Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Моделирование подземного водного и солевого обмена в котловине Аральского моря на современном этапе и прогнозы их изменения

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование подземного водного и солевого обмена в котловине Аральского моря на современном этапе и прогнозы их изменения"

МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ У'ДВЕКОКОН ССР

•Производственное объединение "Узбекгилрогеолнпш" Институт гидрогеологии п инженерной ^геологии (ГИДРОИНГЕО) им. О.К.Ллиге

На нравах рукописи

ЗОЛОТАРЕВ'ВЛАДИМИР ПАВЛОВИЧ

УДК 556.3:681.3

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО ВОДНОГО И СОЛЕВОГО ОШЕНА В КОТЛОВИНЕ АРАЛЬСКОГО МОРЯ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ И ПРОГНОЗЫ ИХ 1ШЕНШШ

04.00.06 -Гидрогеология

Автореферат • диссертации на ооискание учено!! отепоит кандидата технических наук

Ташкент - 1920

Района выполнена в Института гидрогеологии и гидрофизики Академии Наук Казахской ССР им. У.М.Ахмедсафина,

Научный руководитель: доктор геолого-мпнералэгичаоких наук,

старший научний оптрудшш Шапиро С»М,

Научный консультант: кандидат х'волого-нинсралогических наук, старший научний сотрудник Ванникова Т.Н.

Официальные оппоненты: доктор геолого-шшералогическюс наук,

профессор Зекцер И.С., кандидат тохвичоских наук, старший научный сотрудник Хабибулдаев И.Х»

Ведущая организация: Центральная гидрогеологическая экспедиция Каэахокоги главного геологического управления "Кавгеология",

Защита состоится и на ваоедании Специализированного Совета Д 071,01,01 по защите диссертаций на ооискание ученой степени докторов наук по специальности 04,00,06 (гидцш'еология) при Институте гидрогеологии и инженерной геологии (ГИДРОИНГЕО) мм, О.К.Ланге ПО "Узбектадрогеология" Министерства геологии УбССР по адресу: 700041, г,Ташкент, ГСП, ул, Морозова,' 64, .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ГИДРОИНГЕО. ^

Автореферат разослан ____г, .

Ученый секретарь Специализированного Совета ( Якубива Р,А,

0РП1ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

ИнтонсившЧ отбор воды Амударьи и Сырдарьп повлек яа ообоЛ значительное снижение уровня Аральокого моря. К настоящему времени площадь моря уменьшилась на 12?, его объем сократился ча (1Q%, a опленость воды достигла 31 v/л. 'Гаков сшигение является отличительно!'! чертой современного роотма моря, но имеющего аналогов при естественных колебаниях уровня.

Обсыхающее дно Аральского моря становятся очагом развития пнльнмх и солевых бурь, охватывающих вначптельчое пространство. Одним из источников появления оолеЛ в обеохшс.м дне моря являются подземные воды, разгрутгакудаесл в котловине. Количественная и про-' гнозная оценка условий" и источников (Нормирования солевой мпоси в котловине моря является одной из важнейших додач общей Аральской проблемч, решения которой позволит разработать комплекс защитных рекомендаций по улучшению экологического состояния региона.

_Цел н поИ_ jpado гы_

Диссертационная работа посвящена исследованию на основе математического моделирования процессов подземного водного и солевого обмена, мелового напорного комплекса о донннми отложениями в котловине Аральского моря. Основные задачи диссертации сводятся к следующему:

Разработка методики моделирования подземного водного и соленого обмена в котловинах крупных водоемов аридно!) зоны в уело-пнях понижения их уровня.

Оценка величины засоления зоны оорации в обсыхающей части котловшш Аральского моря на современном, этапе и прогнозы итого засоления на лЮСО год,

_ У § 3:2 ¿' 53 5!!; 2 L52 !i L1 i!..

Исходя из поставленных задач общая методика работ» базируется на применении чпелетшх (методов решения систем дилеранциа-лышх уравнения в частных производных второго порядка параболического и элдитнческого типа, ra теоретических и полш-их коел-даидшь ях, на балансовых методах расчета с учетом геолога-г'лирогео noj ческих особенностей котловины.

