Содержание к диссертации
Введение
1. Линзы пресных подземных вод древней дельты р. Амударьи как объект исследований 11
1.1. Фундаментальные представления об условиях формирования линз пресных подземных вод и их типизация 11
1.2. Природные условия территории древней дельты р. Амударьи 21
1.2. Природные условия территории древней дельты р. Амударьи 21
1.2.1. Физико-географический очерк 21
1.2.2. Геологическое строение 32
1.2.2. Геологическое строение 32
1.2.3. Гидрогеологические условия 34
1.3. Характеристика водохозяйственных условий 38
2. Моделирование условий формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод 42
2.1. Чалышская приречная линза 42
2.1.1. Гидрогеологические условия 42
2.1.2. Характеристика фильтрационных свойств водовмещающих отложений по данным опытных откачек 50
2.1.3. Разработка гидрогеодинамической модели Чалышской линзы 58
2.1.3.1. Обоснование геофильтрационной схемы 58
2.1.3.2. Калибровка модели 66
2.1.3.3. Обсуждение результатов моделирования 68
2.1.4. Разработка геомиграционной модели Чалышской линзы 73
2.1.4.1. Обоснование геофильтрационной и геомиграционной схемы73
2.1.4.2. Обсуждение результатов 78
2.1.5. Моделирование условий эксплуатации 87
2.2. Турткульская приканальная линза 90
2.2.1. Гидрогеологические условия 90
2.2.2. Разработка гидрогеодинамической модели Турткульской линзы.95
2.2.3. Разработка геомиграционной модели Турткульской линзы 98
2.2.4. Моделирование условий эксплуатации 102
3. Моделирование полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов пресных подземных вод 106
3.1. Полевой эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод на Чалышской линзе пресных вод 107
3.1.1. Условия проведения полевого эксперимента 107
3.1.2. Разработка гидрогеодинамической модели 112
3.1.2.1. Обоснование геофильтрационной схемы 112
3.1.2.2. Калибровка модели 116
3.1.2.3. Обсуждение результатов моделирования 117
3.1.3. Разработка геомиграционной модели 125
3.1.3.1. Обоснование геомиграционной схемы 125
3.1.3.2. Калибровка модели 128
3.1.3.3. Обсуждение результатов моделирования 130
3.1.3.3. Обсуждение результатов моделирования 130
3.2. Полевой эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод на Турткульской линзе пресных вод 135
3.2.1. Условия проведения эксперимента 135
3.2.2. Разработка гидрогеодинамической модели 142
3.2.2.1. Обоснование геофильтрационной схемы 142
3.2.2.2. Калибровка модели 145
3.2.2.3. Обсуждение результатов моделирования 146
4. Моделирование эксплуатации линз пресных вод с использованием искусственного восполнения запасов 153
4.1. Обоснование методики моделирования 153
4.1.1. Геофильтрационная схема 155
4.1.2. Геомиграционная схема 159
4.1.3. Оценка возможности замены трехмерной модели профильной.. 160
4.1.4. Оценка влияния вертикальной геофильтрационной неоднородности четвертичных отложений 160
4.2. Моделирование двухконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод 162
4.3. Моделирование четырехконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод 170
4.3.1. Постановка тестовых прогнозных расчетов 170
4.3.2. Обсуждение результатов 171
4.4. Анализ чувствительности модели системы искусственного восполнения запасов подземных вод к вариациям геофильтрационных и геомиграционных параметров эксплуатируемого водоносного пласта 177
Выводы и защищаемые положения 186
- Природные условия территории древней дельты р. Амударьи
- Турткульская приканальная линза
- Полевой эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод на Турткульской линзе пресных вод
- Моделирование двухконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод
Введение к работе
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:
разработки методики гидрогеодинамического моделирования линз пресных подземных вод;
разработка гидрогеодинамических моделей приречных и приканальных линз пресных подземных вод, позволяющих получить количественные характеристики баланса геофильтрационного потока и скорости формирования линзы;
изучение и количественная интерпретация результатов полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов подземных вод, проведенных в 80-90-х годах;
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 исследований;
разработаны геофильтрационная и геомиграционная модели Чалышской и Турткульской линз, отражающие современные условия их формирования и эксплуатации;
с использованием численного моделирования проведена количественная интерпретация данных полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов подземных вод проведенных на Чалышской и Турткульской линзах;
с 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:
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.
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.
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.
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.
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.
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:
Получены уточненные оценки геофильтрационных параметров питания и строения Чалышской и Турткульской линз.
Проведена количественная интерпретация результатов полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов пресных подземных вод.
Обоснованы оптимальные параметры системы искусственного восполнения запасов пресных подземных вод применительно к условиям Чалышской линзы.
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 113 рисунками, содержит 8 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность профессору А.А. Куваеву, под руководством которого осуществлялась работа над диссертацией.
