Подземные воды межгорных артезианских бассейнов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Астраханский государственный университет

Факультет геолого-географический

Кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых

Подземные воды межгорных артезианских бассейнов

Выполнил:

студент гр.ДГГ32

Шакиров А.Ш.

Проверила: доцент

Ущивцева Л.Ф.

Астрахань 2014



Оглавление

Введение

Глава 1. Физико-географический очерк межгорной впадины Хэйхэ

1.1 Орография и геоморфология

1.2 Климат

1.3 Гидрография

Глава 2. Геологическое строение межгорной впадины Хэйхэ

2.1 Тектоника

2.2 Геология дочетвертичных образований

2.3 Четвертичные отложения

Глава 3. Гидрогеологические условия межгорного артезианского бассейна Хэйхэ

3.1 Строение гидрогеологического разреза бассейна

3.2 Формирование подземных вод

3.3 Формирование химического состава подземных вод

Глава 4. Обоснование балансово-гидрогеодинамической модели межгорного артезианского бассейна Хэйхэ

4.1 Структура баланса потока подземных вод

4.2 Количественная оценка элементов баланса подземных вод

4.3 Гидродинамические параметры модели

4.4 Верификация балансово-гидродинамической модели

Глава 5. Оценка ресурсов подземных вод межгорного артезианского бассейна Хэйхэ

5.1 Естественные ресурсы подземных вод

5.2 Естественные запасы подземных вод

5.3 Эксплуатационные запасы подземных вод

Заключение

Список литературы



Введение

В настоящее время изучение закономерностей формирования и региональная оценка ресурсов подземных вод в масштабах 1: 100 ООО - 1: 200 ООО является одним из основных видов исследований, выполняемых при оценке прогнозных эксплуатационных запасов подземных вод. Такие исследования широко проводятся как на территории России, так и на территории КНР. В тоже время, ряд вопросов оценки ресурсов подземных вод и закономерностей их формирования в межгорных артезианских бассейнах разработан относительно слабо.

Применительно к межгорному артезианскому бассейну Хэйхэ это касается исследования общих закономерностей строения гидрогеологического разреза и распределения фильтрационных параметров рыхлых отложений основного водоносного комплекса. В предыдущих работах недостаточно полно охарактеризованы основные составляющие баланса питания и разгрузки подземных вод четвертичного водоносного комплекса: величины поглощения стока малых рек в предгорной зоне системы Циляныпань, наличие или отсутствие подземного притока из горного обрамления бассейна, распределение по площади величин питания грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных осадков (конденсации), а также фильтрации из распределительных каналов и на массивах орошения, распределение величин разгрузки грунтовых вод испарением и транспирацией.

Решение этих вопросов для территории межгорного артезианского бассейна среднего течения реки Хэйхэ имеет принципиальное значение для исследования основных закономерностей формирования и разработки принципов оценки ресурсов подземных вод аналогичных районов Китая с целью их рационального использования и охраны.

Межгорная впадина Хэйхэ, имеющая площадь порядка 8 400 км2, является важным промышленно-сельскохозяйственным районом Северо-западного Китая. В связи с особенностями климатических условий территории, являющейся районом с аридным климатом, развитие народного хозяйства на территории впадины в решающей степени определяется наличием и возможностью использования водных ресурсов.

Общая величина потребления водных ресурсов по состоянию на 2004 год составляет 652,1 -10 м /сут [71]. Промышленное, сельскохозяйственное и коммунальное водоснабжение на территории осуществляется за счет использования поверхностных вод двух транзитных рек: Хэйхэ и ее притока Лиюаньхэ и подземных вод. По состоянию на 2004 год в общем балансе водопотребления использование подземных вод составляет 123,3-104м3/сут (19 % от общей потребности в воде).

Систематические гидрогеологические исследования на территории впадины Хэйхэ, были начаты с 60-х годов прошлого века. В результате этих исследований было выяснено, что 1) артезианский бассейн Хэйхэ ограничен непроницаемыми горными обрамлениями во всех сторонах, кроме северо-западной границы; 2) основным водоносным горизонтом является комплекс четвертичных отложений мощностью от 100 до 800 м; 3) охарактеризованы общие закономерности изменения геофильтрационных свойств водовмещающих пород, условий формирования подземных вод и их химического состава; 4) предварительно количественно оценены главные источники питания подземных вод, представленные поглощением речных вод и из оросительных сетей каналов, инфильтрации атмосферных осадков (и конденсацией); 5) основные виды разгрузки: родниковый, русловой, эвапотранспирация и эксплуатация; и оценены естественные и эксплуатационные ресурсы подземных вод по данным, имеющимся на тот период.

Тем не менее, в связи с размерами артезианского бассейна Хэйхэ и сложностью его геологического строения до настоящего времени гидрогеологические условия бассейна и закономерности формирования ресурсов подземных вод изучены относительно слабо и в большинстве случаев рассматриваются весьма схематически. Среди элементов баланса потока подземных вод, инфильтрационное питание за счет атмосферных осадков и конденсации , поглощение из площадных сетей оросительных каналов и орошаемых полей (Qop), эвапотранспирационная разгрузка {Que) и фильтрационные потери из р. Лиюаньхэ были оценены условно и ориентировочно.

В соответствии с этим целью настоящей работы являлось изучение закономерностей формирования структуры и баланса потока подземных вод на территории межгорной впадины Хэйхэ в северо-западной части КНР и прогнозная оценка ресурсов подземных вод для промышленно-сельскохозяйственного водоснабжения. Для достижения поставленной цели в рамках настоящих исследований решались следующие задачи:

1. Изучение физико-географических и геолого-структурных условий межгорной впадины Хэйхэ и определение их роли в формировании подземных вод бассейна.

2. Исследование закономерностей строения гидрогеологического разреза и распределения геофильтрационных параметров основного водоносного комплекса рыхлых четвертичных отложений.

3. Исследование положения и типа внешних и внутренних границ бассейна и оценка гидродинамических условий на них.