1, Разработана и теоретически обоснована методика моделирования подземного водного и солевого обмена в котловине Аральоко-го моря, которая моквт быть применена для других крупных водоемов аридной воны.

2, С помощью граничных условий на модели представилось возможным выделить котловину Аральского моря как обособленную гидродинамическую систему,

3, Построена математическая модель котловшш Аральского моря для трехслойного гидрогеологического раареаа и зоны аэрации осушенного дна о учетом влияния литолого-фациальных особенностей, подземного стока, испаряемости с уровня грунтовых вод, их минера-, лизации и солевого состава, а также изменений, площади акватории моря,и срабртки напоров подаемнчх вод.

_П£актическое_ьначение_£абйти_

Оценены источники привноса и выноса солевой маосы на обсохшем дне котловины Аральского поря ва счет подземных вод, что имеет ьакное вначение душ прогновирования развития негативных последствий в Приаралье и дает возможность разработать комплеко мероприятии по снижению этих последствий. Помимо ьтого, разработанная методика моделирования позволила уточнить геологическое строение котловины и ее гидрогеологические условия.

Разработанная методика решения обратных вадач внедрена в практику работ Института гидрогеологии и гидрофизики АН КазССР, Отдельныз положения диссертации, по мере их готовности передавались в САШС1РИ и ЩТЭ "Каэгеология".

_Ап£Обауия_работы_

Основные положения диссертации докладывались на научном се-мипаре кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геокриологии МГУ им.М,В,Ломоносова "Региональные гидрогеологические, инженер-иэ-геэ.;огкчеокие и геокриологические исследования в целях охраны геологический среды" (Москва, 1389 г.), на техническом совете ПО

"Узбекгидрогеологил" (Ташкент, 1989 г;), на расширениям заседании лаборатория гидрогеологического моделирования (Алма-Ата, 19ЭД г.) и на заседании секции мониторинга подземных вод и мелиоративной Гидрогеологии института ГИДРОИНГЕО ПО "Узбекгидрогеологил" (Trais кант, 1990 г.).

По томе диосортацпи опубликовано 5 научннх отатей, I монография (п ооавторстве) и I статья передана в печать.

- 2 JPi 51 раб о ту_

Диссортация состоит из введения, четнрох глав, заключения общим объемом 139 страниц машинописного текста, включал 36 рисунков и описок литератури из 144 наименований.

Автор внрагяет благодарность научному руководителю, доктору roojft го-минералогических наук С.М.Шапиро, научному консультанту, отаршему научному сотруднику, кандидату геолого-ыиноропогичоских наук Т.Н.Виннпкопой, а также воем сотрудникам, принявшим участие в работо - советом, помощью или критическими замечаниями: ведущему научному сотруднику, кандидату геолого-мииералогичцских нпук О.В. . Подолыюму, ведущему ночному сотруднику, доктору геолого-минералогических наук В.И.Порядину,

ГЛАВА I, КОТЛОВИНА АРАЛЬСКОГО МОРЯ И ЕЕ .СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Котловина Аральского моря приурочена к центральной части Гуран око fl плит« в продолах Узбекской и Казахской ССР, Само море питается крупнейшими реками Сродна!! Авии - АмударьеН и Снрдарьей, До 1961 года уровень моря находился на отметке около. 53 м., площадь его акватории составляла GG тис,га,i^, а объом води 1062 км**. Здесь находилось более 300 островов, наибольшими из которт: били Кокарал, Возрождения и Барсакольмоо, Зона мелководий относится к восточному и южному побережьям моря, охватывая ирострг.ногла от устья Снрдарьи на соверо до острова Толличова па'юге. До 1У31 г, вдось преобладали глубшш в .5-6 м., достигал в отдельных меотах 10 м.

Климат района резкоконтинентальный, внра.тли!|ийся в большой внутригэдомй изменчивости 'климптачоекпх условий. Среднегодовое •

количество осадков составляет около 130 мм. Максимальное их количество выпадает весной.