Автор благодарит сотрудников кафедры гидрогеологии МГУ: зав. кафедрой, профессора В. А. Всеволожского, в.н.с. С. П. Позднякова, доцента В. М. Семенову, доцента С. О. Гриневского и с.н.с. И. Ф. Фиделли за помощь и консультации.
Автор благодарит сотрудников предприятия «Узбекгидрогеология» (г. Ташкент), а также к.г.-м.н. А. Н. Ходжибаева за консультации и помощь при полевых рекогносцировочных обследованиях территории и сборе фондовой информации.
Автор выражает искреннюю признательность профессору В. М. Шестакову, профессору Р.С. Штенгелову (каф. гидрогеологии МГУ), директору Института гидромеханики Высшей технической школы г. Цюриха (Швейцария), профессору
В. Кинцельбаху и зам. ген. директора ЗАО «Геолинк Консалтинг» (г. Москва), к м.н. А. А. Рошалю, за обсуждение результатов работы и ценные замечания. Работа выполнена при поддержке гранта INTAS 00-1056
1. ЛИНЗЫ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДРЕВНЕЙ ДЕЛЬТЫ Р. АМУДАРЬИ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ
Природные условия территории древней дельты р. Амударьи
Рельеф. Геоморфологические условия территории определяются сочетанием 3-х основных структурных элементов: древней дельты р. Амударьи, а также вложенных в нее староречья Даудана (древнего протока р. Амударьи) и современной долины р. Амударьи (рис. 1.4). ьДревняя дельта р. Амударьи представляет собой аллювиальную равнину со слабоволнистой поверхностью, наклоненную (характерные уклоны составляют 0,00015—0,0002) в северо-западном направлении — в сторону Сарыкамышской котловины. Гипсометрическое положение района исследования характеризуют отметки 96 - 98 м, причем более низкие отметки относятся к периферической части дельты. Рельеф поверхности имеет слабо выраженный конический характер. По наиболее высоким отметкам проходит современное русло р. Амударьи. Большая часть территории спланирована под посевы. Местами сохранились заболоченные и солончаковые участки и пересыхающие озера. Замкнутые понижения в рельефе выражены слабо, размеры их не превышают 1-2 км . В результате ирригационно-дренажных работ площадь солончаков и болот значительно сократилась [31,74]. Староречье Даудана - древнего протока р. Амударьи - находится в центральной части древней дельты р. Амударьи, глубина вреза его русла составляет около 2— 2,5 м ширина до 200—300 м при общей ширине пойменной террасы староречья до 6—8 км [31,32]. Абсолютные отметки поверхности изменяются от 98 до 96 м с востока на запад. Поверхность долины Даудана довольно ровная с густой сетью ирригационных каналов и коллекторов. В рельефе контуры долины выражены слабо. Значительное развитие получили солончаки и участки, покрытые мелкобугристыми эоловыми песками, образовавшимися за счет ветровой переработки аллювиальных серых мелкозернистых песков древнего Даудана. Высота отдельных бугров достигает 2 - 3 м.
Современная долина р. Амударьи с пойменной и надпойменной (тугайной) террасами. Последняя возвышается над поймой на 1—2 м, имеет ширину до 5—6 км и незаметно сливается с древней дельтой [31,32]. Пойменная равнина современной р. Амударьи имеет ширину от 3 до 7 км и вытянута вдоль реки с юго-востока на северо-запад. Абсолютные отметки поверхности изменяются от 100 до 97 м [31]. Поверхность низкой пойменной террасы возвышается над урезом воды в реке не более чем на 0.5 - 1 м и ежегодно заливается водой во время паводка. Высота слабо выраженного уступа высокой поймы террасы не превышает 2 - 3 м. Высокая пойма заливается водой лишь при катастрофических паводках. Как низкая, так и высокая поймы в настоящее время возделываются под рис, хлопок и огородно-бахчевые культуры [18].
Климат. Географическое положение древней дельты р. Амударьи в центре Евроазиатского материка, у северных границ субтропического пояса обусловливает формирование здесь резко континентального аридного климата [18]. Для этих мест характерно сухое жаркое лето, непродолжительная холодная малоснежная зима, незначительное количество осадков и высокая испаряемость [18,42]. Среднемноголетняя температура воздуха по данным метеостанции Ургенч на территории древней дельты р. Амударьи за период наблюдений с 1980 г. по 2001 г составляет 13,04 С. Минимальное среднесуточное значение температуры равно -7,4С, максимальное - +31,3С. Самым жарким месяцем является июль, среднемесячная температура которого равна +28,6 С. Продолжительность периода с высокой температурой воздуха составляет 200-242 дня. [18]. Самым холодным месяцем является январь, среднемесячная температура которого равна -1,96С, минимальная среднесуточная температура равна -5,4С. Годовая сумма осадков на территории древней дельты р. Амударьи по данным метеостанции Ургенч за период наблюдения с 1980 по 2001 г. изменяется от 26 мм до 185 мм (рис. 1.5). В среднем годовая сумма осадков составляет около 87 мм. Атмосферные осадки крайне неравномерно распределяются в течение года: более 80% из них приходится на зимне-весенний период и до 50-60%-на весенний [42], с июня по октябрь, атмосферные осадки почти не выпадают (рис 1.6) [18].
Среднегодовая испаряемость на территории древней дельты р. Амударья достигает 2000 мм/год [18]. По данным метеостанции Ургенч среднегодовая испаряемость за период наблюдений с 1998 по 2000 г. составляла около 1700 мм. При этом ее распределение по сезонам очень неравномерно; резкое возрастание наблюдается с апреля - начала мая. В конце июня - в июле, наиболее жарком месяце, испаряемость достигает максимума (рис 1.7). В сентябре-октябре испаряемость падает и в зимний период очень мала. С ноября по апрель испаряемость составляет 12% от годовой испаряемости. Влажность воздуха сильно колеблется. Высокая относительная влажность воздуха, наблюдаемая повсеместно в осенне-зимний и весенний периоды, достигает максимального значения вблизи водоемов. В летний период она резко снижается, что способствует повышению испарения. В летний период ее значение на территории древней дельты р. Амударьи около города Турткуль составляет 24%. [18]. Гидрологические условия. Речная сеть представлена р. Амударьей (рис. 1.8), являющейся самой крупной водной артерией Средней Азии. Она относится к типу рек снегово-ледникового питания и имеет общую водосборную площадь 227000 км [18]. Русло реки проходит по командным отметкам местности, ширина реки 600-2500 м, глубина колеблется от 2,5 до 3,5 м, местами до 15 м (на изгибах). Продольные уклоны р. Амударьи находятся в пределах 0,00015-0,00007 [3]. Амударья протекает в русле, сложенном легкоразмываемыми породами. Максимальный расход р. Амударьи по посту Тюямуюн (75 км выше по течению от п. Чалыш (см. рис. 1.8)) превышает 4000 м3/с, минимальный - 114 м3/с за период наблюдения с 1997 по 2000 г. Ее среднемноголетний расход равен у г. Керки 2020 м3/с, у г. Нукуса - 1520 м3/с, у п. Тюямуюн - 1000 м3/с. Как видно из гидрографа р. Амударьи (рис. 1.9), расходы начинают возрастать в конце марта -начале апреля с отклонениями, вызванными дождями на фоне снегового таяния. В июле происходит главный паводок, вызванный таянием снегового покрова и ледников среднего и верхнего ярусов гор. С августа по октябрь расход в р. Амударье уменьшается. Меженный уровень в реке приходится на январь - февраль. Амплитуда колебания уровней воды в реке составляет 2,5-3,5 м, возрастая иногда до 4 м (рис 1.10). С 1961 по 2001 г. по данным гидропоста «Чалыш» наблюдается уменьшение уровня воды в р. Амударье примерно на 3 метра (рис 1.11).
Река Амударья характеризуется интенсивной аккумулятивной деятельностью. Годовой твердый сток реки составляет примерно 120 млн. т. [18]. Скорость течения в среднем 2 м/с, мутность воды 3,5 кг/м (в паводок доходит до 5 кг/м3). Среднегодовой механический состав наносов представлен следующими фракциями: 0,25 мм - 0,5%, 0,25-0,05 мм - 0,05%, 0,05-0,01 мм - 22%, меньше 0,01 мм - 62% [3]. Наряду с аккумулятивной деятельностью наблюдается боковая эрозия. Разрушение берегов под влиянием боковой эрозии местами мм - 62% [3]. Наряду с аккумулятивной деятельностью наблюдаетсябоковая эрозия. Разрушение берегов под влиянием боковой эрозии местами происходит с весьма высокой скоростью. Особенно интенсивная эрозия наблюдается в период прохождения паводков, когда скорость течения реки достигает 4 м/с (при средней скорости около 2 м/с). Как отмечено в [18], у г. Турткуль река, размывая правый берег, смещалась ежегодно на несколько сотен метров. По материалам топографических съемок 1886 и 1946 гг. общее смещение русла за данный промежуток времени составило 6 км, а в 12-16 км ниже г. Турткуля за 11 лет (с 1905-1915 г) - от 4 до 6 км. В 1951 г. центр Турткульского района был перенесен в Новый Турткуль, на 12 км восточнее прежнего [18]. По данным гидропоста «Чалыш» с июня по ноябрь минерализация воды в р. Амударье колеблется от 0,63 до 0,95 г/л, по типу вода гидрокарбонатная кальциевая [18]. В период межени минерализация воды возрастает до 1,02-1,41 г/л (рис. 1.12), и тип воды меняется на сульфатно-гидрокарбонатный [18]. Увеличение минерализации в зимний период, по всей видимости, связано с тем, что при уменьшении расхода р. Амударьи в зимний (меженный) период объем дренажного стока в р. Амударью с Каршинских степей и Бухарского оазиса Узбекистана, а также Чарджоуской и Ташаузской областях Туркменистана практически не меняется, минерализация дренажных вод составляет 3,5-5г/л. В летний период (во время паводка) расход р. Амударьи увеличивается, и минерализованные воды дренажного стока разбавляется речными водами.
