Гидрогеодинамическое моделирование формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод

Гончаренко, Дарья Борисовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Гидрогеодинамическое моделирование формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеодинамическое моделирование формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод"

На правах рукописи

Гончаренко Дарья Борисовна

ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНЗ ПРЕС НЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (ПА ПРИМЕРЕ ДРЕВНЕЙ ДЕЛЬТЫ Р. АМУДАРЬИ)

Спеииалг ность 25.00.07 - гидрогеология

АВТОРГФРРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата гсолого-минералогических на\к

МОСКВА-2005

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии геологического факультета Московского государственного университета им М В Ломоносова

Научный руководитель - доктор геолог о-минсралогических наук,

профессор Куваев Андрей Алексеевич

Официальные оппоненты - доктор геолого-мипералошческих наук

Пашковский Игорь Степанович

кандидат геолог о-мипералогических наук, профессор Ленченко Николай Николаевич

Ведущая организация -

ФГУП ВСЬГИНГГО

Защита состоится «06» июня 2005 года в 14 ч. 30 мин на заседании Диссертационного сове i а Д 501 001.30 при Московском государственном университете им М.В Ломоносова но адресу 1 19992, Москва, Ленинские горы. МГУ, геологический факультет, аудитория 829

С лиссертанией можно ознакомиться в бибтиотеке геологического факуль-icra МГУ

Авгорефераг разослан «05» мая 2005 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу 119992,1 CI[-2, Москва, Ленинские горы, MI У им M В. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю Диссертационного совета Д 501 001.30, доктору iеолото-минератогическик. наук, профессору Л С Гара1уле

Ученый секретарь Диссертационного совета, док гор геолого-минералогических наук,

профессор

McejL

Л1Ъ 46£<L

мм

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Линзы пресных подземных вод относятся к особому типу геофильтрационного потока, который характеризуется существенным проявлением взаимодействия пресных и соленых вод. 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. Куни-на, В. Д. Бабушкина, Д. М. Каца, Н. И. Плотникова, В.М. Шестакова, С. III. Мирзаева, Н. Н. Ходжибаева, Н. Г. Шевченко, А. Л. Акрамова, и других исследователей. С 1957 г. исследования условий формирования и разработка методов эксплуатации линз пресных подземных вод проводились в институте ВСЕГИНГВО. В настоящей диссертационной работе в качестве обьекта 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 юдах ПО «Узбекгидро1еоло1ия» 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 гидршеоло1ии МГУ им. М.В.Ломоносова выполнялись исследования по npoeKiy INTAS № 00-1056 «Использование линз пресных подземных вод для хозяйственно-питьевого обеспечения бассейна р. Амударьи», результаты которые ^ "" « or нон v нагтоящей

диссертационной работы.

Актуальность настоящей работы определяется необходимостью- разработки методики гидро( еодинамического моделирования линз пресных подземных вод;

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

- гидро!еологического обоснования оптимальных параметров систем искусственною 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 геофилы рааионно! о hoi ока и скорости формирования линзы;

изучение и количественная интерпретация результатов полевых экспериментов по иск>сственном\ 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 Iеомифационных моделей приречных и приканальных линз древней дельты р. Амударьи. В качестве объектов исследований были выбраны Ча-лышская приречная и Т\рткульская приканальная линзы пресных подземных вод, которые характеризуются шпичными условиями и обеспечены значительным обьемом нат\рных данных. При моделировании геофильтрации и теомиграции использовался пакет программ PMWIN-51 (Chiang W.-H., Kinzellvch W, 2000). Для решения геомиграционных задач, учиты-

вающих плотностную конвекцию, использовалась профамма SEAWAT ГСио \У„ Langevin С. Б., 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 Чалыш-ской 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 искусственною 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 фунтовых вод орошаемых 1срриюрий являются фильтрационные потери из поверхностных водотоков. Ирригационное питание практически полностью компенсируется эвапотранспирацией и дренажным стоком и пс приводи1 к увеличению ресурсов линз,

2) Получены количественные оценки скороеIи формирования приречных линз пресных вод древней дельты р. Амударьи. Показано, что, принимая во внимание постоянно меняющиеся водохозяйственные и !идрологи-ческие 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 плогностные 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 вол 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 штасов.

5) На основе модельных эксперименте 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 кон1уров и 3 водозаборных рядов.

6) Показано, что эффективность сис1счы искусственного восполнения запасов определяется вер шкальной проводимостью ложа инфильтрационно-го контура, мощностью и активной пористостью водовмещающих отложений, рассюянием 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 жепериментов но 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 гид-рогеоло1 ическою обоснования параметров систем искусавенно-го восполнения запасов подземных вод, функционирующих сезонно.

Апробация работы.

По результатам выполненных исследований сделаны научные доклады:

• на Международном семинаре «Проблемы Аральског о pet иона» (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 001056 (Институт гидромеханики и управления водными ресурсами, i. Цюрих, Швейцария, 2004),

• на научном семинаре ЗЛО «Гсолинк 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 1лав и заключения Список использованных источников включает 74 наименования. Работа проиллюстрирована 113 рисунками, содержит 8 таблиц.

Автр выражает глубокую благодарность профессору Л.А Куваеву, под руководством которого осугцесгвлялась 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 P.C. Штснгелов} (каф. гидрогеологии МГУ), директору Института гидромеханики Высшей технической школы г. Цюриха (Швейцария), профессору В. Кинцельбаху и зам. ген директора ЗАО «Гео-линк Консалтинг» (г. Москва), к.г.-м.н. А.А Рошалю, за обсуждение результатов работы и ценные замечания.

Работа выполнена при поддержке гранта INTAS 00-1056

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается се актуальность, формулируются цели и задачи.

ГЛАВА 1. ЛИНЗЫ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДРЕВНЕЙ ДЕЛЬТЫ Р. АМУДАРЬИ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ Дана характеристика линз пресных подземных вод как особого типа геофильтрационного потока. Рассмотрены различные условия формирования линз пресных подземных вод, встречающихся в природе Отмечено, что климатические условия формирования лит пресных подземных вод характеризуются большим mhoi ообразием: наряду с линзами пресных подземных вод, формирующимися в областях с аридным и полуаридным кли-маюм, выделяются линзы на морских побережьях и островах, относящихся к зонам умеренного и тропического климата Размеры линз моту г варьировать в широком диапазоне Наряд} с небольшими линзами, площадь которых составляет не более 1 км2 известны и крупные линзы, занимающие сотни и тысячи квадратных километров. Линзы подземных вод могут быть как естественного происхождения, так и созданными искусственно.

Отмечено, что в настоящее время в Российской Федерации и СНГ на орошаемт,тх территориях с аридным и полу аридным климатом наибольший практический интерес представляют приречные и приканальные линзы пресных подземных вод. Опыт последних десятилетий свидетельствует, что интенсивная эксплуатация линз в ряде случаев приводит к их истощению, что обусловливает необходимость искусственного восполнения запасов пресных подземных вод.

Изучение условий формирования и искусственного восполнения запасов линз пресных подземных вод предлагается провести на примере

приречных и приканальных линз древней дельты р. Амударьи, поскольку линзы, развитые в данном регионе, можно рассматривать как типичные для орошаемых территорий аридной зоны. По данным I идро! соло! ичсских исследований, проведенных на территории древней дельты р. Амударьи в 1989 г., было выявлено 32 линзы пресных подземных вод, которые используются для локального и централизованного водоснабжения. В качестве объектов для дальнейших детальных исследований были выбраны 2 линзы пресных вод, наиболее полно охарактеризованные натурными данными:

• Чалышская приречная линза пресных подземных вод, сформировавшаяся в современных отложениях р. Амударьи около п. Чалыш;

• Турткульская приканальная линза пресных подземных вод. сформировавшаяся в отложениях древней дельты р. Амударьи недалеко от г. Турткуль.

Рассмотрены природные и водохозяйственных условия древней дельты р. Амударьи. Отмечено, чю русло р. Амударьи проходит по командным отметкам местности, что является важнейшим условием формирования крупным приречных линз. По данным гидропоста «Чалыш.» с июня по ноябрь минерализация воды в р. Амударье колеблется от 0,63 до 0,95 г/л, в период межени минератизация воды возрастет до 1,02-1,41 г/л. За последние 25 лет среднегодовая минерализация р. Амударьи по данным гидропоста «Чалыш» увеличилась с 0,68 г/л до 1,13 г/л.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНЗ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Рассмотрены гидрогеологические условия формирования и эксплуатации приречных и приканальных линз пресных подземных вод на примере Чадышской приречной и Турткульской приканальной линз.

Проанализированы данные опытно-фильтрационных опробований четвертичного водоносного комплекса. Показано, что обработку опытных откачек из несовершенных (по степени вскрытия пласта) скважин целесообразно проводить на основе численного моделирования. При этом может быть использована сеточная модель плоскорадиального безнапорного потока или численно-аналитические решения. Для оценки проводимости по данным квазистационарного режима достаточно проведения одноразового моделирования откачки при характерном значении коэффициента фильт-

рации. Данные серии откачек, проведенных в типичных условиях, могут интерпретироваться с использованием предлагаемых формул.

Па основе гидрогеодипамических моделей Чалышской и Турткуль-ской линз проведено уточнение современных условий формирования приречных и приканальных линз и количественная оценка пространственной структуры и баланса потока подземных вод. Показано, что основным источником питания линз в рассматриваемых условиях являкися фильтрационные потери из поверхностных водотоков (р. Амударьи и магиаральных каналов), а основной формой разгрузки - эвапотранспирация.

При геомиграциониом моделировании поток рассматривался как профильный. Режим фильтрации принимался жестким (не \читывалось влияние гравитационной и упругой емкости водовмещаюших огложений). Вариации плотности жидкости учитывались только в уравнении движения геофильтрационного потока. Таким образом, при расчетах сопряженных процессов фильтрации и массопереноса (с учетом плотностной конвекции), определяющих поле минерализации линзы, была использована предпосылка Буссинеска-Обербека

Показано, что время формирования крупной приречной линзы в естественных условиях (при отс>тствии ирригационного питания и дренажа) составляет около 200 лет, длина линзы достигает 2 км. При наличии ирригационного питания и дренажа время формирования линзы увеличивается до 1 тыс лет. ее длина возрастает до 5-6 км (рис 1). Эвапотранспирация при >том практически полностью К0мпенсирус1ся ирригационным питанием, что приводит к увеличению длины линзы. В то же самое время ирригационное питание обуславливает уменьшение латеральных градиентов геофильтрационного потока и снижает расход потока, поступающий из р. Амударьи.