4. Проведение оценки всех составляющих баланса подземных вод на основании имеющихся фактических материалов.

5. Оценка основных элементов водного баланса потока подземных вод и уточнение геофильтрационных параметров четвертичного водоносного комплекса на основе использования методов математического моделирования.

6. Оценка естественных ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ и разработка рекомендаций для их рационального изучения и использования.



Глава 1. Физико-географический очерк межгорной впадины Хэйхэ

1.1 Орография и геоморфология

хэйхэ межгорный геофильтрационный гидрогеологический

Исследуемая территория, представляющая собой предгорный шлейф северного склона системы Циляньшань, расположена в северно-западной части Китая. Это типичная межгорная впадина, ограниченная на юге и юго-западе горами Циляньшань с абсолютными отметками рельефа до 2500-4500 м, на севере и северо-востоке - горной системой Луншоушань-Хэлишань с отметками поверхности до 1400-2500 м. В целом абсолютные отметки поверхности межгорной впадины Хэйхэ изменяются пределах 1300-2200 м, с общим понижением с юга, юго-востока на север, северо-запад (рис. 1).

Рис. 1. Съемка межгорной впадины Хэйхэ со спутника. Сиреневым пунктиром показана примерная граница межгорной впадины (артезианского бассейна Хэйхэ).



1.2 Климат

Климат на территории межгорной впадины - засушливый континентальный, с четким разделением на четыре сезона года. Среднегодовая температура воздуха по многолетним данным составляет 8,1oС, среднемесячная температура летом до 23,8oС, зимой -9,7oС. Количество атмосферных осадков изменяется относительно мало, уменьшаясь с юго-востока на северо-запад от 130 до 100 мм/год при средней величине 115 мм/год. В этом же направлении повышается величина испаряемости от 1500 до 2000 мм/год.

1.3 Гидрография

В южной высокогорной зоне Циляньшань формируется множество малых и больших рек, из которых наиболее крупой является Хэйхэ и ее приток Лиюаньхэ.

Река Хэйхэ является второй крупнейшей в Китае внутриконтинентальной рекой. Она берет свое начало в южной высокогорной зоне системы Циляньшань, где формируется основной объем речного стока, протекает через всю впадину с юго-запада на север, в пункте Чжэнися выходит из межгорной впадины в равнину Эцзина и теряет поверхностный сток на территории автономного района Внутренней Монголии. Средний многолетний расход реки в пункте Инлуося (на выходе из горной системы) составляет 4,25.106 м3/сут.

Расход ее притока р. Лиюаньхэ в пункте Лиюаньбао (на выходе из горной системы) - 0,71.106 м3/сут. Остальные (малые) горные реки при выходе из горной системы на предгорную равнину (на границе межгорной впадины) полностью теряют свой сток в связи с поглощением в рыхлые отложения конусов выноса.

В центральной части впадины наблюдаются многочисленные выходы подземных вод на поверхность в виде родников (родниковых зон), расположенных в основном в промежуточной области между периферической зоной конусов выноса и равнинной частью впадины. Суммарный дебит родников составляет 1,71.106 м3/сут.



Глава 2. Геологические условия межгорной впадины Хэйхэ

2.1 Тектоника

Горная система Циляньшань в Центральной Азии на территории Китая состоит из ряда высоких параллельных хребтов и разделяющих их межгорных впадин. Эти хребты простираются в основном с запада, северо-запада на восток, юго-восток. Протяженность горной системы около 800 км при ширине от 200 км до 400 км. С севера и северо-востока Циляньшань ограничена пустыней Алашань, по границе которой проходит так называемый Ганьсуйский коридор (или коридор Хэси), а на юго-западе и западе - бессточной Цайдамской впадиной, которая на значительном протяжении является соляной пустыней.

Межгорная впадина Хэйхэ является частью Ганьсуйского коридора (Хэси), и относится к части обширной Гобийской депрессии, относительное опускание которой с начала плейстоцена составило около тысячи метров. Об этом свидетельствует мощность отложений плейстоцена, которая в центральной части впадины составляет более 600-800 м. Горные обрамления контактируют с впадиной в основном в виде сложных систем многочисленных надвигов.

2.2 Геология дочетвертичных образований

В пределах горного обрамления впадины Хэйхэ распространены горные породы широкого геохронологического диапазона - от докембрия до современных четвертичных отложений различного генезиса. Следует отметить, что палеозойские и мезозойские образования распространены на поверхности и изучены только в пределах складчатого обрамления межгорной впадины Хэйхэ.

Представлены эти отложения вулканогенными и вулканогенно-осадочными (граниты, базальты, андезиты, туфы и др.) и метаморфическими (гнейсы, кварциты, сланцы, филлиты и др.) образованиями, осадочными в разной степени метаморфизованными породами (песчаники, мраморизованные известняки, гравеллиты, углистые сланцы, алевролиты и др.). На ограниченных участках (миоцен, плиоцен) они представлены слабо метаморфизованными и рыхлыми отложениями (песчанистые глины, песчаники, пески, гравийно-галечниковые образования и др.).

В пределах собственно межгорной впадины Хэйхэ эти породы образуют складчатый фундамент и практически не изучены.

2.3 Четвертичные отложения

В пределах рассматриваемой территории четвертичные отложения развиты повсеместно, но их распространение, генезис, литологический состав и мощности существенно различны в пределах горного обрамления и на территории собственно межгорной впадины Хэйхэ.На склонах южного горного обрамления четвертичные отложения представлены песками и супесями, являющимися аллювиальными отложениями горных рек голоценового возраста, делювиальными и эоловыми отложениями (лёсс, супеси) верхнего плейстоцена.

Мощность изменяется в пределах 30-50 м. На склонах северного горного обрамления, в связи с отсутствием постоянных поверхностных водотоков, четвертичные отложения преимущественно представлены лессами эоловых отложений голоцена и верхнего плейстоцена. Только в оврагах, где формируются временные водотоки в дождливый период, распространены аллювиально-пролювиальные отложения, представленные супесями и песками.