Турткульская приканальная линза
Турткульская линза пресных вод приурочена к правобережной части древней дельты р. Амударьи около г. Турткуль вдоль канала Багьяб (рис. 2.31). Водовмещающие отложения четвертичного водоносного комплекса представлены крупно-среднезернистыми песками общей мощностью около 25 м. Ниже по разрезу залегает водоносный комплекс плиоценовых отложений мощностью до 150 м. Водоносные комплексы четвертичных и плиоценовых отложений не разделены регионально выдержанным водоупором. В гидрогеодинамическом отношении водоносный комплекс четвертичных отложений и водоносный комплекс неогеновых отложений представляют собой единый водоносный пласт, в котором формируется грунтовый поток. Сверху четвертичные пески перекрыты суглинками, мощностью 0.5-1 м. На участке исследований глубина залегания уровня грунтовых вод составляет около 1.5 м. Условия формирования и разгрузки потока грунтовых вод древней дельты р. Амударьи описаны в п. 2.1.1. Подземные воды Турткульской линзы пресные, сульфатно-гидрокарбонатные кальциевые. За пределами линзы минерализация увеличивается почти до 3 г/л. По мере удаления от канала химический состав постепенно меняется на сульфатно-хлоридный и хлоридный натриевый.
По данным исследований 1980 г. поперечные размеры приканальной линзы (удвоенное расстояние от канала до границы соленых и пресных вод) составляли 500-800 м (рис 2.32) [72]. В начале 80-х годов был построен и запущен в эксплуатацию водозабор, представляющий собой ряд из 10 скважин, расположенных вдоль канала Багьяб на расстоянии 40 м от него. Длина ряда составляет около 1000 м. Суммарный дебит водоотбора составлял по имеющимся данным около 6 тыс. м /сут. Предполагалось, что основным источником эксплуатационных ресурсов пресных подземных вод будет привлечение воды из канала Багьяб. Однако данные 1988 г. свидетельствуют о том, что к этому году запасы линзы были истощены. Минерализация на участке Турткульской линзы возросла до 1.5 - 2.0 г/л и более (рис. 2.33). Рассмотрим возможные причины сложившейся ситуации. Помимо привлекаемых поверхностных вод канала баланс водоотбора формируется за счет инверсии эвапотранспирации и дренажного стока. Пусть AQE, - расход водоотбора, обусловленный полной инверсией эвапотранспирации на участке Турткуль. При снижении уровня грунтовых вод S=2 м (до критической глубины эвапотранспирации) AQE может быть оценен по формуле: AQE=EcenS-F, (2.18.) где F - площадь линзы. При F=l км и Ест =2.1910" м/сут AQE =4-10 м/сут. Поскольку реальный дебит эксплуатации водозабора в течение 8 лет превышал данный расход как минимум в 2 раза, можно предположить, что причиной исчезновения линзы является недостаточное привлечение воды из ирригационного канала Багьяб. Данное обстоятельство, по-видимому, обусловило приток минерализованных вод через боковые границы линзы и через подошву четвертичного водоносного горизонта. 2.2.2. Разработка гидрогеодинамической модели Турткульскои линзы Целью настоящего раздела работы является уточнение современных условий формирования приканальных линз пресных вод и количественная оценка пространственной структуры и баланса потока подземных вод Турткульскои линзы с использованием численного моделирования.
