не отвечают требованиям стандарта Чешской Республики для воды питьевого назначения.

Для изучения площадных закономерностей распространения загрязняющих веществ в подземных водах использовались разновременные данные и кригинг-анализ. Таким образом, были построены поэлементные гидрогеохимические карты на разные моменты времени. Как уже говорилось, по большинству элементов очаги загрязнения локализовались. Однако, карта содержания сульфатов показывает, что это загрязнение носит региональный характер и этом степень загрязнения существенно варьирует по площади.

Для выяснения причин описанной региональной картины загрязнения подземных вод был проведен анализ возможных его источников. Было установлено, что в районе имеют место несколько объектов (в основном теплоэнергетической промышленности), которые постоянно выбрасывают в атмосферу большое количество сульфидов. Связано это с тем, что тепловые электростанции в Чехии работают в основном на бурых углях, отличающихся высоким содержанием серы. Для анализа пространственных закономерностей распространения загрязнения в атмосфере была построена (по известным общераспространенным методикам) модель среднегодового содержания сульфидов в приземном слое атмосферы. В этой модели учитывается рельеф, роза ветров, интенсивность выбросов в атмосферу и высота труб. Даже визуальное сопоставление полученной, таким образом, модельной карты содержания сульфидов в приземном слое атмосферы с расчетной картой содержания сульфатов в подземных водах показывает, что они хорошо корреспондируются. Более строгий корреляционный анализ модельных и расчетных данных показывает наличие прямой связи между ними. Таким образом, была установлена не только причинная связь, объясняющая природу наблюдаемого регионального загрязнения подземных вод, но и выявлены необходимые количественные характеристики.

На следующем этапе была построена геомиграционная модель, в которой рассматривалась миграция сульфатов в подземных водах (с учетом временной задержки в зоне аэрации). Для уточнения миграционных параметров была выполнена калибровка этой модели по данным мониторинга подземных вод.

Таким образом, была разработана комплексная система моделей, которая в последующем позволила выполнять комплексные прогнозы с целью управления отбором подземных вод, т.е. выбора оптимальных схем и режима работы водозаборов. При этом важнейшими критериями здесь являлись: сохранение качества подземных вод в пределах ПДК и минимизация экологических последствий, вызванных изменением режима подземных вод.

Весьма интересной оказалась работа по Южноморавскому бассейну. Этот район с весьма сложными гидрогеологическими условиями (крутопадающие, переслаивающиеся водоносные и слабопроницаемые отложения, в том числе трещиноватые) отличается высокой техногенной нагрузкой. Здесь помимо многочисленных водозаборов эксплуатировалось несколько легнитовых шахт. Водопритоки в горные выработки (на тонну добываемого сырья) здесь были самые высокие в Европе. Дренажные воды поднимались на поверхность и, поскольку качество их было удовлетворительное, сбрасывались в реку Киевку. В бассейне реки Киевки расположены два крупных города (Киев и Годонин), бытовые стоки которых без водоподготовки сбрасывались непосредственно в реку. Ниже по течению реки расположено несколько водохранилищ рыбоводческого назначения. В маловодные годы (в период нашей работы водность составляла более 96%) речной сток на 90% состоял из дренажных вод. Таким образом, даже в маловодные годы в реке происходило достаточное разбавление бытовых стоков.

В связи с изменением системы экономических отношений в Чехии и нерентабельностью производства (можно отметить, что затраты только электроэнергии на шахтный водоотлив были эквивалентны трети добываемого топлива) было принято правительственное решение о закрытии шахт и их "мокрой" консервации. Задача наших исследований сводилась к прогнозу изменения гидрогеологической обстановки территории, обоснованию системы мониторинга подземных вод и экологическому прогнозу последствий закрытия шахт.

При разработке геофильтрационной модели первое, на что было обращено наше внимание и внимание наших чешских коллег, это источники формирования дренажных вод. По данным предыдущих исследований, основанных на традиционных методиках, район работ в отношении естественных ресурсов подземных вод рассматривался как весьма бедный (модуль естественных ресурсов здесь считался равным 0.5 л/с*км²). Такие низкие естественные ресурсы не могли обеспечить столь значительные притоки подземных вод в горные выработки. В результате анализа данных горных работ было установлено, что по принятой схеме добычи после отработки подземного пространства здесь проводилось "обрушение" кровли. Геомеханические расчеты, которые выполнил В.А. Мироненко, показали, что при таком способе, во-первых, зона техногенной трещиноватости распространилась вплоть до поверхности земли и, во вторых, должны иметь место просадки земной поверхности. Обследование территории подтвердило эти расчеты. На поверхности земли образовались понижения в рельефе (бессточные впадины). Типичным свидетельством этого инженерно-геологического процесса явился "пьяный" лес. Таким образом, технология ведения горных работ нашла свое отражение в техногенном изменении гидрогеологических условий в районе шахтных полей. Это выразилось в том, что интенсивность инфильтрационного питания подземных вод в этой зоне сильно увеличилась (по данным моделирования почти на порядок). Кроме того, в результате развития техногенной трещиноватости в горных породах существенно увеличились параметры перетекания между водоносными горизонтами.