Неоднородность диалогического отроения обнакившихоя донных осадков создает значительную изменчивость в формировании почвенного покрова обсыхающей территории, D начальный период обнажения донных осадков вне зависимости от их диалогического состава, в . пределах примыкающих к морю участков формируются маршевые и при- , морские солончаки, В »то время здесь отмечается интенсивное и уо-тойчивое засоление поверхностного слоя. В дальнейшем на отлошш-ях легкого гранулометрического состава приморские солончаки постепенно замещаютоя в приморские пеочаные почвы с навеянным пеоча-ным чахлом и очагами дефляции. В многолетнем плане происходит постеленное рассоление песчаных почв. Интенсивность этого процесса зависит от проточности грунтовых вод и подпитывания со стороны ортеаианокого напорного комплекса, а также от процессов дефляции и эоловой аккумуляции. На грунтах тяжелого гранулометрического состава приморские солончаки постепенно преобразуются в пухлые, корково-пухлые и отакыривающиеся оолончаки. После продвижения капиллярной каймы вглубь грунтов начинается процесс их отакнривания, Незначительное промывание поверхностного слоя атмосферными осадками не способствует его интенсивному рассолению.

Широкое распространение процесса соленакоиления овяаано с аридными климатическими условиями района, близким от поверхности валогааием грунтовых вод в прибренной полосе и капиллярностью почвы. Эти факторы приводят к образованию приморских солончаков. Содержание солей во вновь формирующихся почвогрунтах меняегоя в в направлении от уреза воды в глубь суши, Непосредственно у моря процесс соленакопления выражен слабо. Далее идет зона активного повременного оолонакопления, достигающая ширины нескольких километров, Вслед за отой зоной ь сторону бортов котловины уровни грунтовых вод ионикатася и здесь намечается зона слабого современного засоления, В области современного соленакопления гидротермические условия способствуют высокой-динамичности солевых Процессов, Здесь возможен мгновенный выноо солевых скоплений о поверхности грунтов ветром. По наблюдениям иа космоса пылесоле-виэ шброом из очагов возникновения достигают 400-500 км. По опытным замерам проведенным Институтом почвоведения АН КазССР в Т9&0 г, максимальная окорооть оолового вынооа рыхлого грунта о осушенной территории составляет 3,7 см/год. Но геоморфологичео-

ким наблюдения!) П.М,Богдановой эта скорость еще лг-тю и стп'-тт^т 5-8 ом/год.

Дефляционно-аккумулятивные процессы наиболее широко развиты на промытых и хорошо отсортированных песчаных пространствах приуроченных к отмелям-борам, Под влиянием ветра яд<?сь возникопт ханные цепи, вытянутые несколькими параллельными рядами. Основными районами распространения барханных форм являются юго-восточное и восточное побережья моря. Высота барханов по аэровизуальным наблюдениям составляет 5-7 м.

Пустынная растительность способствует мобилизации и выносу солей на поверхность из глубоких почвенных слоев и, следовательно, является посредником полового выноса,

В зимнее время, при испарении льда,- включенный в него сульфит натрия остается па его поверхности в виде пушонки тенандритя, которая также выносится ветром,

В геологическом строении котловины" Аральского моря участвуют кайнозойские, мезозойские и палеозойские отлояенпя. Мезозойская группа представлена отложениями неокома, апта, сономана, турона, сенона общей мощностью до 2 км. В разрезе отложений преобладают глины, алевролиты, песчаники и пески. Кайнозойская группа представлена отложениями палеогена, неогена и четвертичными осадками. Палеогеновые отложения имеют почти повсеместное распространение и представлены в основном глинами и алевролитами достигая мощности до 500 м» в центре котловины. На выходах мела в районе вала Архангельского палеогеновые отложения размыты.• Неогеновые отлояония, содержащие глины, пески и песчаники плиоцена ограниченно распространены в Приаральо и достигают мощности 80-100 Мг Четвертичная система представлена в восточном и южном Приаральо аллювиальными отложения*и» Литолотачески они характеризуются переслаивающимися песками,, супесями,, суглинками приуроченными к древним протокам рек. Мощность аллювия не превышает 25 м. Современные четвертичные отлокения распространены я самой котловине повсеместно и по мощности не превышают 10 и,

В гидрогеологическом разрезе выделяются два водоносных этога. Нижний гидрогеологический отак содержит водоносные горизонты и комплексы меловых отлогенип, Подземные воды обладают значительным напором и превышают поверхность земли и береговой части на Ю-¿Ом, Мощность, степень обводненности меловых пород в пределах самой котло'чмш йеодппакпрц. Нп.го'опее мирерализэдоннно• иодземнио годы

- в -

приурочены к водоносным горизонтам верхнего мала. Плотный остаток солей изменяется от 1-3 т/л (восточное и северо-восточное Приара-льь) до 50 т/л на оотраве Возрождения и до 60 т/л в западной чао-ш котловины, Шшпеыеловые отложения содержат высокоминерализо-нанные воды более 100 т/л в западном Приаралье на плато Устюрт.

Начиная о 1965 г., в результате сокращения притока речных ьод, уровень Аральокого моря стал падать, достигнув к 1909 г. отметки 39 м. Площадь обсыхающей полосы составила к атому времени более 28 гио. км2, В покровных осадках обсохшего дна образовался горизонт грунтовых вод, глубина залегания которого изменяется от О до 4 м. Минерализация воды изменяется здесь от 10 до 100 гУл и более. Существует прямая зависимость степени и характера засоления осушенной полооы котловины от литологии дошшх ооадков, от режима и минерализации грунтовых вод, продолжительности осушения, геоморфологии дна и рада других условий, влияющих на аккумуляцию и перераспределение солей в зоне аэрации грунтового горизонта. Процесс соленакопленкя происходит главным образом за счет капиллярного подтягивания выоокоминерализованных грунтовых вод,

ГЛАВА П, ПОДЗЕМНЫЙ ВОДООБМЕН В КОТЛОВИШ 1СРУПШХ ВОДОЙ,ЮВ АРИДНОЙ ЗОНЫ

Дан анализ существующих разработок, относящихся к изучению (таких сложных гидрогеологических сиотем как крупные внутренние водоемы аридной зоны, Расомотринй методы математического и аналогового моделирования и возможности их применения при изучении подземного водообмена морей о нижележащими водонапорными комплексами.

Изучению вопрооов, связанных о исследованиями подземного стока в крупные водоемы посвящены работы В.Н.Бортника, В.М.Гольдбер-га, Р.Г.Дкамалова, И.С.Зекцера, В.П.Львова, Д.У.Шралиева, И.О. Иащковского, О.В.Подолышго, В.И.Поредина, Ж.С.Сыдыкова, Н.НДод-кибаева, И,».Черненко, С.М.Шапиро,

Многие исследователи (В.Н.Бортник, В.П.Львов и др.) определяли подземный сток в моря, как остаточный член уравнения среднемио-галетного водного баланса, Расчитанное таким образом значение подземного стока целиком зависило от точности замеров речного стока, ооадков, испарения и естественно включало в себя все погрешности их измерения. Нередко оумма этих погрешностей превышала сану величину подземного стока непосредственно в море. С другой стороны, вычисление нодэемного стока гидродинамическими методами давало

возможность более точно судить о расчетах других элементов го баланса,

Величина и направленность подземного сток? зависит от Фильтрационных свойств водэвмещанщих пород основных водоносных комплексов. Как правило водопроводимости водонапорных систем под шглато-рией моря не известим и гх величина оценивается по известным мощностям и установленным в пределах пэберожиЯ коэффициентам фшьт^я-ции. Такой подход не учитывает генезиса котловины и ухудшения фильтрационных свойств водовмещастпга пород зону затрудненного водообмена, что в свою очередь ведет к ухудшению результатов исследования при построении потенциальной поверхности льезоуровпой в пределах всей котловины моря.

Используя метод распределенного водного баланса ( Г.Д.Шнейдерман) на основе выделения эталонных ячеек оетки фильтрации можно повысить точность производимых расчетов и качество прогнозных задач.