Время формирования приканальных линз составляет десятки лет при размерах линз порядка нескольких сотен метров.

Учитывая постоянно меняющиеся водохозяйственные и гидрологические условия территории, современные границы линз след\ел счисть неустановившимися.

10 лет

Амударья 200 лет

1000м

3000м 5000м

20 лет

ЮООи 3000м 5000м

100 лет

I Амудэр!

7000м

1000м 3000м 5000м

1000 лет

Амударья

1000м

100м- ь Амударья

80м

3000м 5000м

10000 лет

7000м

1000м

3000м

5000м

7000м

1000м

3000м

5000м

7000м

Рис. 1. Результаты моделирования формирования приречной линзы с учетом ирригационного питания и дренажа

Рассмотрено влияние различия плотности подземных вод четвертичных и неогеновых отложений на условия формирования и поле минерализации линзы. Показано, что плот постная конвекция обуславливает сильное размывание границы раздела пресных и соленых вод на внешнем кожуре линзы (рис. 2). Данный эффект объясняется плотностным растеканием соленых вод, посыпающих за счет диффузии из отложений неогена, в направлении, противоположном грунтовому потоку и последующим их диффузионным перемешиванием с пресными водами.

Вследствие плотностных эффектов скорость формирования пресноводной линзы и ее конечные размеры обратно пропорциональны начальной минерализации грунтовых вод

Латеральный геофильтрационный поток линз формируется преимущественно в пределах ее 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 геофильтрационного потока без учета плотностных эффектов

Моделирование эксплуатации Чалышского водозабора показало, что эксплуатационные запасы формируются за счет емкостных запасов (78 %), инверсии эвапотранспирации (12%), инверсии дренажного стока (3%), а также привлечения воды из р. Амударьи (79г). При этом в пределах части водозаборной» ряда, наиболее удаленного 01 р. Амударьи, инверсия эва-иогранспирации и дренажною а ока происходит практически полностью, что. по-видимому, приводит к наблюдаемому увеличению минерализации отбираемой воды Данный эффект может быть также связан с подтягиванием к водозаборным скважинам поливных вод, минерализация которых вслед за минерализацией р. Амударьи возросла к 1999 до 1.2 ]/л. и подтоком минерализованных вод из нео1 еновых отложений.

Показано, что вследствие увеличения среднегодовой минерализации в р. Амударьс до 1,13 г/л (в зимний период минерализация в реке может возрастав до 1,4 г/л), река может рассматриваться как сезонный источник загрязнения подземных вод, что необходимо учитывать при долговременной эксплуатации крупных приречных водозаборов По данным моделиро-

1000м

3000м

5000м

7000м

1ЛП.. к р. Амударья

80м-

1000м

3000м

5000м

7000м

расчетная граница пресных и соленых вод "— (с учетом плотностных эффектов)

расчетная граница пресных и соленых вод ~ ~ (без учета плотностных эффектов)

Рис. 2. Расчетное поле минерализации а) с учетом, б) без учета плотностных эффектов, в) сравнение положения расчетных границ пресных и соленых вод по изолинии 1 г/л, полученных при моделировании с учетом и без учета плотностных эффектов

вания фронт воды от р. Лмударьи достигает водозаборных скважин через 10-20 лет (в зависимости от их удаленности от реки).

Моделирование эксплуатации Турткульского водозабора показало, что его дебит формируется за счет привлечения волы из ирригационного каната Багъяб (48%), притока с боковых границ линзы (33%), инверсии эвапотранспирации (18%), инверсии дренажного стока (1%). Вода, привлекаемая с боковой границы, имеет минерализацию более 1 г/л. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что ресурсы линзы не могут обеспечить сохранения качества отбираемой воды. Это обусловливается низкими фильтрационными свойствами ложа каната Багъяб, и сравнительно небольшой площадью линзы. Показано, что эксплуатационные запасы не могу г быть гакже обеспечены за счет полной инверсии эвапотранспирации на территории линзы.

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.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИСКУССТВЕННОМУ ВОСПОЛНЕНИЮ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Создание искусственных запасов пресных подземных вод в сложившейся обстановке необходимо, л.к. требуемый дебиг подземного водозабора не может быль обеспечен за счет естественных ресурсов линз Ситуация осложняется тем, что подземное магазинирование вод поверхнослных источников может осуществляться только сезонно. В 80 - 90-х годах ПО «Узбекгидрогеология» были проведены полевые исследования по искусственному восполнению запасов линз с использованием систем, состоящих из 2 инфильтрационных контуров. Выполненные работы не дали однозначных результатов, но позволили получить значительный объем натурных данных, которые были проанализированы только на качественном уровне. В данном разделе диссертационной работы на основе численного

моделирования проведен анализ полевых опытов по искусственному восполнению запасов пресных подземных вод.