Мощность этих отложений составляет менее 30 м. На территории межгорной впадины Хэйхэ комплекс отложений четвертичного возраста образует верхний структурный этаж, мощность которого в южной части впадины достигает 600-800 м, сокращаясь в северной части до 100-200 м и менее, и полностью выклиниваясь в северном <замыкании> впадины.

Формирование четвертичных отложений вызвано интенсивными горообразовательными процессами, в результате которых шло накопление продуктов разрушения воздымающихся горных хребтов. Стратиграфическое подразделение четвертичных отложений основано на региональных ритмах седиментации, связанных с изменением климатических, гидрологических и оротектонических условий.

Фациальная закономерность распределения осадков подчиняется следующей общей зональности: от предгорных областей конусов выноса до центральных равнин бассейна происходит изменение гранулометрического состава отложений от гравийно-песчаных образований, до разнозернистых песчаных и до мелкозернистых песчаных с невыдержанными прослоями суглинисто-глинистых пород.

Под влиянием тектонических и геоморфологических условий фациальные характеристики и литологический состав четвертичных отложений разнообразны, даже в одной фациальной зоне. В связи с различием в сортированости литологический состав может сильно отличаться на коротких расстояниях.

В конусах выноса малых горных рек Тунцзыбахэ, Суюхэ и др. литологический состав осадочных пород очень разнообразен, содержание глинистых отложений относительно больше; а в конусах выноса крупных рек Хэйхэ и Лиюаньхэ, сортированность осадков лучше и содержание глинистых отложений значительно меньше.

Изученность четвертичных отложений в межгорной впадине Хэйхэ является относительно слабой, в связи с этим расчленение разреза четвертичных отложений выполнено, главным образом, на основании геолого-геоморфологического анализа (Cao, 1996).

Выделены четыре стратиграфических комплекса (нижний, средний, верхний плейстоцен и голоцен), поддающихся расчленению в полосе предгорий, где хорошо фиксируются условия, соответствующие четырем циклам осадконакопления. Расчленение четвертичных отложений в буровых скважинах весьма затруднено, так как ритмы осадконакопления вследствие сходства литологического состава осадков четко не проявляются; кроме того, при значительной мощности отложений информации по глубоким частям разреза относительно мало.



Глава 3. Гидрогеологические условия межгорного артезианского бассейна Хэйхэ

3.1 Строение гидрогеологического разреза бассейна

В гидрогеологическом отношении впадина Хэйхэ является крупным межгорным артезианским бассейном того же названия. Общая площадь межгорного бассейна составляет 8400 км2. Верхний гидрогеологический этаж межгорного бассейна представлен рыхлыми отложениями четвертичного возраста. Второй гидрогеологический этаж бассейна (складчатый фундамент) сложен интенсивно метаморфизованными осадочными, метаморфическими и вулканогенными породами в возрастном диапазоне от нижнего палеозоя до неогена. Общие закономерности распределения фильтрационных свойств отложений четвертичного водоносного комплекса определяются изменением состава пород. По имеющимся ограниченным данным значения коэффициента фильтрации закономерно изменяются от 15-20 м/сут в предгорной области системы Циляньшань, до 5-7 в центральной части впадины и относительно увеличиваются к предгорной области системы Луншоушань-Хэлишань до 7-10 м/сут (рис. 2).

Рис. 2. График изменения коэффициента фильтрации рыхлых четвертичных отложений впадины Хэйхэ по линии AB (см. рис. 6): 59 - номер скважины. 

С отложениями четвертичного возраста впадины Хэйхэ связан единый комплекс грунтовых вод (грунтовых и слабонапорных вод в центральной части впадины). Глубина залегания уровня грунтовых вод изменяется от 100-200 м в предгорной области системы Циляньшань, до 50 м и менее в предгорной зоне системы Луншоушань-Хэлишань и до 5 м и менее в центральной части впадины и на крайнем севере территории Чжэнися. В связи с этим в предгорной южной и юго-западной области впадины водоносной является только нижняя часть комплекса четвертичных отложений, мощность которой составляет 250-400 м.

С учетом реальной мощности водоносной части разреза и распределения значений проницаемости проводимость отложений четвертичного водоносного комплекса бассейна изменяется от менее 1000 до 6000 м2/сут и более. По результатам оценки максимальная (в среднем 3000-4000 м2/сут) проводимость водоносного комплекса характерна для южной области бассейна Хэйхэ - в отложениях конусов выноса горных рек системы Циляньшань, особенно в долинах рек Хэйхэ и Лиюаньхэ, где проводимость составляет более 6000 м2/сут. С удалением от предгорной зоны к центральной части бассейна на север, проводимость водоносного комплекса постепенно уменьшается в среднем до 2000 м2/сут. В северной части бассейна в зоне горного обрамления системы Луншоушань-Хэлишань проводимость отложений уменьшается до 1000 м2/сут, а в самой крайней северной части территории, где р. Хэйхэ выходит за пределы бассейна и мощность четвертичных отложений является минимальной (20-50 м), проводимость комплекса составляет менее 500 м2/сут.

В различных типах метаморфических и осадочных интенсивно литифицированых и дислоцированных пород склонов горного обрамления и второго гидрогеологического этажа бассейна распространены различные по условиям залегания типы трещинных и, относительно меньше, трещинно-карстовых подземных вод. В пределах собственно межгорного бассейна трещинные подземные воды палеозойских и мезозойских пород (второй гидрогеологический этаж) практически не изучены.

3.2 Формирование подземных вод

Межгорный бассейн Хэйхэ ограничен горными обрамлениями Циляньшань и Луншоушань-Хэлишань во всех сторонах, кроме северо-запада. На основании представлений о существовании между горной областью и бассейном определенного <барьера>, связанного с наличием многочисленных зон тектонических нарушений, предполагалось, что величина подземного притока из горной области несущественной (Ding, 1990). По результатам количественной оценки подземного стока в бассейнах малых рек на основе использования балансового метода, показано, что в пределах точности балансовых расчетов подземный приток из складчатой области практически отсутствует.