Принимая во внимание ограниченный объем информации по условиям формирования и эксплуатации Турткульскои приканальной линзы, для нее была разработана обобщенная профильная модель. Геофильтрационная схема, принятая при моделировании Турткульскои линзы, показана на рис. 2.34. Режим потока. Гидрогеодинамический режим при моделировании Турткульскои линзы пресных подземных вод принимался стационарным. Таким образом, основные элементы геофильтрационного потока (напоры, градиенты напоров, линии тока и расходы) рассматривались как осредненные в течение 1980 г. Пространственная структура потока. Геофильтрационный поток рассматривался как профильный. Всего рассматривалось 3 пласта: верхний пласт, соответствующий четвертичным отложениям, - напорно-безнапорный, второй и третий пласты, соответствующие верхнеплиоценовым и средне-нижнеплиоценовым отложениям, напорные. По вертикали каждый пласт разбивался на несколько расчетных слоев (табл. 2.6). Шаг сетки по горизонтали Ах не постоянен, он изменяется от 2 м в зоне резкой деформации потока около канала Багьяб до 50 м на боковых границах модели. Граничные условия. По контуру ирригационного канала Багьяб задавалось граничное условие 3-го рода, уровень в канале был задан как среднегодовой за 1980 г, составивший 102,5 м. Боковые границы модели были заданы как границы с постоянным напором, равным 102 м, соответствующим уровню грунтовых вод на удалении от канала. Перепад напоров между каналом Багьяб и уровнем грунтовых вод на границе модели составил, таким образом, 0,5 м. Нижняя граница модели рассматривалась как непроницаемая (см. рис. 2.34). Геофильтуаиионные параметры. На исследуемом участке четвертичные отложения представлены верхнеплейстоценовыми-современными нерасчлененными отложениями древней дельты р. Амударьи (см. п. 1.2.2). Значение коэффициента фильтрации для четвертичных отложений древней дельты р. Амударьи (10 м/сут) было получено в результате калибровки гидрогеодинамической модели участка эксперимента по искусственному восполнению запасов, рассмотренной ниже в п. 3.2. Коэффициент фильтрации верхнеплиоценовых отложений был задан по литературным данным [18,72] 2,6 м/сут. Коэффициент фильтрации средне-нижнеплиоценовым отложений был задан по литературным данным [3,18] 0.1 м/сут.
Гидродинамическое взаимодействие потока подземных вод с ирригационным каналом учитывалось по известной схеме [56], предусматривающей работу водоема как граничного условия 3-2 рода. Уровень отрыва свободной поверхности грунтовых вод от дна канала при работе водозабора задавался равным абсолютной отметке дна канала (99.5 м). Параметр вертикальной проводимости дна ирригационного канала Багьяб Хб был задан равным 0,1 сут-1 в соответствии с результатами калибровки гидрогеодинамической модели участка эксперимента по искусственному восполнению запасов, рассмотренной ниже в п. 3.2. Модуль (интенсивность) площадного инфильтрационного и ирригационного питания W задавался равным 1,12-10" м/сут (по аналогии с территорией Чалышкой линзы). Разгрузка в коллекторно-дренажную сеть рассматривалась при моделировании как площадное граничное условие 3-го рода (см. п. 2.1.3.1), расчетный коэффициент перетока дренажа задавался 10 сут" (по данным калибровки гидрогеодинамической модели Чалышской линзы (см. п. 2.1.3.3)). При моделировании величина Е свп и гкр принимались по аналогии с территорией Чалышкой линзы (см. п. 2.1.3.1). Моделирование осуществлялось с помощью программного комплекса PMWIN5 [69]. На балансовой диаграмме геофильтрационного потока Турткульской линзы, полученной в результате решения стационарной гидрогеодинамической задачи (рис. 2.35) видно, что основными источниками формирования приканальной линзы являются ирригационное питание и приток из канала Багъяб. Разгрузка осуществляется преимущественно эвапотранспирацией, а также частично в коллекторно-дренажную сеть. Следует отметить, что балансовые структуры геофильтрационных потоков Чалышской и Турткульской линз в целом похожи. 2.2.3. Разработка геомиграционной модели Турткульской линзы Целью настоящего раздела является количественная оценка условий формирования поля минерализации Турткульской приканальной линзы. Геомиграционная модель Турткульской линзы была разработана на основе стационарной гидрогеодинамической модели, рассмотренной выше (см. п. 2.2.2). Поскольку канал Багъяб был построен в 40-х годах, а водозабор был запущен в начале 80-х годов, то приканальная линза подземных вод формировалась в течение 40 лет. На 1 этапе геомиграционного моделирования было получено положение границы пресных и соленых вод через 40 лет после начала работы ирригационного канала.
Полевой эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод на Турткульской линзе пресных вод
На участке Турткульской линзы (рис. 3.24) проводился эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод с 28 июня 1989 г. по 1 сентября 1990 г. Существенным отличием от ситуации, рассмотренной в п. 3.1, в данном случае является то, что помимо временно работающего инфильтрационного контура на этом участке есть также постоянно работающий ирригационный канал Багьяб. Для проведения эксперимента вокруг эксплуатационных скважин был оборудован инфильтрационный контур и пробурена 61 наблюдательная скважина. Данные об уровнях имеются только по 19 скважинам (см. рис. 3.24). Глубина траншеи питающего контура составляла 3.5 м, ширина в верхней и нижней частях -15 и 10 м, соответственно. В инфильтрационный контур подавалась вода из ирригационного канала Багьяб. Опытная групповая откачка проводилась в три этапа: первый этап групповой откачки соответствовал периоду восполнения эксплуатационных запасов подземных вод при помощи инфильтрационного контура (с 28 июня по 25 сентября 1989 г.); второй этап групповой откачки соответствовал периоду, когда инфильтрационный контур не работал, происходила сработка емкостных запасов подземных вод (с 25 сентября 1989 г. по 8 июня 1990 г.); третий этап групповой откачки соответствовал периоду восполнению запасов подземных вод при помощи инфильтрационного контура (с 8 июня по 1 сентября 1990 г.) Заполнение инфильтрационного контура началось 20 июня 1989 г. (за 8 дней до групповой откачки) и продолжалось 3 суток. Затем в течение 5 суток проводились наблюдения за повышением уровня грунтовых вод. В течение групповой откачки измерялись: дебит эксплуатационных скважин, минерализация воды в эксплуатационных скважинах, контуре и водозаборных скважинах, уровни в наблюдательных скважинах, уровни в инфильтрационном контуре.