Были разработаны трехмерные численные геофильтрационные и геомиграционные, модели полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов Чалышской и Турткульской линз. На Чалышской линзе эксперимент с использованием инфильтрационных контуров проводился в течение 2 месяцев. При этом не было получено существенного снижения минерализации отбираемой воды. На Турткульской линзе эксперимент проводился в течение 1.5 лет. Помимо инфильтрационных контуров на данном участке существовал дополнительный сезонно действующий источник пресных вод - ирригационный канал Багъяб. В ходе эксперимента наблюдалось сезонное снижение минерализации отбираемой воды в периоды работы инфильтрационных контуров и ирригационного канала.

Моделирование показало, что вертикальная проводимость ложа питающих контуров в течение 2 месяцев уменьшается вследствие кольмата-ции в 3-4 раза, что резко снижает эффективность работы системы. Магистральный канал практически не влияет на работу системы 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.

В результате калибровки гидрогеодинамических моделей экспериментальных участков был оценен коэффициент гравитационной емкости водовмещающих отложений ¡л. На участке Чалышской линзы он составил 0.12, на участке Турткульской линзы - 0.19. Калибровка геомиграционной модели Чалышского участка позволила оценить активную пористость (п = 0.17), а также параметр продольной гидродинамической дисперсии водовмещающих отложений (а, = 5м). На рис. 3 представлены результаты моделирования зоны опреснения, сформировавшейся на участке Чалышской линзы на момент прекращения полевого эксперимента.

Анализ результатов полевых экспериментов показал, что экспериментальные системы не обеспечиваю! устойчивого снижения минерализации отбираемой воды. Сделан вывод, что постановка и интерпретация по-

200м 400м 600м 800м 1000м 1200м 1400м 1600м 1800м 2000м

I Гн„Гс=Тиаы » -фильтрационный контур

Рис. 3. Зона опреснения, сформировавшаяся на участке Чалышской линзы на момент прекращения опытной эксплуатации (по результатам моделирования)

левых экспериментов по искусственному восполнению запасов подземных вод должны проводиться на основе трехмерных численных геофильтрационных и геомиграционных моделей.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНЗ ПРЕСНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ВОСПОЛНЕНИЯ ЗАПАСОВ.

Проведено модельное обоснование оптимальных параметров систем искусственного восполнения запасов подземных вод применительно к рассмотренным условиям. Режим работы инфильтрапионных контуров определяется не только требуемой производительностью водоотбора, но и наличием пресной воды в источниках питания. Периодичность работы питающих контуров в принципе может быть обусловлена не только сезонным увеличением минерализации воды в поверхностных водотоках, но и их пересыханием, промерзанием питающих контуров в зимний период и т.д. Численные эксперименты были проведены для случая, когда инфильтра-ционный контур обеспечен пресной водой только в течение 5 месяцев в году (с мая по сентябрь включительно).

Поскольку решение трехмерных геомиграционных моделей систем искусственного восполнения запасов подземных вод требует больших вычислительных ресурсов, целесообразно заменить ряд эксплуатационных скважин несовершенной траншей, и рассматривать далее задачу как профильную. Численные эксперименты показали, что различия расчетной минерализация воды в водозаборной скважине, полученные на трехмерной и профильной моделях, не превышают 0,01 г/л (рис. 4а). В связи с этим в дальнейших расчетах были использованы профильные модели.

Влияние вертикальной фильтрационной неоднородности четвертичного водоносного комплекса на результаты вычислительных экспериментов было оценено с помощью профильной тестовой модели с переменным по вертикали коэффициентом фильтрации Результаты тестовых расчетов показывают, что разница расчетной минерализации, полученной на тестовых моделях, не превышает 0.02 I /л (рис. 46). В связи с этим в дальнейших расчетах геофильтрационная среда рассматривалась как однородная, ха-

а)

..... 1 ^Муи/Л / г/4 ц : // : VЧу^ 1 -- ......к 1П г- У 1

профильная модель --трехмерная модель »1-1—'—^-1-1

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

время, сут

б)

200

400

600

800 1000 1200 1400 1600

1800

время, сут

Рис. 4. Расчетное изменение минерализации отбираемой воды: а) полученное на трехмерной и профильной моделях; б) полученное с учетом и без учета вертикальной фильтрационной неоднородности четвертичного водоносного комплекса

растеризуемая эффективным значением коэффициента фильтрации 21 м/сут.

На 1 этапе численные эксперименты с целью обоснования оптимальных параметров систем искусственного восполнения запасов были проведены для двухконтурной схемы. Накопленных за лето запасов пресных подземных вод не хватает для работы водозабора зимой (рис. 5). Запасы пресной воды, создаваемые двухконтурной системой в летнее время, могут быть увеличены за счет увеличения дебита летнего водоотбора, а также увеличения расстояния между инфильграционными контурами Моделирование сезонно действующей двухконтурной системы показало, что она ни при каких обстоятельствах не может обеспечить минерализацию отбираемой воды менее 1 г/л при постоянном в течение года дебите водоотбо-ра.

