Изучение фильтрации. Метод резистивиметрии
Измерение электрического сопротивления воды проводилось с помощью стандартного трехэлектродного каротажного зонда AMN (АО=2 м, MN=0,5 м) на трехжильном кабеле КТШ-0,3. Так как в процессе измерений зонд находился в значительном объеме воды, то полученное значение кажущегося сопротивления точно соответствовало электрическому сопротивлению воды. В качестве измерительного прибора применялся электронно-стрелочный компенсатор ЭСК-1 с механическим пульсатором для преобразования постоянного тока в пульсирующий. Подключение всех элементов измерительной схемы было таким же, как при проведении электрокаротажных исследований с переносной установкой. Замеры электрического сопротивления проводились дискретно через 10 м. Аппаратура для резистивиметрических измерений, так же как и термометрическая, размещалась на описанном выше катамаране.
Получены графики изменения электрического сопротивления воды с глубиной. На основании этих графиков был вычислен средний график изменения электрического сопротивления воды в озере в районе завала. Изменения электрического сопротивления воды в плане, так же как и температуры, отмечено не было. По результатам измерений лабораторным резистивиметров и хим. анализом было определено электрическое сопротивление воды в родниках. Вода из Сарезского озера по скрытым путям фильтрации проходит через отложения Усойского завала и выходит в родниках, образовавших в нижнем бьефе завальной плотины каньон длиной 2 км и глубиной 30-35 м ( рис. 6-3 и рис. 6-4). В родниках были проведены режимные измерения температуры и минерализации воды ( рис. 6-5).
По результатам этих измерений выделено три группы родников. Первая из них, расположенная в головной части каньона, связана с поверхностной зоной инфлюации, т. к. температура воды в этих родниках колеблется в зависимости от времени года. Вторая группа родников связана с глубинной зоной втекания воды. Температура воды в родниках этой группы постоянна и практически не зависит от времени года, а минерализация воды выше, чем в первой группе. Наличие глубинной зоны фильтрации подтверждает динамика изменения гидрологических параметров бассейна Сарезского озера. Так влияние глубинной зоны сглаживает колебания температуры воды по г. п. Барчадив. В летний период она ниже, чем на поверхности Сарезского озера, а зимой выше. Третья группа родников расположена в самой нижней части каньона. Она связана с зоной втока, занимающей промежуточное положение по вертикали между поверхностной и глубинной ( прим. № 3).
В Сарезском озере с помощью описанной выше аппаратуры были выполнены высокоточные измерения температуры и минерализации воды ( рис. 6-6, рис. 6-7). Они показали, что в западной части Сарезского озера эти параметры изменяются с глубиной. Но при одинаковой глубине они в пределах погрешности измерений остаются постоянными, т. е. практически не изменяются в плане. В зависимости от времени г. температура воды в поверхностном слое изменяется от 0 до 15 градусов. Диапазон сезонных изменений температуры с глубиной значительно сужается. На глубине 70 метров температура воды практически не зависит от времени года и равна 5.1 градуса. В интервале глубин 70-250 метров и более, она плавно повышается и достигает значения 7.15 градуса, которое остается постоянным до дна озера. По расчетам это значение с большой точностью совпадает со средней многолетней температурой воды, втекающей в озеро в расчете на единицу объема. Минерализация воды на глубинах от 0 до 50 м практически постоянна и была равна в период измерений 280 мг/л. Ниже этого горизонта она постепенно повышается и достигает на глубине 250 и более метров – 1130-1150 мг/л. Максимальная минерализация воды в родниках в нижнем бьефе – 360 мг/л.
Исходя из этого факта, можно утверждать, что нижняя граница зоны втекания воды на верхнем бьефе завальной плотины находиться на глубине 80 – 90 м. Ниже этого уровня в Сарезском озере находится застойная зона.
В озере Шадау в пяти точках были выполнены только измерения с резистивиметром. При этом минерализация воды в поверхностном горизонте была равна 220 мг/л. На глубине 28 отмечался скачок значений минерализации до 400 мг/л на расстоянии 1 м, а затем отмечалось увеличение этого параметра до 600 мг/л до дна озера. Ниже Сарезского озера на боковом притоке реки Мургаб речке Вовзит построен гидропост, на котором ежедневно проводятся измерения расхода воды. Исходя из площади бассейнов рек Вовзит и Шадаудара и среднего многолетнего расхода воды по г. п. Вовзит, был определен средний многолетний расход речки Шадаудара, который оказался равным 0,4 м³/сек. В зимний период 1975 и 1976 гг. на озерах Сарезском и Шадау гидрологической партией ГМС РТ со льда были проведены промеры глубин. По результатам промеров были получены карты изоглубин обоих озер и были построены графики зависимости площади и объема озер в зависимости от отметки уровня воды. На основании этих графиков удалось определить, что объем воды в озере Шадау в 1915 г. во время работ экспедиции И. А. Преображенского был равен 0,056 км³. А в 1925 г. (когда уровень озера Шадау был определен топографом Колесниковым) объем озера Шадау был равен 0,18 км³. Простейшие вычисления подтверждают, что вода из озера Шадау не вытекала, а весь расход шел на наполнение озера. Водообмен между озерами Сарезским и Шадау начался позже и в 1976 г. перемычка между озерами была проницаема до глубины 28 м от поверхности озер. Гидравлической связи озера Шадау с каньоном никогда не было. Это подтверждают опыты В. А. Афанасьева [4], о которых упоминалось выше, и тот факт, что родников со значением минерализации равной 220 мг/л в каньоне не обнаружено. Озеро Шадау имеет все признаки застойных озер: вода зеленоватого цвета, рыба заражена солитером. Средний многолетний расход воды, фильтрующийся через Усойский Завал, равен 45,8 м³/сек. Из озера Шадау поступает 0,4 м³/сек, что составляет менее одного процента. Поэтому влияние озера Шадау при гидрологических расчетах можно не учитывать.
Геофизические исследования 1989-1990 гг.
В соответствии с проектом Памирская партия Южной геофизической экспедиции п. о. Таджикгеология по заказу института Союзгипроводхоз в октябре 1989 г. приступила к проведению геофизических исследований в районе Сарезского озера. Исследования планировалось провести для решения следующих задач.
- Изучение строения и сложения верхней зоны гребня и откосов в правом примыкании Усойского перекрытия.
- Прослеживание путей фильтрации воды через завальную плотину в плане.
- Определение положения зон втока воды на верхнем бьефе Усойского завала.
- Ежеквартальные режимные измерения минерализации и температуры воды в обоих озерах и в родниках.
Поставленные задачи планировалось решить с помощью сложного комплекса геофизических методов, включавшего разнообразные сейсмические и электроразведочные исследования, измерение температуры и минерализации воды в озере.
В 1989 г. на Сарезское озеро вертолетом было завезено оборудование, аппаратура, снаряжение, катера и снегоход для передвижения по озеру. В ноябре были начаты сейсмические работы и выполнен первый цикл режимных измерений температуры и минерализации воды в озерах. В марте-апреле 1990 г. со льда озера были проведены измерения температуры и минерализации воды в озерах. Был также осуществлен водный вариант электроразведки методом естественного электрического поля. Однако широко развернутую программу геофизических исследований пришлось срочно остановить в связи с прекращением финансирования работ заказчиком. Аппаратуру и снаряжение пришлось вывозить на базу экспедиции. Оборудование, транспорт, перевалочные лагеря были законсервированы.
Температура воды в Сарезском озере измерялась с помощью электротермометра непосредственно в зоне предполагемой фильтрации воды на верхнем бьефе завальной плотины. Расстояние между профилями измерений было равно 50 м. Расстояние между точками измерений по профилю 5-50 м. В интервале глубин 0-100 м измерения проводились с шагом 1 м. Ниже 100 м (до дна) с шагом 10 м. Привести все данные по результатам измерений температуры(31 тысяча замеров) в краткой главе невозможно. Поэтому приведены только два плана и два разреза.
