Подземные воды межгорных артезианских бассейнов

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 (рис.5): 
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 τ составляет 183 лет.