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

Глава 4. Обоснование балансово-гидродинамической модели межгорного артезианского бассейна Хэйхэ.

Формирование потока подземных вод бассейна отражено на принципиальной схеме (рис. 4), которая является типичной для аналогических территорий межгорных впадин и конусов выноса (Li, 2000). Согласно существующим представлениям, общее балансовое уравнение потока подземных вод для рассматриваемой территории выглядит следующим образом:

Приходные статьи баланса формируют:
Q_пр - возможный внешний приток подземных вод из горной области, принимается нулевое значение (см. гл.3);
Q_инф - суммарное инфильтрационное питание, формирующееся за счет атмосферных осадков, конденсационных вод и фильтрации оросительных вод из системы магистральных и распределительных каналов и на площадях орошения;
Q_рек - фильтрации из реки Хэйхэ, Лиюаньхэ и остальных малых рек;

Разгрузка подземных вод (расходные статьи баланса потока) включает:
Q_род - родниковый сток;
Q_рус - русловую разгрузку в р. Хэйхэ;
Q_ис - эвапотранспирацию с уровня грунтовых вод;
Q_экс - эксплуатацию подземных вод.

Разность приходных и расходных статей баланса формирует изменение запасов водоносного комплекса Q_изм, которое на среднемноголетнем уровне равно нулю.

Рис. 4. Схема формирования баланса потока подземных вод бассейна Хэйхэ: 1 - уровень грунтовых вод; 2 - направление потока; 3 - родники; 4 - питание; 5 - разгрузка; 6 - супеси; 7 - суглинки; 8 - гравийные отложения; 9 - валунные брекчии; 10 - разломы.

По общему балансовому методу выполнены оценки вышеупомянутых составляющих баланса подземных вод (табл. 1).

Уточнение элементов баланса подземных вод и распределения геофильтрационных параметров отложений четвертичного комплекса выполнено с использованием метода балансово-гидрогеодинамического моделирования, позволяющего рассчитывать среднемноголетние элементы баланса и характеристики ресурсов подземных вод различной обеспеченности. Для моделирования используется вычислительный комплекс программ PMWin (ver. 7.0.26) с расчетным модулем геофильтрации ModFlow, который широко применяется как российскими, так и зарубежными гидрогеологами и неоднократно апробирован при оценках эксплуатационных запасов подземных вод.

Таблица 1. Оценка элементов баланса подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ (по результатам общего балансового метода)
Статья баланса	Составляющая баланса, 104 м3/сут
приходные	Инфильтрация атм. осадков	Фильтрация поверхностных вод
	60,3 (13%)	распределительные каналы и поля орошения	р. Хэйхэ	р. Лиюаньхэ	малые реки	итого
		139,7 (29%)	82,7 (17%)	37,8 (8%)	156,7 (33%)	477,3 (100%)
расходные	Эвапотранспирация	Родниковая разгрузка	Разгрузка в реки	Эксплуатация		итого
	82,7 (18%)	171,2 (36%)	187,7 (40%)	29,6 (6%)	471,2 (100%)

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.

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.

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: