Оценка ресурсного потенциала вендского водоносного комплекса на базе численного моделирования на примере Ленинградской области
|
Введение 3
1 Физико-географическая характеристика района работ 5
2 Геологическое строение района работ 11
3 Гидрогеологическая характеристика района работ 18
4 Условия формирования ресурсов вендского водоносного комплекса 27
4.1 Методы оценки: интерпретация изотопных данных 28
4.2 История развития Беломоро-Балтийского региона в позднечетвертичное время 29
4.3 Изотопные данные и их интерпретация 31
4.4 Формирование палеодолин 37
5 Численная геофильтрационная модель 39
6 Прогноз влияния техногенной нагрузки 57
6.1 Современное состояние 57
6.2 Сохранение текущего водоотбора (прогноз на 25 лет) 58
6.3 Увеличение водоотбора в 2 раза (прогноз на 25 лет) 60
6.4 Прогноз максимально допустимого водоотбора 61
6.5 Прогноз максимально допустимого водоотбора с учётом климатических вариаций .. 63
7 Оценка влияния палеоклиматических условий 65
7.1 Похолодание 66
7.2 Потепление 69
Заключение 73
Список использованных источников и информационных материалов 75
1 Физико-географическая характеристика района работ 5
2 Геологическое строение района работ 11
3 Гидрогеологическая характеристика района работ 18
4 Условия формирования ресурсов вендского водоносного комплекса 27
4.1 Методы оценки: интерпретация изотопных данных 28
4.2 История развития Беломоро-Балтийского региона в позднечетвертичное время 29
4.3 Изотопные данные и их интерпретация 31
4.4 Формирование палеодолин 37
5 Численная геофильтрационная модель 39
6 Прогноз влияния техногенной нагрузки 57
6.1 Современное состояние 57
6.2 Сохранение текущего водоотбора (прогноз на 25 лет) 58
6.3 Увеличение водоотбора в 2 раза (прогноз на 25 лет) 60
6.4 Прогноз максимально допустимого водоотбора 61
6.5 Прогноз максимально допустимого водоотбора с учётом климатических вариаций .. 63
7 Оценка влияния палеоклиматических условий 65
7.1 Похолодание 66
7.2 Потепление 69
Заключение 73
Список использованных источников и информационных материалов 75
Тема выпускной квалификационной работы (ВКР) для получения степени магистра геологии «Оценка ресурсного потенциала вендского водоносного комплекса на базе численного моделирования на примере Ленинградской области» была выбрана как развитие бакалаврской выпускной квалификационной работы «Составление численной геофильтрационной модели вендского водоносного комплекса с целью уточнения его области питания».
Объект исследования: вендский водоносный комплекс на территории Карельского перешейка и г. Санкт-Петербург.
Актуальность темы определяется тем, что ресурсы вендского водоносного комплекса используются для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения Карельского перешейка и части северных районов Санкт-Петербурга, являются резервом на случай чрезвычайных ситуаций и в особый период, местами эксплуатируются в бальнеологических целях. Необходимость принятия корректных управленческих решений в области природопользования делают актуальным создание численной геофильтрационной модели водоносного комплекса, позволяющей произвести прогнозную оценку воздействия антропогенной нагрузки на его ресурсный потенциал с учётом сложившейся ситуации и перспективного роста водопотребления в рамках условий, определяемых природными и техногенными факторами.
Новизна исследования заключается в том, что создана численная геофильтрационная модель вендского водоносного комплекса для калибровки и актуализации которой, кроме предусмотренной нормативными документами информации, использованы данные об изотопном составе воды. Выполнена а) оценка влияния техногенной нагрузки на водоносный комплекс, в том числе, с учётом долговременного изменения ресурсов подземных вод под влиянием вероятных климатических изменений и б) рассмотрены изменения условий формирования запасов вендского комплекса при различных сценариях географо-климатического развития территории в позднем плейстоцене и голоцене.
Цель: оценка значимости климатических изменений и антропогенного воздействия на ресурсный потенциал вендского водоносного комплекса в пределах Карельского перешейка и г. Санкт-Петербург посредством численного моделирования.
Задачи:
1) обобщение результатов изучения физико-географических условий, геологического и гидрогеологического строения района исследования на базе опубликованных и фондовых материалов;
2) анализ реконструкций условий формирования ресурсов и химического состава подземных вод в ходе климатических вариаций;
3) обобщение материалов по геолого-гидрогеологическим условиям Карельского перешейка и истории эксплуатации вендского водоносного комплекса;
4) построение численной модели водоносного комплекса в пределах Карельского перешейка и г. Санкт-Петербург;
5) калибровка модели с учётом взаимодействия с перекрывающими отложениями и трещиноватой зоной фундамента;
6) модельная оценка влияния техногенной нагрузки на ресурсы вендского водоносного комплекса, в том числе, с учётом вероятных изменений климата;
7) модельная реконструкция долговременных изменений условий формирования ресурсов и качества подземных вод вендского водоносного комплекса под влиянием климатических изменений в плейстоцене и голоцене.
Методология работ. В рамках выполнения ВКР осваиваются три основных методологических компонента
1) анализ фондовой и опубликованной литературы;
2) генерализация параметрического наполнения модели и воднобалансовых показателей;
3) получение прогнозных оценок с помощью математического (численного) моделирования.
В ходе написания выпускной квалификационной работы используются следующие программные продукты: Processing Modflow 8 (программа для численного гидрогеологического моделирования), ArcGIS 10 (геоинформационная система), CorelDraw 18 (векторный графический редактор), Surfer 15 (картографический редактор), стандартный пакет MS Office 2016 (Word, Excel, Access, PowerPoint), Adobe Acrobat DC. Программы были предоставлены кафедрой гидрогеологии СПбГУ и РЦ РДМИ НП СПбГУ.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному консультанту Игорю Владимировичу Токареву за общее руководство работой, ценные советы и предоставленные материалы, научным руководителям А.А. Потапову (на 1 курсе) и Н.А. Виноград (на 2 курсе) за решение организационных вопросов, директору по научной работе ООО «Водный центр СПбГУ» П.К. Коносавскому за предоставленные материалы и советы по моделированию, главному гидрогеологу АО «Северо-Западное ПГО» Г.Ю. Воронюку за предоставленные материалы, ФБУ «Территориальные фонды геологической информации по Северо-Западному федеральному округу» за предоставленные материалы.
Объект исследования: вендский водоносный комплекс на территории Карельского перешейка и г. Санкт-Петербург.
Актуальность темы определяется тем, что ресурсы вендского водоносного комплекса используются для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения Карельского перешейка и части северных районов Санкт-Петербурга, являются резервом на случай чрезвычайных ситуаций и в особый период, местами эксплуатируются в бальнеологических целях. Необходимость принятия корректных управленческих решений в области природопользования делают актуальным создание численной геофильтрационной модели водоносного комплекса, позволяющей произвести прогнозную оценку воздействия антропогенной нагрузки на его ресурсный потенциал с учётом сложившейся ситуации и перспективного роста водопотребления в рамках условий, определяемых природными и техногенными факторами.
Новизна исследования заключается в том, что создана численная геофильтрационная модель вендского водоносного комплекса для калибровки и актуализации которой, кроме предусмотренной нормативными документами информации, использованы данные об изотопном составе воды. Выполнена а) оценка влияния техногенной нагрузки на водоносный комплекс, в том числе, с учётом долговременного изменения ресурсов подземных вод под влиянием вероятных климатических изменений и б) рассмотрены изменения условий формирования запасов вендского комплекса при различных сценариях географо-климатического развития территории в позднем плейстоцене и голоцене.
Цель: оценка значимости климатических изменений и антропогенного воздействия на ресурсный потенциал вендского водоносного комплекса в пределах Карельского перешейка и г. Санкт-Петербург посредством численного моделирования.
Задачи:
1) обобщение результатов изучения физико-географических условий, геологического и гидрогеологического строения района исследования на базе опубликованных и фондовых материалов;
2) анализ реконструкций условий формирования ресурсов и химического состава подземных вод в ходе климатических вариаций;
3) обобщение материалов по геолого-гидрогеологическим условиям Карельского перешейка и истории эксплуатации вендского водоносного комплекса;
4) построение численной модели водоносного комплекса в пределах Карельского перешейка и г. Санкт-Петербург;
5) калибровка модели с учётом взаимодействия с перекрывающими отложениями и трещиноватой зоной фундамента;
6) модельная оценка влияния техногенной нагрузки на ресурсы вендского водоносного комплекса, в том числе, с учётом вероятных изменений климата;
7) модельная реконструкция долговременных изменений условий формирования ресурсов и качества подземных вод вендского водоносного комплекса под влиянием климатических изменений в плейстоцене и голоцене.
Методология работ. В рамках выполнения ВКР осваиваются три основных методологических компонента
1) анализ фондовой и опубликованной литературы;
2) генерализация параметрического наполнения модели и воднобалансовых показателей;
3) получение прогнозных оценок с помощью математического (численного) моделирования.
В ходе написания выпускной квалификационной работы используются следующие программные продукты: Processing Modflow 8 (программа для численного гидрогеологического моделирования), ArcGIS 10 (геоинформационная система), CorelDraw 18 (векторный графический редактор), Surfer 15 (картографический редактор), стандартный пакет MS Office 2016 (Word, Excel, Access, PowerPoint), Adobe Acrobat DC. Программы были предоставлены кафедрой гидрогеологии СПбГУ и РЦ РДМИ НП СПбГУ.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному консультанту Игорю Владимировичу Токареву за общее руководство работой, ценные советы и предоставленные материалы, научным руководителям А.А. Потапову (на 1 курсе) и Н.А. Виноград (на 2 курсе) за решение организационных вопросов, директору по научной работе ООО «Водный центр СПбГУ» П.К. Коносавскому за предоставленные материалы и советы по моделированию, главному гидрогеологу АО «Северо-Западное ПГО» Г.Ю. Воронюку за предоставленные материалы, ФБУ «Территориальные фонды геологической информации по Северо-Западному федеральному округу» за предоставленные материалы.
В ходе выполнения магистерской выпускной квалификационной работы изучены опубликованные и фондовые материалы по физико-географическим условиям, геологическому строению и гидрогеологическим условиям Карельского перешейка и г. Санкт- Петербург с упором на анализ условий формирования и оценку запасов вендского водоносного комплекса, в том числе с применением численного моделирования. Была составлена и откалибрована численная геофильтрационная модель территории Карельского перешейка, учитывающая взаимодействие вендского водоносного комплекса с зоной трещиноватости фундамента, а также перекрывающим региональным водоупором котлинских глин и четвертичными отложениями. На нормативные 25 лет просчитано 2 прогнозных сценария влияния различной техногенной нагрузки на ресурсы ВВК, осуществлена оценка максимально допустимого водоотбора, а также проведена прогнозная оценка изменения ресурсного потенциала вследствие потепления и уменьшения инфильтрационного питания. На базе анализа палеореконструкций Северо-Западного региона Российской Федерации рассмотрены 2 сценария влияния долговременных климатических изменений в прошлом на условия формирования ресурсов и качество воды ВВК.
Выводы:
1. Ресурсы вендского водоносного комплекса испытывают техногенное влияние, неравномерно распределённое по площади его распространения и изменяющееся во времени. Эксплуатационная нагрузка последних десятилетий смещается из центральной части Санкт- Петербурга на Карельский перешеек, что приводит к нивелированию сформировавшейся в 1946-1978 гг. региональной депрессии и смещению геометрического центра воронки депрессии в северном направлении с возникновением локальных понижений вблизи крупных водозаборов.
2. Прогноз на 25 лет: сохранение существующей эксплуатационной нагрузки (26,4 тыс. м3/сут) способствует сохранению тенденции постепенного восстановления запасов вендского водоносного комплекса в пределах Санкт-Петербурга в сторону естественного распределения напоров и с формированием незначительного снижения уровней/напоров в центральной части Карельского перешейка.
3. Прогноз на 25 лет: увеличение объёмов водоотбора в 2 раза при сохранении современного пространственного расположения водозаборов повлечёт за собой формирование депрессионной воронки сложной формы с центром на Карельском перешейке и постепенное истощение запасов вендского водоносного комплекса.
4. Модельная оценка максимально допустимых объёмов водоотбора пресных защищённых региональным водоупором вод ВВК в центральной части Карельского перешейка составила 70,6 тыс. м3/сут, ещё 20,7 тыс. м3/сут можно добывать на площадях распространения ВВК в виде грунтового горизонта. Таким образом, ресурсный потенциал пресных вод вендского водоносного комплекса составляет около 91,3 тыс. м3/сут (что в 3,5 раза больше современного водоотбора 26,4 тыс. м3/сут).