На рис. 6-8
изображен план изоглубин поверхности с температурой воды +2°С. Если в южной части участка эта поверхность находиться на глубинах 1-2 метра, то в северной в районе профилей О, Н, М, Л, она погружается до глубин 10-15 м. Можно предположить, что на этом участке находится депрессионная воронка зоны втока. Второй план ( рис. 6-9) аномальных значений температуры воды на глубине 5 м получен после специальной математической обработки полученных материалов. На этом плане значениями аномальной составляющей 20-30% фиксируется также области предполагаемой депрессионной поверхности (прим. № 5). Следует отметить, что в 1926 г. экспедицией О. К. Ланге визуально на поверхности приблизительно в этом районе озера была обнаружена депрессионная воронка, как над затопленным водосливом. Уровень озера тогда был на 50 м ниже уровня 1990 г. Разрезы изо-температур и аномальных значений температуры воды ( рис. 6-10 и рис. 6-11) также фиксируют положение депрессионной воронки. Эта воронка находится на пересечении зоны обратного движения блоков и оси одной из межблоковых ложбин ( рис. 6-12).
Топографическую съемку завала, выполненную И. А. Преображенским (когда уровень Сарезского озера был ниже современного на 140 м), геодезист А. Г .Прокофьев трансформировал в современный масштаб и современную систему высот. На затопленную часть была составлена карта из современной карты масштаба 1:5000 1967 г. и результатов промера глубин 1982 г.. Затем по определенной сети из отметок1967-1982 гг. были вычтены отметки 1915 г..
В северной части верхнего бьефа плотины, особенно у русла Усойдара, отметки увеличились. В средней и южной частях сопоставляемого участка отметки уменьшились, по-видимому, за счет смещения обломков вниз по склону. И только в районе выявленной депрессии они увеличились, предположительно за счет смещения небольшого оползня. Поэтому этот участок представляет особый интерес. Если этот оползень сместить в озеро и расчистить зону втока, то расход воды, пропускаемой этой зоной, увеличится до уровня 1926 г..
Режимные измерения температуры и минерализации воды в 1989(декабрь) – 1990(апрель) гг. проводились в 10 точках Сарезского озера и в пяти точках озера Шадау. В Сарезском озере температура воды в поверхностном слое изменяется от 0.5°С до 4,8°С. На глубине 70 м графики температуры практически совпадают. С увеличением глубины температура увеличивается, но между осенним и весенним графиками (они параллельны) наблюдается постоянное расхождение 0,1-0,2°С. Минерализация воды в верхнем слое равна 350 мг/л, что превышает значение минерализации в 1976 г. на 70 мг/л. Ниже 70 м она начинает увеличиваться и на глубине 150 м достигает 1 г/л. Таким образом, застойная зона в Сарезском озере отмечается на той же глубине, что и в 1976 г..
В озере Шадау температура воды в поверхностном слое также изменяется от 1до 4,5°с. На глубине 32 метра отмечается резкий скачок температуры на обоих графиках до 6°С. Ниже температура очень незначительно увеличивается до 6,3°С. Минерализация воды в верхнем слое озера Шадау равна 250 мг/л, что также превышает данные 1976 г.. На глубине 32 метра отмечается скачек до 350 мг/л, после которого минерализация плавно увеличивается до 550 мг/л.
Повышение минерализации воды в верхних, фильтрующих основную часть воды слоях трудно объяснить. К сожалению, из-за сокращения работ нельзя было проконтролировать материалы электроразведки химическими анализами воды. Хотя погрешность за счет нестабильной работы аппаратуры маловероятна. Поэтому очень интересно провести ежеквартальные режимные измерения минерализации и температуры воды в озерах и в родниках каньона на протяжении двух-трех лет, как это и предусматривалось проектом Союзгипроводхоза.
Понижение уровня озера путем усиления фильтрации
Как уже отмечалось, в конце 1938 г. начались постоянные гидрологические наблюдения на ГМС Ирхт. В одноименном заливе озера был организован гидропост (ГП), где ежедневно проводились измерения уровня озера по системе водомерных реек. В 17 км ниже Сарезского озера на реке Мургаб одновременно с ГМС Ирхт был построен ГП Барчадив, где ежедневно измерялся расход воды [13]. Эти наблюдения позволили получить за период с 1939 по 1988 гг. графики среднемесячных значений уровня Сарезского озера и среднемесячных расходов воды, фильтрующейся через Усойский завал (рис. 6-13).