На 2 этапе численных экспериментов было показано, что в условиях, когда питающие контуры мо!ут быть обеспечены пресной водой только в летнее время, для сохранения стабильного дебита водоотбора и качества отбираемой воды необходимо использовать площадную систему размещения водозаборных рядов и инфильтрационных контуров. При этом система искусственного восполнения запасов должна включать, как минимум, 3 блока, из которых крайние блоки (2-й и 3-й) являются аккумулирующими, а центральный блок (1-й) - эксплуатационным. Условия функционирования многоконтурной системы искусственного восполнения весьма чувствительны к параметру 2а (расстоянию между инфильтрационными контурами). Оптимальное значение параметра 2а для рассмотренных условий составляет по данным моделирования 200 м Рекоментуемые в литераторе значения данного параметра варьируют в диапазоне: от 200 - 250 м и, соответственно, требуют уточнения в каждом конкретном случае с использованием численного моделирования.

Рассмотрено влияние плотное! ной конвекции на поле минерализации и положение границы пресных и соленых вод при моделировании такого рода задач. Показано, что положение границы пресных и соленых вод в варианте с учетом и в варианте без учета нлотностной конвекции практически не отличается Плотностная конвекция не оказывает существенного влияния на положение границы пресных и соленых вод при работе сис-

ю о

а)

б)

-20м

-50м

-80м

200м 400м

-20м

-50м-

-80м

инфильтрационный контур

фильтр эксплуатационной скважины

Рис. 5. Расчетные профили минерализации при работе двухконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод с постоянным дебитом водоотбора: а) при работающих питающих контурах; б) при не работающих питающих контурах

темы искусственного восполнения запасов и может не учитываться при геофильтрациопных и геомиграционных расчетах.

Была проанализирована чувствительность модели системы искусственного восполнения запасов к возможным вариациям мощности, коэффициента гравитационной емкости, коэффициента фильтрации, активной пористости эксплуатируемого водоносного пласта.

Минимальные и максимальные значения коэффициента гравитационной емкости и активной пористости задавались по литературным данным для песков. Минимальное и максимальное значение коэффициента фильтрации водовмещающих отложений задавались по данным опытных опробований и по литературным данным для территории древней дельты р. Амударьи. Минимальное и максимальное значение мощности эксплуатируемого водоносного горизонта задавалось по литературным данным для территории древней дельты р. Амударьи.

Режим минерализации отбираемой воды, полученный при минимальных и максимальных значениях параметров, сравнивался с базовой моделью, учитывающей оптимальные значения параметров, полученные при калибровке.

Проведенные расчеты показали, что вариации коэффициента фильтрации и гравитационной емкости эксплуатируемого водоносного горизонта в реальных диапазонах их изменения не оказывают существенного влияния на условия функционирования системы искусственною восполнения запасов. Указанные параметры не требуют детальных оценок при обосновании оптимальных характеристик систем искусственного восполнения в рассматриваемых условиях. Можно заключить, что эффективность работы системы искусственного восполнения запасов определяется вертикальной проводимостью ложа инфильграционного контура, мощностью (рис. 6.7) и активной пористостью водовмещающих отложений (рис. 8,9).

В условиях сезонной работы питающих контуров, ясное предствле-нис 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

время, сут

Рис. 6. Режим минерализации отбираемой воды при различной мощности эксплуатируемого водоносного горизонта (по данным моделирования)

т = 25 м т = 25м б>

■ инфильтрационный контур | эксплуатационная скважина

Рис. 7. Профили минерализации а) при работающих питающих контурах; б) при не работающих питающих контурах (по данным моделирования)

активная пористость •п = 0.17 0.1

400

800 1200 время, сут

1600

2000

Рис. 8. Режим минерализации отбираемой воды при различной активной пористости эксплуатируемого водоносного горизонта (по данным моделирования)

11 = 0,1

инфильтрационный контур I эксплуатационная скважина

Рис. 9. Профили минерализации а) при работающих питающих контурах; б) при не работающих питающих контурах (по данным моделирования)

водозаборный ряд как несовершенную траншею и использовать профильные геомиграционные модели. Плотностные эффекты при этом могут не приниматься во внимание.

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении подводя 1ся итоги работы, формулируются основные ее результаты и защищаемые положения.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1) Основным источником формирования приречных и приканальных линз пресных грунтовых вод являются фильтрационные 1101 ери 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 приканатьных 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 тидрологичсские 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. Плотноегная конвекция обусловливает характерное плавное изменение минерализации грунтового потока в плане и разрезе на внешней границе линзы. Латеральный геофильт-ранионный поток линзы формируется преимущественно в пределах опресненной зоны. В зоне перехода от пресных вод к соленым расходы лат е-

рального потока пренебрежимо малы. Принимая это во внимание, гидро-геодинамическое 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 искуСС1 венного восполнения их запасов. Эксплуатация линз пресных вод в сложившихся условиях должна осуществляться с помощью многоконгурных систем искусственного восполнения запасов, состоящих, как минимум, из 4-х инфильтра-ционных 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 производился на основе численного моделирования. С целью упрощения модельных расчетов при этом можно использовать профильные геомиграционные модели, рассматривая водозаборный ряд как несовершенную траншею

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

• I ончаренко Д. Б.. Кочеткова Р. П., Куваев А. А. Изучение гидрогеохимических условий семиаридной зоны с использованием многомерного анализа // Сб. «Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование». М Изд-во РУДН, 2003.

• Гончаренко Д. Б., Кочеткова Р. П., Куваев А. А. Региональная характеристика минерализации и химического состава грунтовых вод в

условиях засушливою климата с использованием статистического анализа // Междунар. межвуз. сб. «Проблемы современной гидрогеохимии ».Новочеркасск, 2003.

Гончаренко Д. Б., Куваев Л. А. Моделирование искусственною восполнения эксплуатационных запасов Чалышской линзы пресных вод // Материалы Международного симпозиума «Загрязнение пресных вод аридной зоны: оценка и уменьшение». Ташкент, 2004. Гончаренко Д. Б. Изучение условий формирования ресурсов и качества подземных вод Чалышской линзы с использованием численного моделирования // Материалы Международного симпозиума «Загрязнение пресных вод аридной зоны: оценка и уменьшение». Ташкент,

2004.

Гончаренко Д. Б. Численное моделирование систем искусственного восполнения запасов пресных подземных вод приречных и приканальных линз Хорезмского оазиса (Узбекистан) // Материалы VI Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геология XXI века», Саратов, 2005. Гончаренко Д. Б. Условия формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод в дельте р Амударг.и //Официальный сайт ЗАО «Геолинк Консалтинг», www.geolinkgroup.com, 2005. Kinzelbach W, Khodjibaev A., Kuvaev A , Goncharenko D. Improvement of drinking water supply in the Amu Darya basin by using groundwater resources of fresh water lenses. INTAS reference number' 00-1056. Final report www.intas.be, 2005.

Гончаренко Д. Б., Куваев А А. Обоснование параметров системы искусственного восполнения запасов подземных вод Чалышской линзы (Узбекистан) с использованием численного моделирования // Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, № 9,

2005. (В печати).

Д. Б. Гончаренко, В. М. Шестаков Интерпретация опытных откачек из несовершенных скважин с использованием численного моделирования. Вестник МГУ, серия 4 геология, № 4, 2005. (В печати).

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологическою ф-га МГУ Т ираж 12.0 экт. Зака! № £ ^

1-7325

РНБ Русский фонд

2006-4 4829

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Гончаренко, Дарья Борисовна

Введение.

1. Линзы пресных подземных вод древней дельты р. Амударьи как объект исследований.

1.1. Фундаментальные представления об условиях формирования линз пресных подземных вод и их типизация.

1.2. Природные условия территории древней дельты р. Амударьи.

1.2.1. Физико-географический очерк.

1.2.2. Геологическое строение.

1.2.3. Гидрогеологические условия.

1.3. Характеристика водохозяйственных условий.

1.4. Выводы по главе 1.

2. Моделирование условий формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод.

2.1. Чалышская приречная линза.

2.1.1. Гидрогеологические условия.

2.1.2. Характеристика фильтрационных свойств водовмещающих отложений по данным опытных откачек.

2.1.3. Разработка гидрогеодинамической модели Чалышской линзы.

2.1.3.1. Обоснование геофильтрационной схемы.

2.1.3.2. Калибровка модели.

2.1.3.3. Обсуждение результатов моделирования.

2.1.4. Разработка геомиграционной модели Чалышской линзы.

2.1.4.1. Обоснование геофильтрационной и геомиграционной схемы

2.1.4.2. Обсуждение результатов.

2.1.5. Моделирование условий эксплуатации.

2.2. Турткульская приканальная линза.

2.2.1. Гидрогеологические условия.

2.2.2. Разработка гидрогеодинамической модели Турткульской линзы.

2.2.3. Разработка геомиграционной модели Турткульской линзы.

2.2.4. Моделирование условий эксплуатации.

2.3. Выводы по главе 2.

3. Моделирование полевых экспериментов по искусственному восполнению запасов пресных подземных вод.

3.1. Полевой эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод на Чалышской линзе пресных вод.

3.1.1. Условия проведения полевого эксперимента.

3.1.2. Разработка гидрогеодинамической модели.

3.1.2.1. Обоснование геофильтрационной схемы.

3.1.2.2. Калибровка модели.

3.1.2.3. Обсуждение результатов моделирования.

3.1.3. Разработка геомиграционной модели.

3.1.3.1. Обоснование геомиграционной схемы.

3.1.3.2. Калибровка модели.

3.1.3.3. Обсуждение результатов моделирования.

3.1.3.3. Обсуждение результатов моделирования. 3.2. Полевой эксперимент по искусственному восполнению запасов подземных вод на Турткульской линзе пресных вод.

3.2.1. Условия проведения эксперимента.

3.2.2. Разработка гидрогеодинамической модели.

3.2.2.1. Обоснование геофильтрационной схемы.

3.2.2.2. Калибровка модели.

3.2.2.3. Обсуждение результатов моделирования.

3.3. Выводы по главе 3.

4. Моделирование эксплуатации линз пресных вод с использованием искусственного восполнения запасов.

4.1. Обоснование методики моделирования.

4.1.1. Геофильтрационная схема.

4.1.2. Геомиграционная схема.

