Формирование и оценка ресурсов подземных вод межгорного артезианского бассейна Хэйхэ (северо-западный Китай)

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. В настоящее время изучение закономерностей формирования и региональная оценка ресурсов подземных вод в масштабах 1: 100 000 - 1: 200 000 является одним из основных видов исследований, выполняемых при оценке прогнозных эксплуатационных запасов подземных вод. Такие исследования широко проводятся как на территории России, так и на территории КНР. В тоже время, ряд вопросов оценки ресурсов подземных вод и закономерностей их формирования в межгорных артезианских бассейнах разработан относительно слабо.

Применительно к межгорному артезианскому бассейну Хэйхэ это касается исследования общих закономерностей строения гидрогеологического разреза и распределения фильтрационных параметров рыхлых отложений основного водоносного комплекса. В литературе недостаточно полно охарактеризованы основные составляющие баланса питания и разгрузки подземных вод четвертичного водоносного комплекса: величины поглощения стока малых рек в предгорной зоне системы Циляньшань, наличие или отсутствие подземного притока из горного обрамления бассейна, распределение по площади величин питания грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных осадков (конденсации), а также фильтрации из распределительных каналов и на массивах орошения, распределение величин разгрузки грунтовых вод испарением и транспирацией.

Решение этих вопросов для территории межгорного артезианского бассейна среднего течения реки Хэйхэ имеет принципиальное значение для исследования основных закономерностей формирования и разработки принципов оценки ресурсов подземных вод аналогичных районов Китая с целью их рационального использования и охраны.

Цель и основные задачи исследований. Целью диссертационной работы являются изучение закономерностей формирования структуры и баланса потока подземных вод на территории межгорной впадины Хэйхэ в северо-западной части КНР и прогнозная оценка ресурсов подземных вод для промышленно-сельскохозяйственного водоснабжения. Для достижения поставленной цели в рамках настоящих исследований решались следующие задачи:

1. Изучение физико-географических, геолого-структурных условий межгорной впадины Хэйхэ и определение их роли в формировании гидрогеологии бассейна.

2. Исследование закономерностей строения гидрогеологического разреза и распределения геофильтрационных параметров основного водоносного комплекса рыхлых четвертичных отложений.

3. Исследование положения и типа внешних и внутренних границ бассейна и оценка гидродинамических условий на них.

4. На основании имеющихся фактических материалов проведение оценки всех составляющих баланса подземных вод.

5. Оценка основных элементов водного баланса потока подземных вод и уточнение геофильтрационных параметров четвертичного водоносного комплекса на основе использования методов математического моделирования.

6. Оценка естественных ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ и разработка рекомендаций для их рационального изучения и использования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Охарактеризовано строение гидрогеологического разреза и закономерности распределения геофильтрационных параметров водоносного комплекса четвертичных отложений.

2. Обоснована балансово-гидродинамическая модель бассейна с характеристикой строения и параметров области фильтрации и условий на внешних и внутренних границах.

3. На основе использования балансово-гидрогеодинамической модели стационарной фильтрации выполнено принципиальное уточнение геофильтрационных параметров четвертичного водоносного комплекса, а также оценка основных составляющих баланса питания и разгрузки грунтовых вод и ресурсов подземных вод межгорного артезианского бассейна Хэйхэ.

4. Построена серия гидрогеологических карт, схем и разрезов различного назначения, характеризующих условия формирования и возможности использования подземных вод изучаемого района.

Основные защищаемые положения:

1. Особенности формирования подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ, в отличие от большинства бассейнов Средней Азии и Китая, связаны с его асимметричностью, которая определяется структурно-тектоническим строением впадины и существенными различиями рельефа и климатических условий юго-западного (Циляньшань) и северо-восточного (Луншоушань-Хэлишань) горных обрамлений впадины.

Эта <асимметричность> определяется наличием относительно приподнятого рельефа с абсолютными высотами 1700-2200 м в предгорной зоне Циляньшань и относительно пологого рельефа с отметками 1300-1500 м в центральной части и в северо-восточной предгорной зоне впадины, а следовательно, изменением мощности рыхлых отложений от 800 м в юго-западной и центральной части впадины до 100 м в северо-восточном районе и выклиниванием рыхлых четвертичных отложений в крайней северной части впадины; различием глубины залегания уровня грунтовых вод от 200 м и более в юго-западной предгорной области до 5-10 м и менее в центральной части и северо-восточной предгорной зоне; полной разгрузкой подземных вод четвертичного комплекса в русло р. Хэйхэ в северной части территории.

