Месторождения подземных вод в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин

2. Разведка, освоение и эксплуатация месторождений данного типа

  Месторождения пресных подземных вод в предгорных конусах выноса являются уникальными природными объектами. В процессе исследовательских работ на месторождениях подземных вод в предгорьях  были отмечены целый ряд интересных особенностей и природных закономерностей, свойственных данному типу месторождений. Опытные работы в нескольких десятках водозаборных скважин, вскрывающих водоносную толщу трех крупных предгорных конусов выноса, показали, что указанные особенности требуют определенного подхода к процессу разведки, освоения и эксплуатации месторождений данного типа.

     Основной проблемой при вводе в эксплуатацию водозаборных скважин стал значительный вынос взвешенных частиц. Некоторые скважины давали на самоизливе мутную или грязную воду, непригодную для использования в целях водоснабжения. Дебит «грязных» скважин составлял от 10 до 50 л/с, вынос твердого песчано-глинистого материала нередко достигал 0,4 м3/сут, в отдельные моменты, повышаясь до нескольких кубометров в сутки. При откачках при помощи насоса вынос песчаного материала мог превышать 10 м3/уст, что создавало угрозу потери устойчивости эксплуатационной колонны и обрушения скважины. Ранее на месторождении отмечались случаи потери скважин в результате просадки грунта, приводившие к образованию небольших техногенных озер с дебитом самоизлива до нескольких десятков литров в секунду.  

    Опыт четырех месяцев полевых работ по освоению и тестированию водозаборных скважин на участке месторождения позволил обозначить два взаимосвязанных негативных фактора, ограничивающих эксплуатационные возможности скважин:

1. Суффозионный  вынос взвешенных песчаных частиц.

2. Нарушение  ламинарного режима течения подземных  вод в прискважинной зоне. 

       Во избежание существенного выноса песчаных частиц было предложено проводить опытные откачки плавно, без резких пусков и остановок насоса. Практика работ показала, что соблюдение плавного режима работы позволяет благополучно осваивать водозаборные скважины и получать по ним дебиты чистой воды в 1,5  2,5 раза превышающие дебиты самоизлива. Отклонение от указанной методики работ, вызванное желанием ускоренного получения результата (проектного дебита в 70 л/с), либо вызванное неравномерной пульсирующей работой водоподъемного оборудования и частыми остановками, неизменно приводило к негативным последствиям. Вода, откачиваемая из скважины, становилась грязной и не очищалась длительное время. Имели место случаи, когда работы по некоторым скважинам пришлось приостановить из-за критического выноса песчаного материала.  

         Другим фактором, ограничивающим эксплуатационные возможности водозаборных скважин, является нарушение линейного закона фильтрации в прискважинной зоне при откачках с высокими дебитами. Данный процесс выражается в изменении линейной зависимости дебита от понижения и переходу ее к квадратичной или даже кубической. 

Для успешной эксплуатации водозаборных сооружений в пределах уникальных месторождений пресных подземных вод в предгорных конусах необходимо учитывать все природные особенности, а также принимать во внимание некоторые негативные гидродинамические эффекты, происходящие в скважинах. Ключевым фактором при разведке таких месторождений является поиск локальных участков, обладающих наиболее высокими фильтрационными свойствами, в пределах которых риск проявления природных негативных процессов является минимальным.

2.1. Роль гидрогеологической зональности месторождений

 при поисково-разведочных работах

Гидрогеологическая  зональность подземных вод на площади бассейна является главной особенностью описываемого типа месторождений, которую необходимо учитывать при постановке поисковоразведочных работ. Подземные воды месторождений конусов выноса имеют, как правило, источники питания, постоянно действующие за счет инфильтрации: а) речных вод на площади вершины конуса выноса, где распространена довольно мощная зона аэрации, залегающая на больших глубинах; б) атмосферных осадков, выпадающих непосредственно на площади конусов выноса; в) поверхностных вод ирригационных каналов.  
Предполагается, что на некоторых конусах выноса в республиках Средней Азии может быть еще один источник, питания подземных вод — региональный подземный сток по зонам крупных тектонических нарушений, направленный со стороны примыкающих горных сооружений. 
Как видно из этого описания, в мощной толще песчано-галечниковых отложений конусов выноса создаются весьма благоприятные условия для формирования крупных естественных ресурсов и запасов подземных вод. Обладая высокими коллекторскими свойствами, песчано-галечниковые образования играют роль огромной емкости, в пределах которой создается значительное природное подземное водохранилище. Месторождения подземных вод конусов выноса исключительно благоприятны для эксплуатации: в скважинах можно создавать большие понижения уровня и на отдельных участках организовывать интенсивный водоотбор системой взаимодействующих водозаборов, в том числе водозаборов ярусного типа с суммарными дебитами до 300 тыс. м3/сут и более. Наиболее характерные в гидрогеологическом отношении промышленные месторождения подземных вод конусов выноса распространены в республиках Средней Азии, где они были впервые встречены и изучены. Например, на территории Ферганской долины известна своими крупными эксплуатационными, запасами группа месторождений на площади Сохского и Исфаринского конусов выноса. На этих месторождениях эксплуатационные дебиты групповых водозаборов изменяются от 100 до 200 тыс. м3/сут, а общие прогнозные запасы составляют более 3 тыс. м3/сут. В Северной Киргизии вдоль Киргизского хребта на площади слившихся конусов выноса по фронту потока в 40—50 км были разведаны и оценены эксплуатационные запасы подземных вод (обеспеченные питанием) по сумме всех категорий около 1,2 млн. м3/сут. Часть этих запасов в настоящее время используется для водоснабжения и орошения. Крупные месторождения напорных вод конусов выноса были выявлены в Казахстане и в Южном Казахстане вдоль подножья хребтов Кунгей и Терский Алатау, а также на Северном Кавказе. 
       Исходя из рассмотренных особенностей гидрогеологических условий, при изучении месторождений подземных вод конусов выноса целесообразно сосредоточить внимание в зоне формирования напорного режима. Эксплуатационные запасы подземных вод будут формироваться за счет естественных ресурсов и упругих запасов, а также в результате инфильтрации части поверхностных вод. Эксплуатационные запасы могут быть оценены гидродинамическим методом с помощью аналитических расчетов или моделирования. Месторождения подземных вод этого подтипа распространены не в пределах предгорных шлейфов, как это имело место в описанном выше, а непосредственно внутри речной долины. На тех участках, где река, вырываясь из горных теснин, выходит в широкую часть межгорной долины, образуется внутридолинный конус выноса песчано-галечниковых образований, с которыми и связано формирование месторождения подземных вод. Общие гидрогеологические условия месторождений этого подтипа мало отличаются от условий предгорных конусов выноса: внутридолинные конусы выноса имеют меньшие площади распространения и значительно меньшую общую мощность водоносных песчано-галечниковых отложений (до 150 м), в периферийной части внутридолинного конуса выноса четко выражена зона интенсивной естественной разгрузки подземных вод, основным источником их питания являются поверхностные воды реки.

        Предгорный шлейф образован слившимися конусами выноса многочисленных горных речек и ручьев, спускающихся со склонов гор Каратау, Киргизского хребта и Чу-Илийских гор. Вблизи гор поверхность равнины осложнена многочисленными сухими руслами и глубокими (до 3  5 м) промоинами. 

Предгорные шлейфы хребтов и отрогов Тянь-Шаня и Кавказа, которым свойственны значительные уклоны дневной поверхности и дифференциация обломочного материала в направлении сноса. 

Гидрогеологические  условия тесно связаны с закономерностями строения предгорных шлейфов. В этой области предгорного шлейфа, которая может быть названа областью транзита, поток грунтовых вод транспортируется без существенных изменений, за исключением небольших дополнений за счет инфильтрации местного поверхностного стока. 

Гравелиты и  песчаники характерны для периферийных частей древних предгорных шлейфов. Часто они содержат линзы песков и супесей. Песчаники по составу кварцполевошпатовые, разнозернистые, цемент карбонатный.  Плоский напорный ноток подземных вод направлен от верхней части предгорного шлейфа к центральной части межгорной котловины. Нижняя по потоку скважины. 

  Они состоят из отдельных конусов выноса рек и ручьев, слившихся в единые предгорные шлейфы. Современнее делювиально-пролювиальные отложения в строении предгорных шлейфов играют незначительную роль. Мощность предгорных шлейфов 20  40 м, местами достигает 100 м и более. 

Месторождения рассматриваемого типа разделены на два характерных подтипа: подтип IIIA в конусах выноса предгорных шлейфов и Ш Б в конусах выноса внутригорных впадин. Для первого характерны классическая, описанная выше гидродинамическая зональность и четкая геологическая ограниченность только со стороны горного обрамления.

Аллювиальные  и аллювиальные-пролювиальные отложения широко распространены в регионе и образуют аккумулятивный чехол пойменных и надпойменных речных террас, а также предгорные шлейфы. Самые древние аллювиальные отложения раннесредне-плейстоценовые  приурочены к высоким террасам крупных рек и слагают основную часть разреза рыхлых отложений в Удском грабене. По составу это слабо сцементированные галечники и валунники с гравийно-галечным или песчано-суглинистым заполнителем от 5 до 30 %, реже пески и супеси. 

      Межконусные понижения можно рассматривать в большинстве случаев как непроницаемые границы, что позволяет осуществлять оценку запасов каждого конуса выноса в пределах предгорного шлейфа автономно. 

Другой особенностью эксплуатации является линейное расположение эксплуатационных скважин, что определено стремлением перехватить либо поток, направленный от предгорий к долине по крупным или слившимся конусам выноса и предгорным шлейфам, либо фильтрационные потери из рек, выходящих из гор на предгорную равнину. Ввиду частой засоленности и загрязненности грунтовых вод основными эксплуатируемыми горизонтами являются напорные. 

В рельефе конусы выноса представляют собой наклонные равнины, поверхность которых понижается в направлении от гор к равнине и от центральных частей конусов к периферическим, образуя так называемые межконусные понижения в предгорном шлейфе. В этих же направлениях происходит довольно быстрое и закономерное ухудшение фильтрационных свойств водовмещающих пород от тысяч до сотен м2 / сут за счет смены более грубообломочных валунно-галечных отложений песчаногравийно-галечным и песчано-суглинистыми с одновременным увеличением песчаных и глинистых фракций заполнителя. 

Гидрогеологические  условия тесно связаны с закономерностями строения предгорных шлейфов. В этой области предгорного шлейфа, которая может быть названа областью транзита, поток грунтовых вод транспортируется без существенных изменений, за исключением небольших дополнений за счет инфильтрации местного поверхностного стока. 

Наряду с  этим для области выклинивания характерна вертикальная гидрохимическая зональность  с максимумом концентрации у свободной  поверхности; в редких случаях наиболее высокая минерализация может оказаться в подстилающих напорных пластах. На глубокой периферии предгорного шлейфа, которую обычно называют областью вторичного погружения грунтовых вод, отмечаются незначительное развитие в разрезе хорошо проницаемых прослоев и соответственно незначительный расход потока, в связи с чем свободная поверхность грунтовых вод снижена внутрипочвенным испарением до глубины 10  20 м и более. Следует отметить, что во многих случаях, когда предгорный шлейф контактирует с морской равниной или крупной аллювиальной долиной, вторичное погружение грунтовых вод не наблюдается. 

Аллювиальные  и озерно-аллювиальные неогенранне-плейстоценовые отложения пользуются широким распространением, слагая поверхности водоразделов. В южной части, вблизи хр. Джагды, аллювий перекрыт отложениями предгорных шлейфов. Осадки формировались в условиях теплого и влажного климата, густой растительности на фоне продолжавшегося погружения и представлены переслаиванием песков, глин с прослоями бурых углей. В верхах разрезов отмечаются прослои и линзы галечников. Джагды в составе отложений резко возрастает содержание валунно-галечникового материала. Нижняя часть разреза представлена переслаиванием валунников, галечников, сильно каолинизированных песков; средняя  чередованием галечников и серых каолинизированных песков; верхняя  прослоями глин мощностью 0 6  1 м, песков, галечников с валунами, с прослоями темных илов и бурых углей.

Низкогорье  на скальном субстрате, местами с  островными участками среднегорного рельефа, выделяется в виде отдельных разрозненных участков среди мелкосопочных равнин. Преимущественным развитием здесь пользуются делювиальные и делювиально-пролювиальные отложения, образующие склоновые осыпи и предгорные шлейфы конусов выноса. Делювиально-пролювиальные шлейфы сложены преимущественно суглинками с тем или иным количеством включений обломочного материала в виде дресвы и щебня. Состав воднорастворимых солей в суглинках довольно разнородный. Характер солевого состава в значительной мере зависит от общего процентного содержания солей в породах. Так, при величине плотного остатка менее 0 1 % преобладает гидрокарбонатный тип засоления. При плотном остатке 0 1  2 % преобладают сульфаты, а при плотном остатке более 2 % превалируют легкорастворимые хлориды. Характерно развитие засоленных грунтов в пониженных участках рельефа. 

Конусы выноса, которые часто называют также  субаэральными или наземными  дельтами рек, формируются в результате накопления аллювиально-пролювиальных осадков, выносимых горными реками на предгорные равнины, в межгорные и внутригорные впадины. На предгорных равнинах и в крупных межгорных впадинах конусы выноса отдельных рек, сливаясь, образуют предгорные шлейфы. Внутригорные впадины, обычно относительно небольших размеров, заполняются целиком грубообломочными аллювиально-пролювиальными отложениями. 

Селевые потоки на Алтае формируются на протяжении всего теплого периода года, причем наиболее благоприятны весна и первая половина лета, когда выпадают ливневые дожди, весьма высокой интенсивности. Суточные максимумы осадков в эти периоды иногда превышают 250 мм. Мощные предгорные шлейфы и конусы выноса, сложенные отложениями селей, указывают на значительную интенсивность проявления селевых потоков, как в недалеком прошлом, так и в настоящее время. Однако селевые процессы на Алтае еще недостаточно изучены, хотя зачастую имеют решающее значение при инженерногеологической оценке некоторых территорий, осваиваемых для различных отраслей народного хозяйства. 

Они состоят  из отдельных конусов выноса рек и ручьев, слившихся в единые предгорные шлейфы. Современнее делювиально-пролювиальные отложения в строении предгорных шлейфов играют незначительную роль. Мощность предгорных шлейфов 20  40 м, местами достигает 100 м и более. 

В комплексе отложений склонового ряда позднего плейстоцена-голоцена наиболее широко развит аллюво-делювий мощностью от 0 4 до 6 м, суглинисто  или супесчано-щебнистого состава с примесью глыб. Характеризуется быстрой изменчивостью в разрезе и пространстве. Пролюво-делювий образует предгорные шлейфы шириной 0 5  4 км и представлен суглинками, песками и глинами с галькой, валунами, щебнем и древесиной. 

Комплекс аллювиально-пролювиальных отложений четвертичного возраста приурочен к долинам рек и логов и залегает на различных породах палеозоя и на размытой поверхности неогеновых глин. Нижнечетвертичные аллювиально-пролювиальные отложения представлены разногалечными конгломератами с прослоями гравелитов и грубозернистых песчаников. Цемент конгломератов карбонатный с примесью мелкозернистого песка и глинистых частиц. Тарбагатай местами развиты аллювиально-пролювиальные предгорные шлейфы, образованные галечниковыми и валунно-галечниковыми отложениями среднечетвертичного возраста. По мере удаления от областей сноса галечники переходят в супеси и суглинки с дресвой и щебнем. 

Межгорные артезианские бассейны, как правило, тесно связаны  с предгорными, являясь их продолжением. Подразделение на межгорные и  предгорные бассейны условно и эти  группы месторождений подземных  вод часто изучаются и используются одновременно. Сложены они гравийно-галечниковыми отложениями, разделенными не выдержанными в плане и разрезе суглинистыми отложениями, содержащими гравий и гальку и являющимися относительным водоупором. Поэтому все водоносные прослои, как правило, представляют собой единый водоносный комплекс. В отдельных случаях (например, Араратская долина) гравийно-галечниковые отложения подстилаются высокопроницаемыми коренными (лавовыми) отложениями, содержащими мощные водоносные горизонты, гидравлически взаимосвязанные с вышележащим гравийно-галечниковым водоносным комплексом. Благодаря значительным превышениям областей питания над областями разгрузки большинство скважин в таких бассейнах в естественных условиях дают самоизлив. Величины напоров падают от гор к долине и растут с глубиной. Питание бассейнов происходит на предгорных шлейфах за счет потерь речного стока, боковых притоков, а также за счет подтока подземных вод коренных отложений и потерь из оросительных каналов.