Для исключения влияния сезонных колебаний и выяснения прогноза изменения отметок зеркала озера и расхода воды были вычислены средние значения этих параметров за период 15 лет. Полученный график средних (за 15 лет) значений уровня озера с очень высокой точностью аппроксимируется наклонной прямой линией. За период с 1946 по 1980 гг. осредненный уровень озера ежедневно повышался на 0.20 м. За период с 1976 по 2006 г. осредненный уровень повысился на 6 м. При этом максимальные значения уровня в паводок превышают значение осредненного уровня на 7-8 м, а в межень ниже его на 4-5 м. Аналогичный график осредненных значений расхода воды по ГП Барчадив аппроксимируется горизонтальной прямой. Это свидетельствует о том, что, несмотря на постоянный подъем уровня озера, расход воды, пропускаемый завальной плотиной, не имеет тенденций к изменению. За весь период наблюдений он равен – 45.85 м³/сек., т. е. практически осредненное значение не изменяется. По имеющимся историческим сведениям можно заключить, что стабилизация расхода воды началась в 1926 г., когда уровень озера был на 60 м ниже современного.
В 1977 г. впервые автором была обнаружена очень странная зависимость между уровнем воды в Сарезском озере и расходом воды по ГП Барчадив (рис. 6-14). В начале паводка с повышением уровня озера закономерно возрастает расход воды. При достижении максимального уровня озера он начинает уменьшаться. На одних и тех же отметках уровня озера фиксируются различные расходы воды при нарастании паводка и при последующем понижении уровня. Разница в расходах при высоких, но одинаковых отметках уровня воды, достигает 20 м³/сек. Подобная петлеобразная зависимость отмечается ежегодно. Изменяется лишь амплитуда колебаний уровня и разница в расходах воды при одинаковом уровне.
На рис. 6-15 приведены значения расхода воды при одинаковой отметке уровня озера, равной 1500 см по водомерной рейке Ирхт. Для этой отметки уровня озеро описанная зависимость повторяется многократно. За период с 1950 по 1988 г. величина расхода воды (фильтрующийся через Усойский завал при отметке уровня 1500 см) ежегодно уменьшается на 0.33 м³/сек. Были высказаны три гипотезы, объясняющие причины разных расходов воды при одинаковом уровне озера. Первая (Л. П. Папырин, ЮГФЭ) – наличие сезонной кольматации верхнего бьефа. Вторая (Д. М. Селяметов, Союзгипроводхоз) – в связи с изменением температуры воды изменяется ее вязкость и согласно закону Дарси изменяется скорость фильтрации в поверхностном слое на верхнем бьефе завальной плотины. Для проверки этой гипотезы был сделан расчетный график расхода воды при постоянной температуре воды, равной 20°С. Величина расхода воды, естественно, увеличилась. Разница в расходах воды при понижении и повышении уровня озера при уровне озера 1500 см повторялась с той же закономерностью. Амплитуда этих колебаний несколько уменьшилась, т.е. незначительное влияние температуры воды на величину расхода есть, но разность расходов при одинаковом уровне озера осталась. Третья (В. С. Гончаров, ВСЕГИНГЕО) – вода в поверхностной зоне при максимальном уровне озера начинает замерзать и поэтому фильтрация воды уменьшается. В весеннее время она оттаивает и за счет морозобойных трещин фильтрационные свойства не только восстанавливаются, но и увеличиваются. Однако сопоставление сроков установления отрицательных температур и начало уменьшения расхода воды при том же уровне озера не совпадают. Расход воды начинает уменьшаться при положительных температурах воздуха (прим. № 6.)