4.1.3. Оценка возможности замены трехмерной модели профильной.

4.1.4. Оценка влияния вертикальной геофильтрационной неоднородности четвертичных отложений.

4.2. Моделирование двухконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод.

4.3. Моделирование четырехконтурной системы искусственного восполнения запасов подземных вод.

4.3.1. Постановка тестовых прогнозных расчетов.

4.3.2. Обсуждение результатов.

4.4. Анализ чувствительности модели системы искусственного восполнения запасов подземных вод к вариациям геофильтрационных и геомиграционных параметров эксплуатируемого водоносного пласта.

4.5. Выводы по главе 4.

Выводы и защищаемые положения.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидрогеодинамическое моделирование формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод"

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;

- гидрогеологического обоснования оптимальных параметров систем искусственного восполнения запасов линз.

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;

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:

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:

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

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),

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.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Гончаренко, Дарья Борисовна

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.

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.

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.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Гончаренко, Дарья Борисовна, Москва

1. Опубликованные

2. Аверьянов С. Ф. Фильтрация из каналов и ее влияние на режим грунтовых вод. Влияние оросительных систем на режим грунтовых вод. М.: АН СССР, 1956.

3. Акрамов А. А. Исследования очистки при искусственном пополнении запасов подземных вод. Вопросы гидрогеологии ноосферы. Ташкент: САИГИМС, ГИДРОИНГЕО, 1980. Вып. 6.

4. Акрамов А. А. Искусственное формирование и пополнение запасов прирусловых линз пресных вод, Ташкент, Изд-во «Фан» Узбекской ССР, 1989.

5. Алексеев В. С. Гидрогеология и инженерная геология. Опыт накопления пресных вод в водоносных пластах с солеными водами. М., 1975.

6. Алексеев В. С., Боголюбов К. С., Никольская Е. А. Отечественный и зарубежный опыт искусственного пополнения запасов подземных вод. В кн.: Итоги науки и техники, серия «Гидрогеология и инженерная геология» Т. 3, М., 1964, (ВИНИТИ).

7. Бабушкин В. Д., Глазунов И. С., Гольдберг В. М. Основные принципы эксплуатации и оценки запасов крупных линз пресных вод. Госгеолтехиздат, 1962.

8. Бабушкин В. Д. Глазунов И. С., Гольдберг В. М. и др. Поиски, разведка, оценка запасов и эксплуатация линз пресных вод, М., Недра, 1969.

9. Берг JT. С. Аральское море. «Изв. Туркест. отд. Русск. геогр. об-ва», т. 5, Научные результаты Аральской экспедиции, вып. 9., СПб., 1908.

10. Берг JT. С. Избранные труды. Т. 3, Средняя Азия. Лесс. Изд-во Академии наук СССР, М., 1969.

11. Боревский Б. В., Дробноход Н. И., Язвин Л. С. Оценка запасов подземных вод. Киев, «Выща школа», 1989.

12. Боровиков В. П. Программа статистика для студентов и инженеров. 2-е издание М., Компьютер Пресс, 2001.

13. Бурчак Т. В. Инфильтрационные бассейны. Киев, Будивельник,1978.

14. Бурчак Т. В. Искусственное пополнение подземных вод. Расчет бассейнов и их систем. Киев, 1986.

15. Всеволожский В. А. Основы гидрогеологии М. Изд-во Моск. ун-та. М., 1991

16. Гавич И. К. Гидрогеодинамика. М., Недра, 1988.

17. Геология СССР, т. 23, Узбекская ССР, Геологическое описание, книга 1, Недра, М., 1972.

18. Георгиевский Б. М. Гидрогеологические процессы и основные закономерности динамики грунтовых вод в Южнохорезмском оазисе, Материалы по гидрогеологи и инженерной геологии УзССР, вып. 25,1997.

19. Гидрогеология СССР, т 39, Узбекская ССР, Недра, М„ 1971.

20. Глазунов И. С., Роговская Н. В. Методы гидрогеологических исследований и расчетов для обоснования магазинирования пресных вод. (ВСЕГИНГЕО), М., 1968.

21. Гончаренко Д. Б. Изучение условий формирования ресурсов и качества подземных вод Чалышской линзы с использованием численного моделирования. Материалы Международного симпозиума «Загрязнение пресных вод аридной зоны: оценка и уменьшение». Ташкент, 2004.

22. Гончаренко Д. Б., Кочеткова Р. П., Куваев А. А. Изучение гидрогеохимических условий семиаридной зоны с использованием многомерного анализа. В сб. «Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование». М., Изд-во РУДН, 2003.

23. Гончаренко Д. Б., Кочеткова Р. П., Куваев А. А. Региональная характеристика минерализации и химического состава грунтовых вод в условиях засушливого климата с использованием статистического анализа. В25.28,29,30,31,32.33,34,35,36.

24. Гончаренко Д. Б., Куваев А. А. Моделирование искусственного восполнения эксплуатационных запасов Чалышской линзы пресных вод. Материалы Международного симпозиума «Загрязнение пресных вод аридной зоны: оценка и уменьшение». Ташкент, 2004.

25. Григорьев В. М. Из опыта эксплуатации инфильтрационных водозаборов. -«Труды института ВОДГЕО». М., Госстройиздат 1958.

26. Кац Д. М. Режим грунтовых вод в орошаемых районах и его регулирование, издательство сельскохозяйственной литературы, журналов и плакатов, М., 1967.

27. Кац Д. М. Влияние орошения на грунтовые воды М., «Колос», 1976. Кац Д. М., Шестаков В. М. Мелиоративная гидрогеология МГУ, 1992. Кирюхин В.А., Толстихин Н.И. Региональная гидрогеология. М.: Недра, 1987.

28. Крайнов С. Р., Швец В. М. Гидрогеохимия. М., Недра, 1992. Краткое руководство по проектированию инфильтрационных сооружений для искусственного пополнения подземных вод с целью хозяйственно-питьевого водоснабжения. АКХ РСФСР. М., 1972.

29. Крылов М. М. Изучение баланса грунтовых вод орошаемых районов Узбекистана, АН УзССР, 1950.

30. Линзы пресных вод пустыни. Методы исследования, оценки ресурсов иэксплуатации. Издательство Академии наук СССР. М., 1963.

31. Лукнер Л. Шестаков В. М. Моделирование геофильтрации. М. «Недра»,1967.

32. Мирзаев С. Ш. Запасы подземных вод Узбекистана, Издательство «Фан» Узбекской ССР, Ташкент, 1974.

33. Мироненко В. А. Динамика подземных вод. Изд. МГГУ, М., 1996. Нейман Ю. Вводный курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1968.

34. Обзор зарубежных работ по линзам пресных вод за период с 1889 по 1964 гг., серия Гидрогеологи и инженерная геология. Вып. 2. М., ВСЕГИНГЕО, 1966.

35. Питьева К. Е. Гидрогеохимия. Московск. ун-та, 1988.

36. Плотников Н. И., Плотников Н. А., Сычев К. И. Гидрогеологические основы искусственного восполнения запасов подземных вод М., Недра, 1978. Рахимбаев Ф. М. Испарение грунтовых вод в Южном Хорезме. «Узб. Геол. Ж.», 1962, №4.

37. Рекомендации по проектированию сооружений для искусственного пополнения подземных вод с целью хозяйственно-питьевого водоснабжения. М., Изд. АКХ, 1976.

38. Руденко Т. В. Исследования инфильтрационных бассейнов в периоды их чисток. В сб.: «Мелиорация и водное хозяйство». Вып. 7. Киев, «Урожай», 1968.

39. Шевченко Н. Г. Закономерности распространения и формирования линз пресных вод пустынь и опыт рациональной их эксплуатации. Ашхабад: Иным., 1982.

40. Шестаков В. М. Гидрогеодинамика. Изд-во Московск. ун-та., 1995. Шестаков В. М. Нечеверя И. К. Теории и методы интерпретации опытных откачек. Изд-во Московск. ун-та, 1998.

41. Янчев В. К., Бурчак Т. В., Коджаспиров А. А. Искусственное восполнение подземных вод Украины, Киев «Наукова Думка», 1980. Armany A. Waste treatment for ground water recharge. «Internat. J. Air and Water Pollut.», 1965, 9, N 10.

42. Kinzelbach W. und Rausch R. Grundwasser-modellierung. Gebruder Borntraeger, Berlin Stuttgart 1995.

43. Oude Essink, G.H.P. Density Dependent Groundwater Row. Utrecht University. Utrecht, 2000.

44. Ponce V. M., Pandey R. P., Kumar S. Groundwater recharge by channel infiltration in El Barbon basin, Baja California, Mexico, «Journal of Hydrology», Elsevier, № 1-4, 1999.

45. Vandenbohede A., Lebbe L. Numerical modelling and hydrochemical characterization of a fresh-water lens in the Belgian coastal plain. «Hydrogeology Journal» Springer Berlin, т. 10, № 5, 2002.

46. Voss C.I., Sousa W.R. Variable density flow and solute transport simulation of regional aquifers containing a narrow freshwater-saltwater transition zone. Water Resour. Res., 23 (10), 1851-1866, 1987.

47. Weixing Guo, Christian D. Langevin: User's Guide to SEA WAT: A Computer Program for Simulation of Three-Dimensional Variable-Density Ground-Water Flow. U.S. Geological Survey Open-File Report 01-434, Tallahassee, Florida, 2002.

48. Кац Д. M. Закономерности режима грунтовых вод и принципы регулирования его в орошаемых районах Узбекистана. Докторская диссертация, М., 1958.

49. Милушаускас Ю. С. Экспериментальные исследования осветления некоагулированной воды р. Нерис и изучение работы инфильтрационных бассейнов. Диссертация. Каунас, 1971.

50. Мавлютов С.А. Балуева Т.П. Отчет о предварительной и детальной разведке пресных грунтовых вод на Багьябском месторождении (участок «Ильича») для водоснабжения г. Турткуля и 5-ти колхозов Турткульского района 19791981 гг. Ташкент, 1981.

Информация о работе

Гончаренко, Дарья Борисовна
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2005
ВАК 25.00.07

Диссертация

Гидрогеодинамическое моделирование формирования и эксплуатации линз пресных подземных вод - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы