Подземные воды межгорных артезианских бассейнов

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

Приходные статьи баланса формируют:  
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%)