Анализ гидрологических данных показывает, что на верхнем бьефе завальной плотины идет непрерывный процесс кольматации ( прим. № 7) и по этой причине уровень озера непрерывно повышается. Следует отметить, что глубинная зона втока в период паводка пропускает 50% процентов расхода воды (35 м³/сек), а в межень от 70 до 90% (прим. № 8). Зимой, при визуальном осмотре каньона, установлено, что родники глубинной зоны имеют такой же расход воды, как и летом, а в первой группе родников, связанной с поверхностной зоной втока воды почти нет. В 1926 году [31, 32] глубинная зона находилась на глубине до 10-ти метров. В 1946 году [2] на глубине 50-60, а в 1990 году [47] 60-70 м. Но высотные отметки этой зоны оставались постоянными. Этот факт говорит о том, что кольматируется, в основном, приповерхностная зона. При этом приповерхностная зона постоянно смещается вверх [42, 52, 66]. Это четко видно по графику среднемесячных уровней озера (рис. № 6-13) ( прим. № 9).Это смещение началось с 30-х годов прошлого века. За прошедшее время она сместилась вверх, приблизительно на 40-45 м. Причем весь этот участок верхнего бьефа был закольматирован. Помимо этого постоянного процесса, есть сезонная кольматация, которая вызывает изменение расхода воды при одном и том же уровне озера при нарастании паводка и при понижении уровня. Сезонная кольматация также способствует повышению уровня озера.
Как уже отмечалось, определенная с помощью индикаторов скорость движения воды в теле завала составляет первые метры в секунду. При этом авторы считали [4,15,16,17,18] что вода движется от точки запуска индикатора к каньону по наикратчайшему расстоянию, т. е. по прямой. Результаты гравиметровой съемки (рис. 6-3) опровергают это предположение – пути фильтрации воды представляют собой дугу, которая длинней прямой на 30-40%. Соответственно и скорость движения воды на 30-40% больше расчетной. Т.е. вода не фильтруется, а движется по полым трещинам и полостям. На подходе к участку поверхностной фильтрации скорость воды в озере составляет сотые доли м/сек., т. е. в сто с лишним раз меньше, чем в теле завала. Поэтому толщина этого слоя на верхнем бьефе завальной плотины не может превышать первые метры. Именно этот слой и кольматируется за счет абразии берега Усойского завала, сползания по крутому откосу обломков горных пород, селевых отложений и небольших оползней. Глубинная зона инфлюации воды в настоящее время находится в озере на расстоянии 200-250 м от берега. Поэтому она меньше подвержена процессу кольматации.
В 1977 г. в отчете о геофизических исследованиях Усойского завала был предложен простой и дешевый способ понижения уровня воды в Сарезском озере, который заключается в следующем. Многолетний среднегг.ой расход воды, который фильтруется через Усойский завал, – 45.85 м³/сек. Максимальный расход в период паводка – 80 – 90 м³/сек. Если усилить гидравлическую связь верхнего бьефа с путями фильтрации так, чтобы последние постоянно пропускали максимальный расход, то уровень воды в Сарезском озере понизиться естественным путем на 50 метров. (прим. № 10, 11).
Было предложено несколько вариантов реализации этой идеи. Для выбора наиболее оптимального варианта необходимо провести дополнительные исследования. Здесь мы рассмотрим только два варианта, защищенных патентами.
Первый. В теле завальной плотины имеются поперечные трещины, разделяющие завальные отложения на блоки. По части подобных трещин вода движется через завальную плотину. Но есть и не задействованные трещины. Некоторые из этих трещин образовались еще до схода оползня, другие в процессе его прямого и обратного смещения. На верховом откосе завальной плотины выходы трещин полностью или частично закрыты обвальными и селевыми отложениями. Последние препятствуют попаданию воды в трещины. Для понижения уровня воды в озере предполагается провести детальное картирование этих трещин с помощью геофизических исследований и расчистку выходов трещин на верховом откосе горными и взрывными работами. Такая расчистка приведет к увеличению расхода воды, пропускаемой завальной плотиной. Увеличение пропускаемого расхода вызовет понижение уровня озера [60, 71].
Второй. С помощью электрического воздействия уменьшить кольматацию отложений на верховом откосе завальной плотины. Способ основан на использовании явления электроосмоса. Аналогичные способы сейчас применяются для усиления притока нефти и воды к скважинам. Электрическое воздействие приведет к увеличению расхода воды, пропускаемого завальной плотиной и вызовет понижение уровня озера [60]. (Прим.12).
Заключение
1. За период с 1946 по 1980 годы осредненный уровень озера ежедневно повышался на 0.20 м. За период с 1976 по 2006 год он повысился на 6 м.
2. Аналогичный график осредненных значений расхода воды по ГП Барчадив аппроксимируется горизонтальной прямой. Это свидетельствует о том, что, несмотря на постоянный подъем уровня озера, расход воды, пропускаемый завальной плотиной, не имеет тенденций к изменению. За весь период наблюдений он равен – 45.85 м³/сек., т. е. практически осредненное значение не изменяется. По имеющимся историческим сведениям можно заключить, что стабилизация расхода воды началась в 1926 г., когда уровень озера был на 56 м ниже современного.
3. За период с 1950 по 1988 год величина расхода воды (фильтрующийся через Усойский завал при отметке уровня 1500 см) ежегодно уменьшается на 0.33 м³/сек.
4. Скорости движения воды через Усойский завал, определенные индикаторными методами, колеблются в пределах 1.5-5 м/сек. В тоже время скорости воды в озере в районе поверхностной зоны инфлюации составляют сотые доли м/сек.
5. Перечисленные факты свидетельствуют о том, что на верхнем бьефе завала идет постоянный и сезонный процессы кольматации.
6. Глубинная зона инфлюации пропускает в паводок 50% расхода воды, фильтрующейся через Усойский завал, а в межень 70-90%. Вертикальное положение этой зоны за период с 1926 г. не изменилось.
7. Поверхностная зона инфлюации пропускает в паводок 50% расхода воды, а в межень 10-30%. В этой зоне наблюдается процесс постоянной и сезонной кольматации. Пропускная способность этой зоны постоянно снижается, что вызывает подъем уровня озера и постоянное смещение приповерхностной зоны инфлюации вверх.
8. Многолетний среднегодовой расход воды, который фильтруется через Усойский завал, – 45.85 м³/с. Максимальный расход в период паводка – 80 – 90 м³/с. Если усилить гидравлическую связь верхнего бьефа с путями фильтрации так, чтобы последние постоянно пропускали максимальный расход, то уровень воды в Сарезском озере понизиться естественным путем на 55 м. Было предложено несколько вариантов реализации этой идеи. Для выбора наиболее оптимального варианта необходимо провести дополнительные исследования. Здесь описаны только два варианта, защищенных патентами.
9. По результатам геофизических исследований 1989-1990 гг. на верхнем бьефе Сарезского озера в северной его части по изменению температуры обнаружена депрессионная воронка приблизительно в том месте, где в 1926 г. экспедиция О. К. Ланге наблюдала «депрессионную поверхность, как над затопленным водосливом».
10. Перемычка между озерами Сарезским и Шадау была в 1990 г. проницаема до глубины 32 м от уровня озер. Гидравлическая связь озера Шадау с родниками в каньоне отсутствует.
11. Повышение минерализации воды в зимний период в озерах Сарезском и Шадау (1989-1990 гг. по отношению к 1976 г.) необходимо проверить режимными измерениями минерализации и температуры воды в озерах и родниках.
12. Стоимость традиционных мероприятий по приведению Сарезского озера полностью в безопасное состояние равна 2-3 миллиарда долларов США. На реализацию этих мероприятий нужно затратить 15-20 лет. При современном экономическом положении Таджикистана приступить к изысканиям, разработке и реализации этих мероприятий в обозримом будущем не сможет. Понижение уровня Сарезского озера на 50 м путем усиления фильтрации воды через завальную плотину значительно уменьшит риск возникновения катастрофического паводка. Затраты на реализацию этого способа составят 30-35 миллионов долларов США, а времени потребуется 5-6 лет. Американские геологи Роберт Шустер и Дональд Альфорд, ссылаясь на автора данной работы, считают, что усиление фильтрации – самый простой и самый дешевый способ обеспечения безопасности Сарезского озера [86] .