Не останавливаясь далее на калибровке модели и решении серии прогнозных задач, приведем результаты экологического прогноза, выполненного нами. Расчеты показали, что при полном прекращении водоотлива из шахт в годы даже более высокой водности, чем в период проведения исследований, а именно 90-95%, качество воды в системе водохранилищ будет настолько неудовлетворительным, что будет практически уничтожена вся рыба. Для предотвращения этой экологической катастрофы нами предлогалось несколько вариантов (каждый из них, конечно, требовал определенных финансовых затрат), которые можно было осуществить до строительства городских очистных сооружений. Естественно, рассматривался вариант частичного сохранения шахтного водоотлива (на уровне обеспечивающем экологическую безопасность). Рассматривался вариант строительства сезонного регулирующего водохранилища в верховьях реки Киевки. В качестве наиболее дешевого варианта было предложено строительство приречного водозабора подземных вод для пополнения речного стока в маловодные периоды.

Ни один из предложенных нами вариантов не был принят к практической реализации и, несмотря на столь неблагоприятный прогноз, уже в следующем году произошло закрытие шахт. Этот год, как и предыдущий, оказался маловодным и, как это не печально, наш экологический прогноз оправдался на 100%.

Безусловно, интересны и другие наши работы по чешским объектам. В частности, благодаря нашим совместным работам мы получили неоценимый опыт моделирования геофильтрации в трещиноватых породах, где закономерности движения подземных вод "тектонически обусловлены". Интересны работы, связанные с моделированием загрязнения подземных вод (в том числе углеводородами) и обоснованием схем их очистки.

Отметим также нашу работу по созданию геофильтрационной ПДМ Обь-Томского междуречья, где, как известно, размещен мощнейший водозабор для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Томска. Модель охватывала здесь систему основных водоносных горизонтов. Цель ее разработки заключалась в создании инструмента для объективной оценки состояния подземных вод и управления эксплуатационным их отбором, а так же в обосновании сети мониторинга подземных вод. Сотрудники компании "Геолинк" подключились к этой работе на ее завершающем этапе, осуществили калибровку модели и передали ее в эксплуатацию в Томский центр геомониторинга. К нашему глубокому сожалению наши томские коллеги, очевидно, не прониклись нашими идеями, изложенными выше, и пошли по пути дезинтеграции системы. Картографическая информация ведется ими в одной программной среде, фактографические данные государственного мониторинга в другой, а геофильтрационная ПДМ в третьей (в программной среде Geolink 2.0). Таким образом, комплексная технология ведения ИКС, которую мы предлагаем, оказалась задействованной не полностью. Видимо необходимо определенное время для осознания преимуществ, предлагаемых нами технологий решения гидрогеологических и экологических задач. Вместе с тем, модель Обь-Томского междуречья эксплуатируется и успешно используется для прогнозных расчетов и оптимизации отбора подземных вод. Дальнейшее развитие этой разработки видится нам в создании геомиграционной модели, поскольку проблема качества подземных вод и здесь приобретает актуальное значение.

С 1996 года, "Геолинк" проводит работы по созданию ИКС управления недропользованием (в части использования подземных вод) на территории бассейна Курской магнитной аномалии (КМА). Как известно, регион характеризуется значительной техногенной нагрузкой. Здесь эксплуатируются многочисленные водозаборы, включая наиболее крупные для водоснабжения гг. Курска и Белгорода. Мощные дренажные системы горнодобывающих предприятий, таких как Михайловский, Лебединский и Стойленский ГОКи, осуществляют водоотлив подземных вод. Воронки депрессии в водоносных горизонтах распространяются на десятки километров. Водохозяйственные системы горнодобывающих предприятий существенно изменили не только речной сток, но и оказали значительное влияние на режим и баланс подземных вод. Система хвостохранилищ горнодобывающих предприятий создала значительный подпор грунтовых вод и может оказывать влияние на сопредельные территории, в том числе на лесные массивы и сельскохозяйственные угодья и представлять опасность с точки зрения загрязнения подземных вод. На ряде территорий промышленных предприятий (в том числе химической промышленности) выявлены очаги загрязнения подземных вод.

Для территории КМА создается система разномасштабных геофильтрационных моделей. Часть этих моделей уже разработана и передана в эксплуатацию, а остальные разрабатываются (см. табл. 2). В планах нашего предприятия на ближайшие два года - создание региональной модели всей территории КМА (масштаб 1:200 000), включая, кроме Курской и Белгородской, Брянскую и Орловскую области и сопредельные территории. Более отдаленные перспективы связаны с построением геомиграционных моделей отдельных территорий.

Региональные модели бассейна КМА в разрезе охватывают всю толщу осадочного чехла и обводненных кристаллических пород архей-пртерозоя. Среди многочисленных особенностей, которые были установлены в процессе создания ИКС, отметим следующие.