Водозаборный ряд состоял из 3 опытно-эксплуатационных скважин 1с, 2с, Зс, которые располагались внутри инфильтрационного контура (см. рис. 3.24). Фильтры опытно-эксплуатационных скважин находились в интервале 12 - 23. Эксплуатационная водозаборная скважина 7с работала со средним дебитом около 780 м3/сут, скважина 2с работала со средним дебитом около НО м3/сут, дебиты этих скважин в течение всего полутора годового эксперимента были практически постоянны (рис. 3.25). Скважины 1с, Зс работали в летние периоды со средними дебитами около 1080 м /сут и 1300 мЗ/сут соответственно, а в зимний период со средними дебитами около 220 м /сут и 177 м /сут соответственно (см. рис. 3.25). Дебиты эксплуатационных скважин 1с и Зс уменьшались в зимний период по сравнению с летними периодами в 5-7 раз. Помимо инфильтрационного контура, работающего только в летний период, на Турткульском участке круглогодично функционирует ирригационный канал Багьяб. Практически в течение всего года его уровень устанавливается выше уровня грунтовых вод, т.е. канал питает грунтовые воды. Осенью и зимой в течение коротких периодов времени уровни в канале опускались ниже уровня грунтовых (рис. 3.26), в результате чего канал становился дренирующим. Минерализация в канале Багьяб меняется в течение года от 0.6 г/л до 1.8 г/л. Летом вода в канале в основном пресная, зимой минерализация увеличивается до 1.5 г/л и более (рис. 3.27). Такое изменение минерализации воды в канале Багьяб связано с сезонной изменчивостью минерализация в р. Амударье (см. п. 1.2.1), которая является источником воды для ирригационного канала.
Эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод проводился без предварительных расчетов. На рис. 3.28 показано изменение минерализации воды в инфильтрационном контуре, в ирригационном канале и в эксплуатационных скважинах в ходе эксперимента. Минерализация подземных вод уменьшилась в течение первого летнего периода, от 1.3 г/л до 1-0.9 г/л, зимой минерализация была около 1 г/л, во второй летний период минерализация уменьшилась от 1 г/л до 0.8—0.9 г/л. Накопленных за летний период запасов пресных вод не хватило для работы эксплуатационных скважин в зимний период. 3.2.2. Разработка гидрогеодинамической модели
Целью настоящего раздела является изучение опыта искусственного восполнения запасов пресных подземных вод при помощи инфильтрационных контуров при наличии рядом дополнительного сезонного источника привлекаемых вод с использованием численного моделирования. Обоснование геофильтрационной схемы Геофильтрационная схема, принятая при моделировании участка эксперимента, представлена на рис. 3.29. Режим потока. Гидродинамический режим при моделировании эксперимента по искусственному восполнению запасов на участке Турткульской линзы принимался нестационарным. Моделировался первый летний период работы инфильтрационного контура (с 28 июня по 25 сентября 1989 г.). Время проведения эксперимента было разбито на 12 стресс периодов, продолжительность каждого составляла 7 суток. Варианты с более детальным шагом по времени оказались технически неосуществимыми. Пространственная структура потока. Геофильтрационный поток рассматривался как трехмерный. Модель включала в себя три пласта: верхний пласт, соответствующий четвертичным отложениям, - безнапорный, второй и третий пласты, соответствующие верхнеплиоценовым и средне-нижнеплиоценовым отложениям, напорно-безнапорные. Всего рассматривалось 8 слоев (мощность каждого слоя - 5 м): первые 5 из них соответствуют четвертичным отложениям, нижние 3 - плиоценовым отложениям. Граничные условия. Для определения размеров модели рассчитывался радиус влияния групповой откачки R по формуле (2.2). При Т=500 м /сут, //=0,1, t=S4 сут имеем R порядка 2000 м. Размер модели выбирался исходя из того, что границы модели находятся за пределами радиуса влияния, поэтому все внешние границы модели рассматривались как непроницаемые (см. рис. 3.29). Нижняя граница модели задана в неогеновых отложениях и также рассматривалась как непроницаемая. В качестве внутренних гидродинамической границ в пределах участка моделирования выделялись инфильтрационный контур и ирригационный канал Багьяб. Обе эти границы задавались на модели как граничные условия 3-го рода с переменным напором на границе. Задача решалась в изменениях напоров, поэтому в инфильтрационном контуре и ирригационном канале задавалось изменение уровня по сравнению с начальным в соответствии с данными наблюдений во время эксперимента с временным шагом 7 суток.
Геофилътраиионные параметры. Представления о фильтрационных свойствах водовмещающих отложений четвертичного возраста в пределах участка моделирования получены по данным гидрогеологических исследований, проведенных на участке эксперимента в 1980 г. Коэффициент фильтрации на модели был задан 23 м/сут, далее в процессе калибровки значение коэффициента фильтрации было уточнено. Коэффициент фильтрации неогеновых отложений задавался 0.1 м/сут по данным гидрогеологических исследований 1980 г., что также соответствует модели Чалышской линзы (см. п. 2.1.3.1) Гидродинамическое взаимодействие потока подземных вод с инфильтрационным контуром учитывалось по схеме [56], предусматривающей работу водоема как граничного условия 3 рода (см. п. 2.1.3.1). На участке эксперимента условие И л Н0 заведомо выполняется, поскольку глубина контура составляет 3.5 м, глубина залегания уровня грунтовых вод 1,5 м, а максимальное понижение во время откачки 1,65 м. Параметры Хк и %б подбирались на модели для инфильтрационного контура и канала Багьяб соответственно в ходе калибровки. При калибровке принималось, что значения Хк и Хб могут изменяться в процессе эксперимента вследствие кольматации. Коэффициент гравитационной емкости подбирался на модели при калибровке. Верхний предел коэффициента гравитационной емкости задан по литературным данным 0.2, как максимально возможное значение для крупных песков [56]. Упругая емкость существенного влияния на ход калибровки не оказывала и была принята как для песчано-глинистых пород по литературным данным [19] МО-4. Разгрузка грунтового потока на участке эксперимента по искусственному восполнению запасов подземных вод происходит путем эвапотранспирации.
Моделирование двухконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод
Задача решалась для водозабора, работающего в таких же условиях, в каких проводился эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод Чалышской линзы (см. п. 3.1). Ниже сделана попытка оптимизировать работу двухконтурной системы искусственного восполнения запасов (см. рис. 4.1а), рассмотренной в п. 3.1, с учетом ее долговременного использования. Режим потока, его пространственная структура, граничные условия, а также геофильтрационные и геомиграционные параметры соответствуют параметрам профильной геомиграционной модели, описанной в п. 4.1.1,4.1.2. Моделирование осуществлялось с помощью программного комплекса PMWIN5, расчет проводился с использованием программы MT3D [69]. Расчетный профиль минерализации, полученный при пятилетней работе водозабора с постоянным дебитом q, представлен на рис. 4.8. Моделирование показало (см. рис. 4.8), что к концу летнего периода, на момент завершения работы инфильтрационного контура, под ним формируется линза с пресной водой. К концу зимнего периода, в течение которого инфильтрационный контур не работает, линза пресных вод оказывается полностью сработанной водозаборными скважинами и в водозабор начинает поступать минерализованная вода, которая подтягивается из неогеновых отложений и с боковых границ.
Как видно на рис. 4.9, в течение трех лет работы водозабора сезонные колебания минерализации в эксплуатационной скважине стабилизируются. К концу зимнего периода - началу летнего минерализация в эксплуатационной скважине возрастает до 1.24 т/л. В течение летнего периода вода опресняется до 0.9 г/л. Для того чтобы водозаборные скважины давали пресную воду в течение всего года, на время зимнего периода дебит водоотбора был уменьшен, на время летнего периода дебит оставался по-прежнему q. Расчеты показали, что приемлемая минерализация отбираемой воды обеспечивается только в том случае, если зимний дебит водоотбора равен \llq (рис. 4.10). Сезонные колебания минерализации воды в эксплуатационной скважине стабилизируются в течение двух лет с момента начала эксплуатации, за зимний период минерализация возрастает до 0.98 г/л, за летний - уменьшается до 0.86 г/л (см. рис. 4.10). Расчеты показали, что накопленных за лето запасов не хватает для работы водозабора зимой с проектным дебитом q, поэтому в дальнейших расчетах была сделана попытка увеличить объем пресной воды, накапливающийся в летнее время. Для этого сначала увеличивался дебит водоотбора в течение лета, потом увеличивалось расстояние между инфильтрационными контурами.
На время летнего периода дебит водозабора был увеличен относительно q в 2 раза, что соответствует максимально возможной производительности скважин [74]. Изменение минерализации в эксплуатационной скважине представлено на рис. 4.11. Как видно стабилизация сезонных колебаний минерализации происходит на 2-й год с момента начала эксплуатации. За время летнего периода минерализация воды в эксплуатационной скважине уменьшается почти до 0.81 г/л, за зимний период минерализация увеличивается почти до 0,98 г/л. Данный вариант характеризует работу существующего контура и водозаборного ряда скважин с нагрузкой в летний период, близкой к предельной. Расчеты с большим летним дебитом дают увеличение минерализации в конце инфильтрационного цикла, обусловленное подтягиванием минерализованных вод из плиоценового водоносного комплекса. Зимний дебит водоотбора, при увеличении летнего дебита относительно q в 2 раза, существенно увеличить не удалось. Для увеличения объема накапливаемых за лето пресных запасов подземных вод расстояние между инфильтрационными контурами было увеличено в два раза (до 270 м.) и в четыре раз (до 540 м). Расчеты показывают, что при увеличении расстояния между инфильтрационными контурами в два раза (до 270 м) минерализация отбираемой воды (рис. 4.12) не превысит 1 г/л при летнем дебите водоотбора, равном 2q и зимнем дебите водоотбора равном l/4q. Стабилизация сезонных колебаний минерализации отбираемой воды происходит через 2 года с начала эксплуатации, Минимальное значение минерализации 0.87 г/л отбираемой воды наблюдается в конце зимнего периода, летом минерализация отбираемой воды увеличивается почти до 1 г/л (см. рис. 4.12). При увеличении расстояния между инфильтрационными контурами в четыре раза (до 540 м) вода в эксплуатационных скважинах при летнем дебите водоотбора, равном 2q и зимнем дебите, равном l/4q (рис. 4.13) не сохраняется пресной в течение всего года. Период времени, в который водозабор дает пресную воду приходится на зимний период и начало летнего (см. рис. 4.13). Это связано с тем, что только к зиме фронт пресной воды от контуров успевает дойти до водозабора. В начале летнего периода формируются новые линзы пресной воды около инфильтрационных контуров, а между ними и остатками пресной воды с прошлого года оказывается соленая вода, подтянувшаяся к водозабору за время зимнего периода. Подтягиванием этой минерализованной воды объясняется пик минерализации в летний период. Если зимний дебит водоотбора будет равен 1/1 Од, то вода, которую дает водозабор, будет пресной в течение всего года. Расположить фильтры скважин выше по разрезу для того, чтобы при увеличении зимой дебита уменьшилось подтягивание минерализованной воды из неогена, нельзя, так как в этом случае возможно частичное осушение скважин. Моделирование двухконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод при круглогодичной работе водозабора показало, что обеспечение минерализации отбираемой воды не более 1 г/л требует значительного уменьшения зимнего дебита водоотбора. В том случае, если водозабор работает в течение всего года с постоянным дебитом q, минерализации отбираемой воды достигнет в зимний период 1.5 г/л за счет подтягивания соленых вод из неогенового водоносного горизонта и с боковых границ. 4.3. Моделирование четырехконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод 4.3.1. Постановка тестовых прогнозных расчетов
Как показывают оценочные расчеты двухконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод (см. п. 4.2), при реальных фильтрационных параметрах ложа инфильтрационного контура требуемый круглогодичный дебит не может быть обеспечен. Поскольку увеличение минерализации зимой происходит из-за полной сработки запасов пресных вод, накопленных за лето, то для увеличения объема накапливаемых за лето пресных запасов подземных вод было в два раза увеличено число инфильтрационных контуров. Два дополнительных ряда водозаборных скважин, работающих только в течение летнего периода, также позволяют еще больше увеличить объем накапливаемых запасов пресных вод. Ниже сделана попытка смоделировать работу четырехконтурной системы восполнения запасов (см. рис. 4.1. б) при круглогодичной работе водозабора с постоянным дебитом в течение всего года. Задача решалась для водозабора, работающего в таких же условиях, в каких проводился эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод Чалышской линзы (см. п. 3.1). Геофильтрационная и геомиграционная схемы участка искусственного восполнения запасов представлены на рис. 4.14. Режим потока, его пространственная структура, граничные условия, а также геофильтрационные и геомиграционные параметры практически полностью соответствуют параметрам профильной геомиграционной модели, описанной в п. 4.1.1, 4.1.2. Отличие заключается в том, что были добавлены два инфильтрационных контура, аналогичные двум уже существующим, и два ряда водозаборных скважин, аналогичных уже существующим (см. рис. 4.14). Ряды водозаборных скважин заменялись несовершенными траншеями, удельный дебит каждой из которых 2q, рассчитанный по формуле 2.19, составил 22 м /сут.
Моделирование осуществлялось с помощью программного комплекса PMWIN5, расчет проводился с использованием программы MT3D [69]. 4.3.2. Обсуждение результатов Вариант 1. Система искусственного восполнения запасов подземных вод работает с одним (средним) рядом эксплуатационных скважин (см. рис. 4.14.) и четырьмя инфильтрационными контурами. Дебит водоотбора в течение года постоянен и равен 2q. Расчеты показали, что при таком режиме работы системы к концу летнего периода минерализация в эксплуатационных скважинах (рис. 4.15) уменьшается до 0.92 г/л.
