Обоснование балансово-гидрогеодинамической модели межгорного артезианского бассейна Хэйхэ (КНР)

УДК 556.334.001.57

Вэй Лэй1

ОБОСНОВАНИЕ БАЛАНСОВО-ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕЖГОРНОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА ХЭЙХЭ

Работа посвящена обоснованию балансово-гидрогеодинамической модели межгорного артезианского бассейна Хэйхэ для оценки естественных ресурсов подземных вод в этом регионе КНР. При построении модели проанализированы условия формирования баланса потока подземных вод в пределах бассейна Хэйхэ и обоснованы основные позиции геофильтрационной схематизации гидрогеологических условий. Особое внимание уделено постановке задачи калибровки модели и характеристике используемой при этом контрольной информации.

Ключевые слова: балансово-гидрогеодинамические модели, обоснование модели, калибровка модели, естественные ресурсы подземных вод, межгорный артезианский бассейн Хэйхэ.

The article has been devoted to the balance-hydrogeodynamic model justification in the Intermountain Artesian Basin Heihe to assess the natural resources of groundwater in this region of China. When constructing the model has been analyzed the conditions of forming groundwater flow balance within the basin Heihe and held key positions rationale geofiltration schematization of hydrogeological conditions. Particular attention is paid to the formulation of the problem, including the calibration model and the characteristics of used in this control information.

Key words: balance-hydrogeodynamic model, justification of the model, model calibration, natural resources of groundwater, the Intermountain Artesian Basin Heihe.

Введение. В настоящее время балансово-гидро-геодинамические модели широко применяются при изучении условий формирования баланса и оценке естественных ресурсов подземных вод. Использование балансово-гидродинамической модели помимо увеличения общей достоверности оценок позволяет рассчитывать среднемноголетние характеристики ресурсов подземных вод различной обеспеченности [Всеволожский, Гриневский, 2006]. В статье рассмотрено обоснование балансово- гидрогео-динамической модели на территории межгорного артезианского бассейна Хэйхэ для выяснения закономерностей формирования и оценки ресурсов подземных вод.

Изучаемая территория представляет собой межгорный артезианский бассейн среднего течения р. Хэйхэ. Она расположена в северно-западной части Китая и занимает площадь около 8200 км2. На этой территории сильно развито сельское хозяйство, она является одним из главных хлебных краев провинции Ганьсу. Использование поверхностных вод для водоснабжения и орошения привело к засолению орошаемых полей, увеличению испарения грунтовых вод и ухудшению общей экологической обстановки в смежном бассейне нижнего течения р. Хэйхэ. Поэтому изучение условий формирования подземных вод и оценка их ресурсов имеют для района принципиальное значение.

В геоморфологическом отношении бассейн — межгорная аккумулятивная равнина, представленная слившимися конусами выноса крупной реки Хэйхэ

и других малых горных рек. В горной области вокруг бассейна распространены коренные породы с возрастом от протерозойского до неогенового, соответственно горное обрамление служит естественной границей бассейна. В центральной части бассейна распространена мощная толща рыхлых четвертичных отложений, к которой приурочен водоносный комплекс, тесно связанный с поверхностными водами. По мере удаления от гор в центральную зону бассейна водоносные отложения сменяются более дисперсными осадочными породами, что приводит к резкому ухудшению фильтрационных свойств отложений. К этой зоне приурочены многочисленные выходы родников, полосой протягивающихся в направлении центральной равнины и дающих начало ручьям, воды которых используют для ирригации. В северной части территории на поверхность выходят коренные скальные породы, представленные плагиоклазовыми гранитами варисского возраста, они образуют естественную границу межгорного бассейна. Таким образом, рассматриваемая территория характеризуется относительной балансовой замкнутостью, в ее пределах происходят и формирование, и основная разгрузка потока подземных вод четвертичных отложений.

Формирование потока подземных вод бассейна отражено на принципиальной схеме (рис. 1), которая типична для аналогичных территорий межгорных впадин и конусов выноса [Гриневский и др., 2009]. Согласно существующим представлениям, общее балансовое уравнение потока подземных вод для

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, аспи-

рант, e-mail: weilei@mail.ru

Рис. 1. Схема формирования баланса потока подземных вод межгорного артезианского бассейна Хэйхэ: 1 — супеси, 2 — суглинки, 3 — гравийные отложения, 4 — валунные брекчии, 5 — разломы; характеристики потока подземных вод: 6 — питание, 7 — разгрузка,

8 — родники, 9 — направление потока, 10 — уровень грунтовых вод

рассматриваемом территории выглядит следующим образом:

(бпр + бинф + брек + бор) -(брод + брус + бис + бэкс) бизм.

Приходные статьи баланса формируют: бир — внешний приток подземных вод из горной области; бинф — суммарное инфильтрационное питание, формирующееся за счет атмосферных осадков; брек — фильтрационные потери из рек; бор — фильтрационные потери из площадной сети оросительных каналов и оросительных вод.

Разгрузка подземных вод (расходные статьи баланса потока) включает брод — родниковый сток; брус — русловую разгрузку в р. Хэйхэ; бис — эвапо-транспирацию с уровня грунтовых вод; бэкс — эксплуатацию подземных вод. Разность приходных и расходных статей баланса формирует изменение запасов водоносного комплекса бизм, которое на среднемноголетнем уровне равно нулю.

При обосновании модели баланса потока бассейна Хэйхэ использованы количественные оценки его элементов, рассмотренные в работах [Zhang Hesheng, 1990; Вэй Лэй, 2010].

При геофильтрационной схематизации гидрогеологических условий территории проведено обоснование следующих позиций.

Режим потока во 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. Естественные ресурсы подземных вод бассейна Хэйхэ в основном приурочены к водоносному комплексу четвертичных отложений, представленных толщей флювиогляци-альных, аллювиально-пролювиальных, аллювиальных и эоловых отложений, общая мощность которых в центральной части бассейна достигает 1000 м и более. Водовмещающие породы представлены песчано-гравийными образованиями с маломощными невыдержанными прослоями и линзами суглинков. Охарактеризовать внутреннюю гидрогеодинамику водоносного комплекса можно на основе уровней по скважинам, фильтры которых расположены на разной глубине (таблица).

Приведенные данные свидетельствуют, что в предгорной части разница напоров подземных вод четвертичных отложений на разной глубине изменяется в пределах 0,07—0,54 м. По сравнению с общей мощностью водоносного горизонта разница напоров несущественна. В связи с этим можно считать, что в этой зоне практически отсутствуют выдержанные разделяющие отложения (водоупоры), и на большей части бассейна (площадь этой зоны составляет более 60% от общей) подземные воды являются безнапорными и образуют единый водоносный комплекс.

От предгорной части в сторону центра бассейна закономерно изменяются мощность и фильтрационные свойства водовмещающих отложений. Во внутренней части бассейна на глубине около 70 м распространена относительно маломощная (2—10 м) невыдержанная пачка суглинков и супесей средне-

Распределение напоров подземных вод по кустам близко расположенных скважин

Место расположения скважин Номер скважины Глубина положения фильтров, м Напор, м

Предгорная часть 2-3 12,88 1481,47

2-2 95,43 1481,73

2-1 180,00 1481,72

3-3 11,02 1433,25

3-2 86,45 1432,71

3-1 146,96 1432,74

4-2 22,40 1507,00

4-1 96,80 1506,51

31-2 16,53 1393,63

31-1 41,85 1393,70

42-2 5,88 1381,91

42-1 34,53 1382,34

43-2 27,89 1370,92

43-1 47,89 1371,00

Центральная часть 1-3 8,00 1467,69

1-1 143,00 1474,06

5-3 16,62 1387,77

5-1 146,60 1389,42

33-3 12,40 1371,98

33-1 166,90 1373,89

6-3 4,92 1441,41

6-1 147,63 1444,70

плейстоценового возраста, разделяющая водоносный комплекс на два слоя: верхний — с безнапорными грунтовыми водами и нижний — со слабонапорными, так как на этом участке наблюдается относительно большая разность напоров (1,67—6,37 м) (таблица). Однако и в этом случае в связи с невыдержанной по площади и в разрезе мощностью слабопроницаемой толщи можно предполагать наличие относительно хорошей связи между выше- и нижележащими водоносными слоями. В соответствии с этим здесь рассматриваются плановая структура потока в водоносных пластах и условия одномерного (вертикального) перетекания в разделяющем пласте.

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 эвапотранспира-цией в зависимости от глубины залегания уровня грунтовых вод; в) в орошаемой зоне — дополнительное питание за счет оросительных вод и фильтрации из сети оросительных каналов.

Нижняя граница модели соответствует подошве четвертичной водоносной системы и рассматривается как непроницаемая [Zhang Hesheng, 1990].

На юго-западе, юге и юго-востоке, северо-востоке и севере граница модели проходит по горному

обрамлению Циляньшань и Луншоушань—Хэлишань соответственно. На основании представлений о существовании между горной областью и бассейном определенного «барьера», связанного с наличием многочисленных зон тектонических нарушений, было принято, что величина подземного притока из горной области несущественна [Zhang Hesheng, 1990]. Кроме того, количественная оценка подземного притока в бассейн на основе использования балансового метода [Вэй Лэй, 2010] показала, что в пределах точности балансовых расчетов подземный приток из складчатой области практически отсутствует. В связи с этим внешние границы бассейна 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, Лиаюньхэ и остальные малые горные реки. Взаимодействие подземных и поверхностных вод в межгорном бассейне различное. В предгорной части бассейна все реки «подвешенные» по отношению к потоку подземных вод, о чем свидетельствует глубина залегания уровней — свыше 100 м и даже до 200 м. Такая картина с уменьшением глубины залегания уровней наблюдается примерно до краевых частей конусов выноса и равниной части бассейна (г. Чжане). В таких гидродинамических условиях 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. Суммарная величина расходов малых рек составляет 5,97-108 м3/год [Вэй Лэй, 2010]. В области разгрузки потока (севернее г. Чжане) р. Хэйхэ становится контуром дренирования — условия 3-го рода.

Многочисленные родники представляют собой участки сосредоточенной разгрузки потока в области его выклинивания. Они распространены в основном на краевых частях конусов выноса, где более резко изменяются геофильтрационные свойства водоносного горизонта. По данным наблюдений, среднемно-голетний дебит родников составляет 6,29'108 м3/год [Zhang Hesheng, 1990]. Родники (родниковые зоны) 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, его соответствие фактическим данным служит дополнительной контрольной информацией при калибровке модели.

Рис. 2. Геофильтрационная схема гидрогеодинамической модели межгорного артезианского бассейна Хэйхэ: 1—2 — непроницаемые границы (условия 2-го рода) (1 — по линии тока, 2 — по горному обрамлению); 3 — реки (условия 3-го рода); 4 — родники (условия 3-го рода); 5 — водозаборные скважины (условия 2-го рода); 6 — гидроизогипсы грунтовых вод, м; 7 — проводимость четвертичных

отложений, м2/сут

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

Гидродинамические параметры модели. Геофильтрационные параметры модели — проводимость (коэффициент фильтрации) и мощность водоносных и разделяющих толщ. Геофильтрационные характеристики разреза межгорного артезианского бассейна Хэйхэ получены на основе обобщения материалов разведочных работ прошлых лет.

Проводимость водоносного комплекса изменяется от 4000 м2/сут в предгорной области до 1000 м2/сут на центральной равнине (рис. 2) [Zhang Hesheng, 1990].

Мощность четвертичного водоносного комплекса увеличивается от южного и северного горного обрамления к центральной части бассейна от 60 до 1200 м. В центральной части распространены слабонапорные воды, мощность разделяющего слоя составляет в среднем 5—7 м на глубине около 70 м.

Верификация балансово-гидродинамической модели проводится на среднемноголетний уровень водности по данным наблюдений за период 1978—2002 гг. При этом корректируются значения следующих геофильтрационных параметров: 1) проводимость четвертичного водоносного комплекса в предгорной и центральной частях; 2) коэффициент фильтрации разделяющего слоя; 3) фильтрационное сопротивление на участках рек Хэйхэ и Лиюаньхэ, в родниковых зонах.

Остальные параметры модели оставляются неизменными.

Однозначность верификации балансово-гидроди-намической модели обеспечивается главным образом на основе сопоставления фактических и модельных данных по:

— положению уровней грунтовых и слабонапорных вод;

— расходам фильтрационных потерь на участках рек Хэйхэ и Лиаюньхэ;

— расходам разгрузки подземных вод на участках р. Хэйхэ;

— расходам суммарной родниковой разгрузки по зонам.

Заключение. В ходе верификации модели одновременно с корректировкой вышеупомянутых гидродинамических параметров оценивалась суммарная величина питания (естественных ресурсов) подземных вод. При этом использованы независимые оценки элементов баланса подземных вод, полученные другими методами: расход фильтрационных потерь из рек (0рек), питание из площадной сети оросительных каналов (0ор); суммарные расходы родниковой (0род) и русловой разгрузки (0рус), а также годовые суммы эксплуатации подземных вод водозаборами (0экс). Цель балансово-гидродинамического моделирования при этом — количественная характеристика других компонентов баланса подземных вод, определение которых прямыми методами крайне затруднительно, т.е. инфильтрационного питания (0инф) и разгрузки эвапотранспирацией (0ис).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Всеволожский В.А., Гриневский С.О. Оценка естественных ресурсов подземных вод с использованием балансово-гидродинамических моделей // Водные ресурсы. 2006. Т. 33, № 4. С. 410-416.

Вэй Лэй. Формирование питания подземных вод межгорного артезианского бассейна Хэйхэ // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2010.

Гриневский С.О., Преображенская А.Е., Юрченко С.А. Оценка баланса подземных вод Самур-Гюльгерычайской

аллювиально-пролювиальной равнины (Южный Дагестан) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2009. № 4. С. 44-54.

Zhang Hesheng. Исследование ресурсов подземных вод межгорного артезианского бассейна Хэйхэ. Чжане: Бюро геологии и полезных ископаемых провинции Ганьсу КНР, 1990. (на кит. языке).

Поступила в редакцию 09.02.2010