В пределах территории межгорного бассейна Хэйхэ питание грунтовых вод комплекса рыхлых четвертичных отложений формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков (включая конденсацию), поглощения речного стока, фильтрации воды из системы оросительных каналов и непосредственно на площадях орошения.

Южная предгорная область системы Циляньшань (конусы выноса) является основной областью питания подземных вод бассейна Хэйхэ. Важнейшей составляющей питания здесь является поглощение стока малых рек. Все малые горные реки (кроме основных рек Хэйхэ и Лиюаньхэ) при выходе на предгорные конусы выноса полностью теряют свой сток, просачиваясь в высокопроницаемые рыхлые отложения их верхних частей. В связи с глубоким (100-200 м и более) залеганием уровня подземных вод реки на площади конусов выноса являются <подвешенными> по отношению к потоку подземных вод и поглощение происходит путем свободной фильтрации. По результатам выполненных оценок суммарные потери из малых рек, а также рек Хэйхэ и Лиюаньхэ составляют соответственно 33%, 17% и 8% от общей величины питания подземных вод.

Величина инфильтрационного питания (включая конденсацию) по данным лизиметрических оценок составляет 13% от общего объема питания подземных вод бассейна .В предгорной области в связи со сложностью эксплуатации подземных вод при глубинах залегания до 50-200 м и более, для орошения широко используются поверхностные воды. По результатам выполненных оценок потери из ирригационных сооружений и на полях орошения составляют до 29 % от общего объема питания подземных вод бассейна.

Основными областями разгрузки подземных вод является центральная равнинная часть бассейна, включая периферийные зоны конусов выноса. Разгрузка подземных вод осуществляется фильтрацией в русло р. Хэйхэ (и частично в ее основной приток р. Лиюаньхэ), формированием родниковой разгрузки на пониженных участках центральной части бассейна, эвапотранспирацией и эксплуатацией подземных вод.

Родники в основном распространены в периферийных (конечных) частях конусов выноса в связи с понижением рельефа и существенным изменением (ухудшением) фильтрационных свойств водовмещающих пород, главным образом, в четырех родниковых зонах. Суммарная родниковая разгрузка составляет 36% от общей величины разгрузки подземных вод.

В крайней северной равнинной части бассейна, где р. Хэйхэ выходит с площади бассейна ее русло полностью прорезает рыхлые отложения четвертичного комплекса и непосредственно на поверхности залегают коренные скальные породы, представленные плагиоклазовыми гранитами каменноугольного возраста. В пределах этой зоны, являющейся естественной границей межгорного бассейна поток подземных вод четвертичного комплекса полностью дренируется речной долиной. Линейные модули русловой разгрузки изменяются в пределах 20-500 л/(с.км) (рис. 3). Максимальные значения линейного модуля, характерные для района Гаоя-Пинчуань, определяются наличием структурного поднятия пород складчатого фундамента, в связи с чем на этом участке мощность отложений четвертичного комплекса уменьшается с 250 до 100 м.

Рис. 3. Изменение линейного модуля разгрузки подземных вод в русло р. Хэйхэ на участке от пункта Гаоя до северной границы бассейна.

Суммарный расход разгрузки в транзитные реки Хэйхэ и Лиюаньхэ, формирующейся в районе Гаоя-Чжэнися с глубинами залегания уровня грунтовых вод до 1-5 м, составляет 40% от общей величины разгрузки подземных вод.

Эвапотранспирационная разгрузка грунтовых вод в области дренирования бассейна происходит в зонах, где глубина залегания уровня подземных вод менее 3-5 м - в основном в центральной и северной области бассейна. По результатам оценки суммарная эвапотранспирация составляет 18% от общей величины разгрузки.

Суммарный расход эксплуатации подземных вод четвертичных отложений незначителен по сравнению с остальными видами разгрузки подземных вод и составляет по имеющимся данным около 6% от общей величины питания.

3.3 Формирование химического состава подземных вод

Химический состав и минерализация подземных вод четвертичного водоносного комплекса бассейна определяются главным образом структурой водного баланса, связанного с положением основных областей и видов их питания и разгрузки.

В целом по территории величина минерализации подземных вод комплекса изменяется от менее 1,0 до 4,0-5,0 г/л с соответствующим изменением химического состава от НСО3-Са(Mg) до SO4-HCO3-Ca(Mg, Na) и Cl-SO4-Na(Ca, Mg). При мощном поглощении речных пресных вод с минерализацией 0,2-0,6 г/л в южной предгорной области бассейна минерализация подземных вод составляет менее 1,0 г/л, в основном 0,3-0,80 г/л, при НСО3-Са(Mg) составе. В центральной и северной области бассейна, при глубине залегания грунтовых вод менее 5 м, происходит процесс континентального засоления, связанный с интенсивной разгрузкой грунтовых вод испарением. Минерализация грунтовых вод в пределах этой зоны изменяется от 0,8 до 2,5 г/л. Только в районе Яньчи, на участках с распространением солончаков и засоленных почв, минерализация грунтовых вод изменяется 2,5 - 4,0-5,0 г/л, а химический состав грунтовых вод представляет собой преимущественно Cl-Na и SO4-Cl-Na.

В центральной части бассейна на участках интенсивной разгрузки подземных вод испарением относительно минерализованные воды (2,5-4,0 г/л) распространены только в верхней части разреза. На глубинах 20-150 м величина минерализации подземных вод составляет 0,3-0,4 г/л.



Глава 4. Обоснование балансово-гидродинамической модели межгорного артезианского бассейна Хэйхэ

4.1 Структура баланса потока подземных вод

Формирование потока подземных вод бассейна отражено на принципиальной схеме (рис. 4), которая является типичной для аналогических территорий межгорных впадин и конусов выноса (Li, 2000). Согласно существующим представлениям, общее балансовое уравнение потока подземных вод для рассматриваемой территории выглядит следующим образом:

(Qпр + Qинф + Qрек) - (Qрод + Qрус + Qис + Qэкс) = Qизм

Qпр - возможный внешний приток подземных вод из горной области, принимается нулевое значение (см. гл.3);

Qинф - суммарное инфильтрационное питание, формирующееся за счет атмосферных осадков, конденсационных вод и фильтрации оросительных вод из системы магистральных и распределительных каналов и на площадях орошения;

Qрек - фильтрации из реки Хэйхэ, Лиюаньхэ и остальных малых рек;

Разгрузка подземных вод (расходные статьи баланса потока) включает:

Qрод - родниковый сток;

Qрус - русловую разгрузку в р. Хэйхэ;

Qис - эвапотранспирацию с уровня грунтовых вод;

Qэкс - эксплуатацию подземных вод.

Разность приходных и расходных статей баланса формирует изменение запасов водоносного комплекса Qизм, которое на среднемноголетнем уровне равно нулю.



Рис. 4. Схема формирования баланса потока подземных вод бассейна Хэйхэ: 1 - уровень грунтовых вод; 2 - направление потока; 3 - родники; 4 - питание; 5 - разгрузка; 6 - супеси; 7 - суглинки; 8 - гравийные отложения; 9 - валунные брекчии; 10 - разломы.

По общему балансовому методу выполнены оценки вышеупомянутых составляющих баланса подземных вод (табл. 1).

4.2 Количественная оценка элементов баланса подземных вод

Таблица 1. Оценка элементов баланса подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ (по результатам общего балансового метода)

Статья баланса	Составляющая баланса, 104 м3/сут
Приходные	Инфильтрация атм. Осадков	Фильтрация поверхностных вод
	60,3 (13%)	распределительные каналы и поля орошения	р. Хэйхэ	р. Лиюаньхэ	малые реки	итого
		139,7 (29%)	82,7 (17%)	37,8 (8%)	156,7 (33%)	477,3 (100%)
Расходные	Эвапотранспирация	Родниковая разгрузка	Разгрузка в реки	Эксплуатация	итого
	82,7 (18%)	171,2 (36%)	187,7 (40%)	29,6 (6%)	471,2 (100%)

При геофильтрационной схематизации гидрогеологических условий территории проведено обоснование следующих позиций.

Режим потока по времени. В данных условиях рационально провести моделирование стационарного (на многолетнем уровне) состояния потока, поскольку именно среднемноголетняя стационарность гидрогеодинамических условий является необходимым условием объективной оценки естественных ресурсов с точки зрения допустимого экологического воздействия на подземные воды района.

Пространственная структура потока. Ресурсы (запасы) подземных вод бассейна Хэйхэ в основном приурочены к водоносному комплексу четвертичных отложений, представленных толщей флювиогляциальных, аллювиально-пролювиальных, аллювиальных и эоловых отложений, общая мощность которых в центральной части бассейна достигает 500-700 м и более.

По имеющим данным, в предгорной области системы Циляньшань разница напоров подземных вод четвертичных отложений на разных глубинах изменяется в пределах 0,07-0,54 м. По сравнению с общей мощностью водоносного горизонта разница напоров является несущественной. В связи с этим можно считать, что в пределах этой зоны практически отсутствуют выдержанные разделяющие слои (водоупоры), и на больше части бассейна подземные воды являются безнапорными и образуют единый водоносный комплекс. От предгорной области в сторону центра бассейна проявляется закономерное изменение мощности и фильтрационных свойств водовмещающих отложений. Во внутренней области бассейна на глубине порядка 50-100 м распространена относительно маломощная (2-10 м), невыдержанная пачка суглинков и супесей среднеплейстоценового возраста, разделяющая водоносный комплекс на два слоя: верхний с безнапорными грунтовыми водами и нижний - со слабонапорными, так как на этом участке по отдельным скважинам наблюдается разность напоров - до 1,67-6,37 м. Однако и в этом случае в связи с невыдержанностью по площади и в разрезе мощности слабопроницаемой толщи, можно предполагать наличие относительно хорошей связи между выше- и нижележащими водоносными слоями. Однако в соответствии со строением разреза на этом участке рассматриваются плановая структура потока в водоносных пластах и условия одномерного (вертикального) перетекания - в разделяющем слое.

Гидрогеологический разрез схематизирован 3-мя расчетными слоями:

1 слой - водоносный подкомплекс <верхнечетвертичных> песчано-галечниковых отложений;

2 слой - разделяющая толща глинисто-суглинистых отложений;

3 слой - <нижнечетвертичный> водоносный подкомплекс.

Следует отметить, что разделение данного подкомплекса имеет практическое значение только в зонах, где существуют слабонапорные подземные воды. В других областях - единый четвертичный водоносный комплекс. Таким образом, фиктивная подошва <верхнечетвертичного> подкомплекса в этих областях проведена по простиранию горизонтальным разделяющего слоя суглинистых отложений до горных обрамлений.

Рис. 5. Схематический гидрогеологический профиль межгорного артезианского бассейна Хэйхэ, при реализации в балансово-гидрогеологической модели: 1 - уровень грунтовых вод; 2 - фактический 2-й слой; 3 - фиктивный 2-й слой; 4 - родники; 5 - супеси; 6 - суглинки; 7 - гравийные отложения; 8 - валунные брекчии; 9 - разломы.



Граничные условия. Внешними граничными условиями рассматриваемой водоносной системы в разрезе является верхняя граница - свободная поверхность грунтовых вод, на которой задаются: а) в области формирования потока - инфильтрационное питание, которое формируется за счет атмосферных осадков и конденсационных вод; б) в зоне частичного выклинивания потока - разгрузка эвапотранспирацией в зависимости от глубины залегания уровня грунтовых вод (условия 3-го рода); в) в орошаемой зоне - дополнительное питание за счет оросительных вод и фильтрации из сети оросительных каналов. При этом при задании величин разгрузки эвапотранспирацией помимо фактических данных учитывались границы участков с различной минерализацией грунтовых вод, поскольку величины минерализации и химический состав грунтовых вод являются показателями интенсивности такой разгрузки.