5. Ожидаемое потепление климата, приводящее к 15 % сокращению инфильтрационного питания, практически не скажется на ресурсном потенциале ВВК, снизив его лишь на 0,4%, что объясняется наличием связи с поверхностными водоёмами и водотоками.
6. Ресурсный потенциал вендского водоносного комплекса на территории Карельского перешейка (Ленинградская область) позволяет без дополнительных детальных исследований осуществлять его эксплуатацию распределёнными по площади водозаборами с суммарным дебитом до 90 тыс. м3/сут.
7. Анализ палеореконструкций указывает на то, что запасы вендского водоносного комплекса могли формироваться в позднем плейстоцене и голоцене за счёт солёных вод Микулинского моря (~120 тыс. лет назад), пресных талых вод Скандинавского ледника (100¬18 тыс. лет назад) и Балтийского ледникового озера (~12 тыс. лет назад).
8. Оценки по сценариям похолодания и потепления, проведённые на базе разработанной модели, демонстрируют что: а) оледенение территории с сопутствующим снижением объёмов питания ведёт к существенному перераспределению напоров и запасов пресных вод ВВК; б) затопление территории при потеплении ведёт полному восстановлению запасов пресных вод ВВК, при некотором снижении темпов водообмена.
Выводы:
1. Ресурсы вендского водоносного комплекса испытывают техногенное влияние, неравномерно распределённое по площади его распространения и изменяющееся во времени. Эксплуатационная нагрузка последних десятилетий смещается из центральной части Санкт- Петербурга на Карельский перешеек, что приводит к нивелированию сформировавшейся в 1946-1978 гг. региональной депрессии и смещению геометрического центра воронки депрессии в северном направлении с возникновением локальных понижений вблизи крупных водозаборов.
2. Прогноз на 25 лет: сохранение существующей эксплуатационной нагрузки (26,4 тыс. м3/сут) способствует сохранению тенденции постепенного восстановления запасов вендского водоносного комплекса в пределах Санкт-Петербурга в сторону естественного распределения напоров и с формированием незначительного снижения уровней/напоров в центральной части Карельского перешейка.
3. Прогноз на 25 лет: увеличение объёмов водоотбора в 2 раза при сохранении современного пространственного расположения водозаборов повлечёт за собой формирование депрессионной воронки сложной формы с центром на Карельском перешейке и постепенное истощение запасов вендского водоносного комплекса.
4. Модельная оценка максимально допустимых объёмов водоотбора пресных защищённых региональным водоупором вод ВВК в центральной части Карельского перешейка составила 70,6 тыс. м3/сут, ещё 20,7 тыс. м3/сут можно добывать на площадях распространения ВВК в виде грунтового горизонта. Таким образом, ресурсный потенциал пресных вод вендского водоносного комплекса составляет около 91,3 тыс. м3/сут (что в 3,5 раза больше современного водоотбора 26,4 тыс. м3/сут).
5. Ожидаемое потепление климата, приводящее к 15 % сокращению инфильтрационного питания, практически не скажется на ресурсном потенциале ВВК, снизив его лишь на 0,4%, что объясняется наличием связи с поверхностными водоёмами и водотоками.
6. Ресурсный потенциал вендского водоносного комплекса на территории Карельского перешейка (Ленинградская область) позволяет без дополнительных детальных исследований осуществлять его эксплуатацию распределёнными по площади водозаборами с суммарным дебитом до 90 тыс. м3/сут.
7. Анализ палеореконструкций указывает на то, что запасы вендского водоносного комплекса могли формироваться в позднем плейстоцене и голоцене за счёт солёных вод Микулинского моря (~120 тыс. лет назад), пресных талых вод Скандинавского ледника (100¬18 тыс. лет назад) и Балтийского ледникового озера (~12 тыс. лет назад).
8. Оценки по сценариям похолодания и потепления, проведённые на базе разработанной модели, демонстрируют что: а) оледенение территории с сопутствующим снижением объёмов питания ведёт к существенному перераспределению напоров и запасов пресных вод ВВК; б) затопление территории при потеплении ведёт полному восстановлению запасов пресных вод ВВК, при некотором снижении темпов водообмена.