Гидрогеодинамическое моделирование формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод: На примере древней дельты р. Амударьи

Линзы пресных подземных вод относятся к особому типу геофильтрационного потока, который характеризуется существенным проявлением взаимодействия пресных и соленых вод [40,56]. Особый интерес к исследованию линз пресных подземных вод обусловливается тем, что они зачастую являются единственными источниками хозяйственно-питьевого водоснабжения территорий с аридным и полуаридным климатом.

Фундаментальные представления об условиях формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод содержатся в работах В. Н. Кунина, В. Д. Бабушкина, Д. М. Каца, Н. И. Плотникова, В. М. Шестакова, С. Ш. Мирзаева, Н. Н. Ходжибаева, Н. Г. Шевченко, А. А. Акрамова, и других исследователей. С 1957 г. исследования условий формирования и разработка методов эксплуатации линз пресных подземных вод проводились в институте ВСЕГИНГЕО. В настоящей диссертационной работе в качестве объекта исследований рассмотрены приречные и приканальные линзы древней дельты р. Амударьи, являющиеся во многом типичными для орошаемых территорий с аридным и полуаридным климатом и интенсивно эксплуатируемые в настоящее время.

Конец XX века ознаменовался для рассматриваемой территории рядом событий, приведших к ухудшению гидрогеоэкологической ситуации: падением уровня Аральского моря, сокращением стока р. Амударьи, увеличением минерализации поверхностных и грунтовых вод, и, как следствие, истощением эксплуатационных запасов линз пресных подземных вод. В связи с этим в 80 — 90-х годах ПО «Узбекгидрогеология» были проведены полевые эксперименты по искусственному восполнению запасов линз с использованием инфильтрационных контуров. Выполненные работы позволили получить значительный объем натурных данных, которые были проанализированы только на качественном уровне.

В 2001;2004 г. кафедрой гидрогеологии МГУ им. М. В. Ломоносова выполнялись исследования по проекту INTAS* № 00−1056 «Использование линз INTAS — Independent International Association (Независимая Международная Ассоциация, созданная Европейским Сообществом для развития кооперации ученых Западной Европы и независимых государств, возникших после распада СССР. пресных подземных вод для хозяйственно-питьевого обеспечения бассейна р. Амударьи», результаты которые легли в основу настоящей диссертационной работы.

Актуальность настоящей работы определяется необходимостью:

— разработки методики гидрогеодинамического моделирования линз пресных подземных вод;

— получения количественных характеристик условий формирования приречных и приканальных линз пресных подземных вод;

— гидрогеологического обоснования оптимальных параметров систем искусственного восполнения запасов линз.

Цель настоящей работы: разработка гидрогеодинамических моделей формирования приречных и приканальных линз пресных подземных вод, а также их эксплуатации с использованием искусственного восполнения запасов. Основными задачами работы являлись:

1) разработки методики гидрогеодинамического моделирования линз пресных подземных вод;

2) разработка гидрогеодинамических моделей приречных и приканальных линз пресных подземных вод, позволяющих получить количественные характеристики баланса геофильтрационного потока и скорости формирования линзы;

3) изучение и количественная интерпретация результатов полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов подземных вод, проведенных в 80−90-х годах;

4) обоснование оптимальных параметров систем искусственного восполнения запасов при помощи инфильтрационных контуров.

Методической основой для решения поставленных задач являлось построение и калибровка системы численных гидрогеодинамических и геомиграционных моделей приречных и приканальных линз древней дельты р. Амударьи. В качестве объектов исследований были выбраны Чалышская приречная и Турткульская приканальная линзы пресных подземных вод, которые характеризуются типичными условиями и обеспечены значительным объемом натурных данных. При моделировании геофильтрации и геомиграции использовался пакет программ PMWIN-51 (Chiang W.-H., Kinzelbzch W., 2000). Для решения геомиграционных задач, учитывающих плотностную конвекцию, использовалась программа SEA WAT (Guo W., Langevin С. D., 2002).

В процессе выполнения работы были: проведены анализ и обобщение существующей гидрогеологической информации об условиях формирования приречных и приканальных линз на территории исследованийразработаны геофильтрационная и геомиграционная модели Чалышской и Турткульской линз, отражающие современные условия их формирования и эксплуатациис использованием численного моделирования проведена количественная интерпретация данных полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов подземных вод проведенных на Чалышской и Турткульской линзахс использованием численного моделирования проведено обоснование рационального использования систем искусственного восполнения запасов пресных подземных вод при помощи инфильтрационных контуров в типичных условиях (для Чалышской и Турткульской линз).

Научно-методическая новизна работы заключается в следующем:

1) Показано, что основным источником формирования приречных и приканальных линз пресных грунтовых вод орошаемых территорий являются фильтрационные потери из поверхностных водотоков. Ирригационное питание практически полностью компенсируется эвапотранспирацией и дренажным стоком и не приводит к увеличению ресурсов линз.

2) Получены количественные оценки скорости формирования приречных линз пресных вод древней дельты р. Амударьи. Показано, что, принимая во внимание постоянно меняющиеся водохозяйственные и гидрологические условия территории, современные границы приречных линз следует считать неустановившимися.

3) Проведена модельная оценка роли плотностных эффектов, проявляющихся в геофильтрационном потоке при формировании и эксплуатации линз. Показано, что плотностные эффекты могут не учитываться при оценке ресурсов линзы и обосновании параметров системы искусственного восполнения ее запасов.

4) Показано, что в современных условиях источники формирования линз пресных вод в бассейне р. Амударьи действуют только сезонно. Таким образом, существующие приречные и приканальные линзы не могут круглогодично эксплуатироваться с сохранением необходимого качества отбираемой воды без искусственного восполнения ее запасов.

5) На основе модельных экспериментов доказано, что устойчивый круглогодичный отбор пресных подземных вод в рассматриваемых условиях может обеспечить только многоконтурная система искусственного восполнения запасов, состоящая как минимум из 4 инфильтрационных контуров и 3 водозаборных рядов.

6) Показано, что эффективность системы искусственного восполнения запасов определяется вертикальной проводимостью ложа инфильтрационного контура, мощностью и активной пористостью водовмещающих отложений, расстоянием между питающими контурами. Обоснование расстояния между питающими контурами, в условиях их сезонной работы должно производиться на основе численного моделирования.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

1. Получены уточненные оценки геофильтрационных параметров питания и строения Чалышской и Турткульской линз.

2. Проведена количественная интерпретация результатов полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов пресных подземных вод.

3. Обоснованы оптимальные параметры системы искусственного восполнения запасов пресных подземных вод применительно к условиям Чалышской линзы.

4. Разработаны модели и методические приемы, которые могут быть использованы в широком диапазоне природных условий для гидрогеологического обоснования параметров систем искусственного восполнения запасов подземных вод, функционирующих сезонно.

Апробация работы.

По результатам выполненных исследований сделаны научные доклады:

• на Международном семинаре «Проблемы Аральского региона» (Ташкент, 2002).

• на конференции «Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование» (Москва, 2003),.

• на Международном симпозиуме «Загрязнение пресных вод аридной зоны: оценка и уменьшение» (Ташкент, 2004),.

• на международном научном семинаре по гранту INTAS 00−1056 (Институт гидромеханики и управления водными ресурсами, г. Цюрих, Швейцария, 2004),.

• на научном семинаре ЗАО «Геолинк Консалтинг» (Москва, 2005),.

• на VI Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геология XXI века» (Саратов, 2005).

Публикации.

По результатам научных исследований опубликованы 7 работ, 2 работы находятся в печати.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа имеет общий объем 197 страниц, состоит из введения, 4 глав и заключения.

Список использованных источников

включает 74 наименования. Работа проиллюстрирована ИЗ рисунками, содержит 8 таблиц.

ВЫВОДЫ И ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

На основе полученных результатов могут быть сделаны следующие основные выводы.

Основным источником питания геофильтрационных потоков приречных и приканальных линз являются фильтрационные потери из поверхностных водотоков (р. Амударьи и магистральных каналов). Ирригационное питание практически полностью компенсируется эвапотранспирацией и дренажным стоком и не приводит к увеличению ресурсов линз.

Формирование линз в историческом плане можно рассматривать как процесс опреснения четвертичного водоносного комплекса вследствие фильтрационных потерь из поверхностных водотоков. Время формирования крупной приречной линзы в естественных условиях (при отсутствии ирригационного питания и дренажа) составляет около 200 лет. При наличии ирригационного питания и дренажа время формирования увеличивается до 1 тыс. и более лет. Учитывая постоянно меняющиеся водохозяйственные и гидрологические условия территории, современные границы линз следует считать неустановившимися.

Вследствие плотностных эффектов скорость формирования пресноводной линзы и ее конечные размеры обратно пропорциональны начальной минерализации грунтовых вод. Плотностная конвекция обусловливает характерное плавное изменение минерализации грунтового потока в плане и разрезе на внешней границе линзы.

Латеральный геофильтрационный поток линз формируется преимущественно в пределах опресненной зоны. В зоне перехода от пресных вод к соленым расходы латерального потока пренебрежимо малы. Принимая это во внимание, гидрогеодинамическое моделирование при оценке ресурсов линз может осуществляться только для опресненной зоны без учета плотностных эффектов.

Изучение условий формирования и эксплуатации приречных и приканальных линз древней дельты р. Амударьи показало, что, при сложившейся в последние десятилетия обстановке, действие источников формирования линз ограничено только летним сезоном. Таким образом, существующие приречные и приканальные линзы пресных подземных не могут круглогодично эксплуатироваться без искусственного восполнения их запасов.

Результаты численного моделирования полевых экспериментов позволили получить уточненные количественные оценки гидродинамического взаимодействия поверхностных водотоков с грунтовым потоком при работе систем искусственного восполнения запасов. Вертикальная проводимость дна питающего контура в течение 2 месяцев его работы уменьшается вследствие кольматации в 3−4 раза. Магистральный канал практически не влияет на работу системы искусственного восполнения запасов вследствие низких фильтрационных свойств его ложа. Исключением являются кратковременные периоды заполнения и частичного осушения канала, в течение которых происходит частичное удаление закольматированного слоя, вследствие чего гидродинамическая связь канала с грунтовым потоком заметно улучшается.

Анализ результатов полевых экспериментов на Чалышском и Турткульском участках показал, что экспериментальные системы не обеспечивают устойчивого снижения минерализации отбираемой воды. Сделан вывод, что постановка и интерпретация по левых экспериментов по искусственному восполнению запасов подземных вод должны проводиться на основе трехмерных численных геофильтрационных и геомиграционных моделей.

Моделирование показало, что в условиях, когда питающие контуры системы искусственного восполнения могут быть обеспечены пресной водой только в летнее время, для сохранения стабильного дебита водоотбора и качества отбираемой воды необходимо использовать площадную систему размещения линейных водозаборов и инфильтрационных контуров. При этом система должна включать, как минимум, 3 блока, из которых крайние (2-й и 3-й блоки) являются аккумулирующими, а центральный (1-й блок) — эксплуатационным.

Модельные расчеты показали, что условия функционирования многоконтурной системы искусственного восполнения весьма чувствительны к параметру 2а (расстоянию между инфильтрационными контурами). Оптимальное значение параметра 2а полученное для рассмотренных условий на основе численного моделирования, составляет 200 м. Отметим, что рекомендуемые в литературных источниках значения данного параметра варьируют в довольно широком диапазоне: 200 — 250 м и, соответственно, требуют уточнения в каждом конкретном случае с использованием численного моделирования.

Вариации коэффициента фильтрации и гравитационной емкости эксплуатируемого водоносного горизонта в реальных диапазонах их изменения не оказывают существенного влияния на условия функционирования системы искусственного восполнения запасов. Указанные геофильтрационные параметры не требуют детальных оценок при обосновании оптимальных характеристик систем искусственного восполнения в рассматриваемых условиях. Можно заключить, что эффективность работы системы искусственного восполнения определяется вертикальной проводимостью ложа питающего контура, а мощностью и пористостью водовмещающих отложений.

Следует подчеркнуть, что в условиях сезонной работы питающих контуров, ясное представление о процессе формирования искусственных запасов может быть получено только на основе геомиграционной модели, составной частью которой должна являться откалиброванная геофильтрационная модель. При обосновании параметров системы искусственного восполнения запасов подземных вод с целью упрощения модельных расчетов можно рассматривать водозаборный ряд как несовершенную траншею и использовать профильные геомиграционные модели. Плотностные эффекты при этом могут не приниматься во внимание.

Следует отметить, что основные результаты выполненных модельных экспериментов, могут быть распространены на территории с другими гидрогеологическими условиями, в случае необходимости обоснования оптимальных параметров систем искусственного восполнения, работающих сезонно в силу тех или иных причин.

Защищаемые положения настоящей диссертации могут быть сформулированы в следующем виде.

1) Основным источником формирования приречных и приканальных линз пресных грунтовых вод являются фильтрационные потери из поверхностных водотоков (р. Амударьи и магистральных каналов). Ирригационное питание практически полностью компенсируется эвапотранспирацией и дренажным стоком и не приводит к увеличению ресурсов линз.

2) Формирование приречных и приканальных линз в историческом плане можно рассматривать как процесс опреснения засоленного четвертичного водоносного комплекса вследствие фильтрационных потерь из пресных поверхностных водотоков. Время формирования крупной приречной линзы в дельте р. Амударьи в естественных условиях (при отсутствии ирригационного питания и дренажа) составляет по данным моделирования около 200 лет. При наличии ирригационного питания и дренажа время формирования увеличивается до 1 тыс. и более лет. Учитывая постоянно меняющиеся водохозяйственные и гидрологические условия территории, современные границы линз следует считать неустановившимися.

3) Вследствие проявления плотностных эффектов скорость формирования пресноводной линзы и ее конечные размеры обратно пропорциональны начальной минерализации грунтовых вод. Плотностная конвекция обусловливает характерное плавное изменение минерализации грунтового потока в плане и разрезе на внешней границе линзы. Латеральный геофильтрационный поток линзы формируется преимущественно в пределах опресненной зоны. В зоне перехода от пресных вод к соленым расходы латерального потока пренебрежимо малы. Принимая это во внимание, гидрогеодинамическое моделирование при оценке ресурсов линз может осуществляться без учета плотностных эффектов.

4) Поскольку поверхностные водотоки, за счет фильтрационных потерь из которых формируются линзы, являются пресными только сезонно, линзы не могут эксплуатироваться круглогодично без искусственного восполнения их запасов. Эксплуатация линз пресных вод в сложившихся условиях должна осуществляться с помощью многоконтурных систем искусственного восполнения запасов, состоящих, как минимум, из 4-х инфильтрационных контуров и 3-х линейных водозаборных рядов, обеспечивающих сезонное накопление запасов пресных подземных вод, достаточных для круглогодичного водоотбора.

5) При функционировании многоконтурных систем в условиях сезонной работы инфильтрационных контуров формируются нестационарные трехмерные геофильтрационные и геомиграционные потоки, которые могут быть исследованы только с использованием численных моделей.

6) Эффективность работы систем искусственного восполнения запасов подземных вод в рассматриваемых условиях определяется вертикальной проводимостью ложа инфильтрационного контура, мощностью и активной пористостью водовмещающих отложений, расстоянием между питающими контурами. Обоснование расстояния между питающими контурами, должно производиться на основе численного моделирования. С целью упрощения модельных расчетов при этом можно использовать профильные геомиграционные модели, рассматривая водозаборный ряд как несовершенную траншею.