Нижняя граница модели принята по подошве четвертичной водоносной системы (поверхность коренных пород) и рассматривается как непроницаемая.

По результатам выполненных оценок подземный приток из горноскладчатой области практически отсутствует, поэтому внешние границы бассейна по горным обрамлениям реализуются на модели как непроницаемые (условия 2-го рода). Северно-западная граница модели проведена по линии тока подземных вод и также рассматривается как непроницаемая.

Внутренними граничными условиями модели являются следующие объекты: реки Хэйхэ, Лиюаньхэ и малые горные реки, у которых взаимодействие подземных и поверхностных вод в межгорном бассейне различное на разных участках территории. В предгорной области бассейна все реки представляют собой контуры естественного питания, гидравлически не связанного с уровнями подземных вод (гидродинамическое условие 2-го рода). При интенсивном поглощении речных вод в рыхлых отложениях конусов выноса малые горные реки полностью теряют свой сток и пересыхают. В периферийных зонах конусов выноса при глубинах залегания 5-10 м происходит подпертая фильтрация из р. Хэйхэ (и р. Лиюаньхэ) в водоносный комплекс при наличии гидравлической связи с реками (условия 3-го рода). В области разгрузки потока (севернее г. Чжане) в русло р. Хэйхэ (и ее приток Лиюаньхэ) становится контуром дренирования - условия 3-го рода.

Многочисленные родники представляют собой участки сосредоточенной разгрузки потока в области его частичного выклинивания. Они реализуются на модели в качестве граничных условий 3-го рода, путем задания абсолютной отметки в точке выхода родника и его обобщенного фильтрационного сопротивления, величина которого подбирается на этапе калибровки модели, т.е. расход родника на модели зависит от положения уровня подземных вод, и его соответствие фактическим данным служит дополнительной контрольной информацией при калибровке модели.

Водозаборные системы являются граничными условиями 2-го рода - с заданием на них дебита водоотбора.

4.3 Гидродинамические параметры модели

Геофильтрационными параметрами модели являются коэффициент фильтрации и мощности для <верхнечетвертичного> водоносного подкомплекса и разделяющего слоя; для <нижнечетвертичного> водоносного подкомплекса - проводимость. Мощность <верхнечетвертичного> подкомплекса уменьшается от порядка 300-400 м и более в южной предгорной области до 100-200 м в центральной части бассейна и до менее 50 м у северной предгорной области. Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 3-5 м и менее до 200 м и более.

Характеристики о коэффициентах фильтрации пород комплекса получены по результатам обработки кустовых откачек. Величины коэффициентов фильтрации уменьшаются: а) от долины реки Хэйхэ вкрест по двум направлениям с 15-20 до 10-15 м/сут; б) от южной предгорной области к центру бассейна и к северному горному обрамлению с 10-20 до 5-10 м/сут.

Для разделяющего слоя в зонах наличия слабонапорных вод, мощность изменяется в пределах 2-10 м, и коэффициент фильтрации в связи с отсутствием данных принят условно 0,001 м/сут с учетов глинисто-суглинистого состава отложений.

По данным опробования разведочных скважин, максимальная мощность <нижнечетвертичного> водоносного подкомплекса установлена в южно-центральной части бассейна - в долине р. Хэйхэ и составляет более 600 м, с общим уменьшением к востоку и северу до 50-100 м. Изменение суммарной проводимости данного подкомплекса практически имеет такую же характеристику, уменьшаясь от 4000-6000 в галечниковых отложениях (в южной предгорной части бассейна, особенно в долины р. Хэйхэ) до 2000-1000 м2/сут и меньше в северной предгорной части и на участках, где река Хэйхэ выходит из бассейна.

4.4 Верификация балансово-гидродинамической модели

Верификация балансово-гидродинамической модели.проводится на среднемноголетний уровень водности по данным наблюдений за период 1978-2002 гг. (Institute of Hydrogeology and Engineering geology). При этом корректируются значения следующих геофильтрационных параметров:

1. коэффициенты фильтрации и проводимость для <верхне-> и <нижнечетвертичного> подкомплексов соответственно;

2. коэффициент фильтрации <разделяющего> слоя;

3. фильтрационные сопротивления на участках рек Хэйхэ и Лиюаньхэ (подпертая фильтрация из рек и разгрузки грунтовых вод в русло) и родниковых зон.

Остальные параметры модели оставались неизменными.

Однозначность верификации балансово-гидродинамической модели обеспечивается главным образом на основе сопоставления фактических (средних за 1982-2002 гг.) и модельных данных:

1. при первоначальной калибровке по общей схеме гидроизогипс подземных вод;

2. при детальной калибровке по:

положению уровней подземных вод <верхне-> и <нижнечетвертичного> подкомплекса, измеренному в отдельных скважинах;

расходам фильтрационных потерь по участкам рек (в створах на р. Хэйхэ);

расходам разгрузки подземных вод на участках рек, где проведены обработки гидрометрических данных (от пункта Гаоя до Чжэнися);

расходам суммарной родниковой разгрузки по 4-м зонам, у которых проведены режимные наблюдения по дебиту.

При калибровке уточнялись значения статей баланса потока, оцененных по общему балансовому методу - инфильтрационное питание, фильтрационные потери из рек и сети оросительных каналов, расходы русловой, родниковой и эвапотранспирационной разгрузки (табл. 2).

Таблица 2. Сопоставление приходных и расходных статей баланса подземных вод бассейна Хэйхэ по общему балансовому методу и по результатам моделирования

Статья баланса	Расход, 104 м3/сут
	По общему балансовому методу	По результатам моделирования	Невязка, %
Приходные
Инфильтрация атм. осадков	60,3	51,3	15
Фильтрация из каналов и полей орошения	139,7	122,5	12
Фильтрация из р. Хэйхэ	82,7	78,6	5
Фильтрация из р. Лиюаньхэ	37,8	28,9	24
Фильтрация из остальных рек	156,7	165,2	5
итого	477,3	446,5	6
Расходные
Эвапотранспирация	82,7	100,4	21
Родниковая разгрузка	171,2	158,5	7
Разгрузка в реки	187,7	172,3	8
Эксплуатация	29,6	29,6	0
итого	471,2	460,8	2

Результаты моделирования показывают, что в целом суммарные модельные расходы приходных и расходных стаей баланса подземных вод незначительно отличаются от расходов, полученных при их дифференцированных оценках, - относительная разница для большинства статей не превышает 10%. Максимальное расхождение охарактеризовано при оценке инфильтрационного питания за счёт атмосферных осадков, фильтрационных потерь из распределительных каналов и полей орошения, из р. Лиюаньхэ и эвапотранспирационной разгрузки с уровня грунтовых вод, составляет более 10%.



Глава 5. Оценка ресурсов подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ

5.1 Естественные ресурсы подземных вод

По результатам балансово-гидрогеодинамического моделирования на территории межгорного артезианского бассейна значения суммарных составляющих источников питания (естественных ресурсов подземных вод бассейна) - 4,47.106 м3/сут. Соответственно средний модуль восполнения подземных вод четвертичного водоносного комплекса бассейна Хэйхэ составляет 6,2 л/(с.км2). Очевидно, что среднее значение модуля не отражает реальное распределение его величин по территории, поскольку в пределах рассматриваемого бассейна могут быть выделены несколько характерных районов с существенно различными условиями формирования баланса питания и разгрузки подземных вод (рис.6):

I. район юго-западной предгорной зоны системы Циляньшань с интенсивным (суммарно до 30 м3/с) поглощением речного стока при глубинах залегания уровня грунтовых вод до 100-200 м и более;

II. район формирования питания грунтовых вод, главным образом, за счет фильтрации из распределительных каналов и непосредственно на массивах орошения при глубинах залегания уровня до 10 м и более;

III. район формирования интенсивной разгрузки грунтовых вод испарением и транспирацией при глубинах залегания уровня до 5 м и менее;

IV. район формирования интенсивной родниковой разгрузки грунтовых вод со средним удельным расходом 40,9 л/(с.км2);

V. район (северная часть бассейна) придолинных зон транзитной реки Хэйхэ и, в меньшей степени, её притока Лиюаньхэ. Их можно разделить на две подзоны: а) подзона с поглощением речных вод в виде подпёртой фильтрации; б) подзона с формированием интенсивной разгрузкой подземных вод в русло р. Хэйхэ с удельными величинами до 500 л/(с.км)



Рис. 6. Схема районирования бассейна по условиям формирования баланса подземных вод: 1 - реки; 2 - родники; 3 - существующие водозаборы; 4 - населённые пункты; 5 - горные области; 6 - районы с различными условиями формирования питания и разгрузки подземных вод; 7 - линия разреза.

5.2 Естественные запасы подземных вод (ЕЗ)

Величина естественных запасов зависит от объема водовмещающей толщи (площадь оцениваемой области, мощность пласта) и ее емкостных параметров (водоотдача). По имеющим данным, на территории бассейна выделены 6 расчетных блоков, которые разделены на 25 разрезов (районов) для расчета естественных запасов подземных вод. Мощность водоносного горизонта (комплекса) получена по материалам геофизических разрезов, их площадь рассчитана по гидрогеологической карте масштаба 1:200000, а параметры водоотдачи (гравитационной и упругой) приняты по расчетным и экспериментальным данным. По результатам выполненных расчетов суммарные потенциальные естественные запасы подземных вод бассейна составляют 2,98.1011 м3. По полученным оценкам срок полного водообмена в межгорном артезианском бассейне Хэйхэ ф составляет 183 лет.



5.3 Эксплуатационные запасы подземных вод (ЭЗ)

Формируются за счет сработки гравитационных и упругих запасов подземных вод (естественные запасы), уменьшения (инверсии) разгрузки (естественными ресурсами) и увеличения суммарного расхода питания (привлекаемыми ресурсами). При эксплуатации в зависимости от условий месторождения часть естественных запасов преобразуется в эксплуатационные запасы. На практике обычно применяют срок эксплуатации = 25 лет и коэффициент использования = 0,1-0,3. Таким образом, эксплуатационные запасы, формирующие за счет извлечения естественных запасов подземных вод, составляют = (3,51-10,49).106 м3/сут.

При полной инверсии величина ДQР будет равна суммарной разгрузке подземных вод бассейна, т.е. суммарной составляющей источников питания QП (4,47.106 м3/сут). При количественной оценке ДQП необходимо подробно рассматривать все взаимосвязанные процессы формирования, движения и разгрузки подземных вод. А потенциальные (возможные) привлекаемые ресурсы подземных вод в межгорном бассейне Хэйхэ составляют для транзитной реки Хэйхэ (т. к. депрессионная воронка не охватывает полностью верхнюю по течению часть речного бассейна):

ДQП = P0 - Pmin

где P0 - расход реки Хэйхэ в пределах зоны разгрузки, представленный разностью начального расхода реки на выходе из горной области и количества потерь из нее, 4,25 - 0,79 = 3,46.106 м3/сут; Pmin - минимально необходимый <санитарный> расход для поддержания ландшафтных и других функций бассейна р. Хэйхэ и ее нижней по течению части речного бассейна Эцзина, который составляет 2,73.106 м3/сут. Таким образом, потенциальное увеличение питания подземных вод (привлекаемые ресурсы) составляет 0,73.106 м3/сут. В соответствии с выполненными расчетами, потенциальные (возможные) эксплуатационные запасы подземных вод бассейна Хэйхэ при неограниченном сроке водоотбора составляют (4,47+0,73).106 м = 5,20.106 м3/сут.

По вышеупомянутым пяти районам проведены расчёты эксплуатационных запасов по условиям формирований структуры эксплуатационного водоотбора (табл. 3).

Таблица 3. Характеристики районов по источникам формирования эксплуатационных запасов подземных вод бассейна Хэйхэ

NN. районов	Район (подзоны)	Структура формирования ЭЗ	Площадь района, км2	Величина ЭЗ, 106 м3/сут	Модуль ЭЗ, л/(с.км2)
I	Предгорная область системы Циляньшань	Извлечение емкостных запасов (ЕЗ)	2510	3,30	15,2
II	Орошаемые территории	Извлечение ёмкостных запасов (ЕЗ)	2720	1,79	7,6
III	Родниковые зоны	Инверсия родниковой разгрузки (ЕР)	450	1,59	40,9
IV	Северная область с интенсивной эвапотранспи-рацией	Инверсия эвапотранспирационной разгрузки (ЕР)	2040	1,00	5,8
V	а	Придолинные зоны р. Хэйхэ и Лиюаньхэ	Усиление фильтрации из рек (ПР)	50	2,45	41,7
	б		Инверсия русловой разгрузки (ЕР) и фильтрации из рек (ПР)	630
Итого			8400	10,13	Среднее 14,0

Наличие в пределах бассейна рассмотренных выше районов с существенно различными условиями формирования баланса питания и разгрузки подземных вод свидетельствует о том, что для каждого из них будут характерны различные возможности эксплуатации подземных вод (типы месторождений) и различные составляющие структуры эксплуатационного водоотбора.



Заключение

В результате выполненных исследований охарактеризованы состав и строение водоносного комплекса четвертичных отложений межгорного артезианского бассейна Хэйхэ, условия залегания и структура потока подземных вод, характер распределения проницаемости и водопроводимости отложений основного водоносного комплекса, условия формирования питания и разгрузки подземных вод с количественной оценкой основных балансовых составляющих, общие закономерности изменения химического состава и минерализации подземных вод.

Показано, что особенности гидрогеологических условий бассейна Хэйхэ и распределение балансовых характеристик питания и разгрузки подземных вод в значительной мере определяются его асимметричностью, связанной с особенностью геолого-структурного строения, определяющего изменение мощности и состава рыхлых четвертичных отложений, и различиями рельефа и климатических условий юго-западного и северо-восточного горного обрамления впадины.

По результатам гидродинамических и балансовых расчетов и данных, полученных на основе балансово-гидродинамической модели бассейна, даны принципиально новые для бассейна результаты оценки величины питания подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков и процесса конденсации, величин питания грунтовых вод за счет фильтрации из распределительных каналов и на массивах орошения и величины разгрузки грунтовых вод в результате процессов испарения и транспирации.

Оценены суммарный расход и удельные величины разгрузки грунтовых вод в русло р. Хэйхэ на участке Гаоя-Чжэнися.

На основе использования методов общего водного баланса выполнена оценка суммарного поглощения стока малых рек в предгорной зоне системы Циляньшань и доказано отсутствие (балансовая незначимость) подземного притока из горной области.

Анализ результатов оценки основных составляющих водного баланса, полученных на основе использования фактических оценок, методов гидродинамических и балансовых расчетов и балансово-гидродинамического моделирования, показывают, что максимальные различия (более 15 %) характерны для инфильтрационного питания за счёт атмосферных осадков, фильтрационных потерь из распределительных каналов и полей орошения, из р. Лиюаньхэ и суммарной величины разгрузки грунтовых вод испарением и транспирацией. Это определяет необходимость дальнейших исследований условий формирования и более детальных оценок этих составляющих водного баланса. Региональная оценка ресурсов подземных вод бассейна выполнена на основе использования материалов предыдущих гидрологических и гидрогеологических исследований и данных, полученных при разработке балансово-гидродинамической модели бассейна в соответствии с методическими положениями, существующими в российской гидрогеологической литературе (Всеволожский, 2006). Результаты исследования показывают, что межгорный артезианский бассейн Хэйхэ характеризуется наличием значительных запасов пресных подземных вод и благоприятными условиями их восполнения, определяемыми значительными величинами современного питания. Существующая эксплуатация подземных вод бассейна является незначительной (примерно 6 % от величины естественных ресурсов подземных вод), что объективно определяет возможности значительного расширения использования подземных вод для промышленно-сельскохозяйственного водоснабжения. Однако значительные различия глубин залегания грунтовых вод и балансовых величин их питания и разгрузки на разных участках территории определяют существенные различия типов месторождений подземных вод, возможностей их эксплуатации и структуры формирования эксплуатационного водоотбора.

Основные результаты и выводы диссертационной работы сформулированы в виде защищаемых положений.



Список литературы

1.Ахмедсафин У.М., Джабсов М.Х., Курмангалиев P.M. и другие. Региональные ресурсы подземных вод Казахстан (перспективы и методы рационального использования). Алма-Ата, Изд-во Наука Казахской ССР, 1983.

2. Ахмедсафин У.М., Джабсов М.Х., Шлыгина В.Ф. Ресурсы и использование подземных вод Казахстана. Алма-Ата, Изд-во Наука Казахской ССР, 1972.

3. Ахмедсафин У.М., Сыдыков Ж.С., Джабсов М.Х. и другие. Формирование и использование ресурсов подземных вод Казахстана. Известия АН КазССР. Серия геологическая, № 1, 1985.

4. Биндеман H.H., Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М.: Изд-во Наука, 1970.

5. Ван Пин. Гидрогеодинамические исследования на участках береговых водозаборов вблизи водохранилища.

6. Всеволожский В.А., Штенгелов P.C. О классификации запасов и ресурсов подземных вод.

7. Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии.

Размещено на Allbest.ru

...