Здесь выявлены весьма специфические условия питания подземных вод мергельно-мелового водоносного горизонта. Этот горизонт в местах его выхода на поверхность имеет повышенную трещиноватость. В естественных условиях здесь интенсивность инфильтрации выше, чем на окружающей территории (за счет поглощения склонового стока в паводковые периоды). В процессе эксплуатации подземных вод, например, в районе Белгородских водозаборов, наблюдается сработка уровней и осушение значительной толщи трещиноватых мелов. Таким образом, высвобождается дополнительная емкость, которая может частично или полностью восполняться в период снеготаяния или ливневых дождей. Опыт эксплуатации водозаборов, который был проанализирован нашим коллегой В.С. Плотниковым, показывает, что отбор подземных вод в таких условиях приводит к существенному увеличению интенсивности питания подземных вод (в несколько раз, как это следует из результатов моделирования).

Весьма специфическим является в этом регионе характер фильтрации в карбонатных и кристаллических образованиях. Например, данные опыта эксплуатации дренажных сооружений Михайловского, Лебединского и Стойленского ГОКов и длительного (два года) опытного водопонижения на Яковлевском месторождении, показывают, что значительные понижения уровней могут отмечаться в наблюдательных скважинах, расположенных в десятках километров от источника возмущения, если эти скважины попадают в ту же самую систему тектонических трещин. Другие же скважины, расположенные иногда в сотнях метров, практически не реагируют на возмущение. Фильтрация подземных вод в этих образованиях носит зачастую нестационарный характер. Так упомянутое водопонижение на Яковлевском месторождении так и не вышло на стационарный режим. Опыт эксплуатации дренажных систем Михайловского карьера показывает, что за десятилетия его разработки, периоды стабилизации были весьма кратковременными. Обусловлено это тем, что скорость расширения карьера и развития его дренажных систем столь велики, что система не успевает придти в равновесное состояние. Анализ источников формирования дренажных вод Михайловского карьера показывает, что 20-25% дренажных вод формируется за счет сработки гравитационной емкости осушаемых горизонтов.

При моделировании опытного водопонижения на Яковлевском месторождении мы столкнулись с весьма интересным фактом. При откачке из водоносного горизонта в карбонатных отложениях, до тех пор, пока понижение уровней было меньше 200 метров, вышележащий бат-келловейский водоносный горизонт реагировал очень слабо. Но далее уровни в этом горизонте резко упали на 50 метров. При этом так же резко замедлились темпы снижения уровней в эксплуатируемом водоносном горизонте. Нами было высказано предположение о том, что взаимосвязь между водоносными горизонтами в районе месторождения резко изменилась под влиянием техногенных факторов. А именно, под действием значительного перепада давления между горизонтами произошло разрушение тампонажного материала в ликвидированных геологоразведочных скважинах. Это предположение было подтверждено очевидцами, которые обратили наше внимание на то, что в определенный момент водопонизительные скважины, оборудованные на каменноугольный горизонт, стали "песковать" бат-келловейскими песками. При этом объем выносимого материала измерялся "самосвалами". По результатам же модельной оценки параметры взаимосвязи между водоносными горизонтами в районе разведанного месторождения изменились на порядок. Таким же образом нашел свое объяснение и сложный характер восстановления уровней после окончания опыта.

Сложной является гидрогеологическая обстановка в районах, примыкающих к горнодобывающим предприятиям. Так, например, в районе Лебединского и Стойленского карьеров на фоне мощных воронок депрессии в глубоких горизонтах возникла значительная зона подпора вблизи системы хвостохранилищ. Подпор распространяется на значительные территории, в том числе на территорию государственного заповедника и может оказывать влияние на экологическую обстановку. По результатам моделирования установлено, что половина объема водопритока к дренажной системе Лебединского карьера формируется за счет потерь из его же хвостохранилища. Резко изменены условия взаимосвязи подземных и поверхностных вод. Так, например, река Осколец, которая в естественных условиях дренировала подземные воды, почти на всем своем протяжении "оторвана" от подземных вод и питает первый от поверхности водоносный горизонт.

Более подробно о наших работах на территории КМА и о технологии создания ИКС и моделей будет рассказано на секционных заседаниях. Можно так же ознакомиться с нашим опытом работ и на других объектах, не упомянутых в настоящем докладе.

Приведенные примеры работ по созданию ИКС и отдельных моделей объектов, в которых участвовали специалисты компании "Геолинк", показывают, что сегодня мы вооружены мощными средствами оценки и прогнозирования состояния недр и влияния их эксплуатации на окружающую среду. Сегодня мы можем утверждать, что для территорий с большой техногенной нагрузкой и сложными природными условиями описываемые в докладе информационно-компьютерные системы, включающие в себя системы моделей геологических процессов и природных и техногенных факторов, становятся реальным и практически единственным и объективным инструментом управления недропользованием.