Примерно аналогичная закономерность, но выраженная относительно менее резко, характерна для соседнего межгорного бассейна Шиянхэ, также приуроченного к территории структурного коридора Хэси.

2. Установлена общая закономерность изменения фильтрационных свойств отложений основного комплекса, которая выражена в наличии максимальных значений проницаемости до 15-20 м/сут в предгорной зоне системы Циляньшань, постепенном уменьшении ее величин до 5-7 в центральной части бассейна и относительном увеличении до 7-10 м/сут в предгорной зоне системы Луншоушань-Хэлишань.

Гранулометрический состав рыхлых отложений определяется, главным образом, расстоянием от основной области сноса обломочного материала - горной системы Циляньшань и изменяется с удалением от нее с гравийно-песчаного на песчаный и песчано-глинистый в центральной части впадины.

3. Наблюдающееся в северной части территории бассейна (города Гаоя-Чжэнися) существенное различие величин разгрузки подземных вод в русло р. Хэйхэ с изменением на относительно коротких расстояниях их линейного модуля от 500 до 20 л/с на 1 км связано со структурным планом складчатого фундамента впадины. Участок интенсивной разгрузки в русло р. Хэйхэ определяется наличием в фундаменте относительного приподнятого блока, в пределах которого мощность отложений четвертичного комплекса уменьшается от 200-250 м до 90-150 м.

4. Особенности геолого-структурных условий, рельефа впадины, изменений мощности отложений, фильтрационных свойств четвертичного водоносного комплекса и хозяйственной деятельности определяют наличие в пределах ее территории пяти гидрогеологических районов с существенно различными условиями формирования режима и баланса подземных вод: предгорные зоны системы Циляньшань с интенсивным поглощением поверхностного стока малых рек и с глубоким залеганием уровня подземных вод до 150-200 м; район 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; район формирования интенсивной родниковой разгрузки с суммарным расходом 1,71∙106 м3/сут; район формирования разгрузки грунтовых вод преимущественно эвапотранспирацией при глубинах залегания уровня менее 5 м; придолинные зоны рек Хэйхэ Лиюаньхэ с формированием подпертой фильтрации из них и интенсивной русловой разгрузки.

Для каждого из выделенных выше районов характерны различные возможности эксплуатации подземных вод и различные условия формирования структуры эксплуатационного водоотбора.

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании рациональной эксплуатации подземных вод бассейна, а также при поисках и разведке месторождений подземных вод в различных зонах бассейна и оценке их эксплуатационных запасов.

Методика и принципы исследования условий формирования и оценки ресурсов подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ могут быть широко использованы при проведении аналогичных исследований в других районах Китая со сходными геолого-гидрогеологическими условиями.

Достоверность полученных результатов. Основные положения и выводы работы получены на основе результатов анализа и обработки фактических материалов, собранных автором в течение 2008-2009 годов в Китае, а также многочисленных опубликованных и фондовых материалов по изучаемому району. При проведении работы использованы современные методы исследований, в том числе методы математического моделирования, рекомендованные современными методическими руководствами России и Китая.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались на международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых <Ломоносов-2010>, на международной научной конференции <Ресурсы подземных вод: Современные проблемы изучения и использования>, посвященной 100-летию со дня рождения Бориса Ивановича Куделина (МГУ, 2010), на Всероссийской научной конференции с международным участием <Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии>, посвященной 80-летию кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ИПР ТПУ (Томск, 2010). Основные положения работы изложены в шести публикациях, в том числе в трех статьях в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 140 страницах, содержит 30 таблиц и 51 рисунков. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 94 наименований.

Благодарность. Автор выражает особую признательность своему научному руководителю профессору В.А. Всеволожскому за тщательное руководство и всестороннюю помощь при написании работы. Автор благодарен профессору С.П.Позднякову и доценту С.О. Гриневскому, оказавшим огромную помощь и давшим полезные консультации при проведении геофильтрационного моделирования. Автор глубоко признателен профессору В.М. Шестакову, профессору Р.С. Штенгелову, ведущему научному сотруднику Р.М. Никитину, К.Е. Питьевой, доценту Р.П. Кочетковой, доценту М.С. Орлову, доценту В.М. Семеновой, и всем преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова за постоянную поддержку, ценные замечания и советы, учтенные автором при написании работы.