Оценка подземного водного и солевого притока в Аральское мире по меловому напорному комплексу ведется с 1962 г. многими гидрогеологами. В работах В.П.Львова, И.С.Пашковского, Ж.С.Сыдшкова, Н.Н.Ходстибаова, И.М.Черненко подземный сток в море варьировал в широких пределах от 0.2 до 5.5 км^/год, а полевой приток составлял 24 млн.т/год (И.М.Черненко). Такой разброс значений получался прав неоднозначно принятых сГшльтрациопннх параметров и неучета взаимодействия водоносных горизонтов пакту собой. Оценивал притом напорных вод перетеканием в пределах осушаемой полосы котловины Аральского моря не определялись расходы грунтовых вод на исплр"-нпе на ягой территории, что в свою очередь оставляло открытии m-прос с расходной составляющей водного и солевого болоипя.

Пакта предл-жепа методика моделирования подземного взднзгу и солевого обмена в крупных водоемах аридной зоны. Она постоит из пяти последовательно выполняемых этапов моделирования ориентированных в конечном итоге на прогнозные расчеты водных и солевых составляют^ баланса подземных вод. Первые три втапа вклхлагт постановку и решение обратной стационарной задачи, что является новым в изучении процессов водного и солового обмена в котловинах морей. На основе построения пьезометрически! поверхности напорного комплекса пкетраполяционным способом ( И.С.Зегсцер) и метода распределенного водного баланса удается установить геологическое содпргп-

нио модели и учетом генезиса коглобины. На четвертом этапе моделирования решается эпигнозная"задача, Здбоь, на основе фактических данных полевых исследований строягоя графики временного прослени-вания за глубинами залегания грунтовых вод, по которым можно построить схемы этих глубин залегания для всей обсыхающей территории на дабой момент времени, Эти схемы ^вляютоя вталонными при определении на модели расходов грунтовых вод на испарение. На пятом этапе даются прогнозы изменения водного и солевого обмена в котловине при различных положениях уровня моря.

ГЛАВА Ш. ПОДЗЕМНЫЙ ВОДНЫЙ И СОЛЕВОЙ ОШЕН С АРАЛЬСКИМ МОРЕМ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ. НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Изложенные во второй главе научно-методичеокие подходы попользовались для исследования подземного водного и солевого обмена в котловине Аральского моря.

Наряду о хорошей гидрогеологической изученностью прилегающей к котловине территории, по ней самой были известны только мощности гидрогеологических комплексов, построенные по геофизическим данным, Естественно, что для создания математической модели фактических материалов было явно недостаточно, В этих условиях необходимо было разработать теоретические предпосылки, позволяющие в какой-то мере ликвидировать недостающие данные и научно обоснованно решить поставленную задачу.

Последовательность выполнения исследований представлена в следующем виде:

1, Построение пьезометрической поверхности мелового напорного комплекса при отационарных уоловиях.

2, По полученной пьезометрической поверхности и известным фильтрационным параметрам эталонных ячеек находящихся в прибрежной зоне, строится и уточняется схема фильтрационных параметров мелового напорного комплекса и параметров перетекания вышележащего палеогенового горизонта.

3, На основе проделанных исследований создается математическая модель подземного водообмена для ненарушенных условий.

4, Этап апигнозного моделирования.

5, Контроль питания котловины по меловому напорному комплексу.

Построение пьезометрической поверхности медового напорного комплекса и выделение облаоти акватории, где происходит площадное

перетекание подэешшх вод проводилась по методике И.С.Зекцера. Суть ее заключается в экстраполяции линий тока, построенных на прилегающей к котловине территории, в продели акватории. Этот опо-соб позволил построить достаточно обоснованную схему пьезометрической поверхности о выделением области оубмаринной разгрузки напорных вод перетеканием. Было установлено, что фактические линии тока описываются в аналитической форме логарифмической зависимостью, коэффициенты которой можно найти методом наименьших квадратов. Нш.га было провкстраполированно в предела акватории Аральоко-го моря более 100 фактических линий тока, что дало возмикнооть выделить область внедрения и разгрузки напорных вод.

Принимая во внимание, что построенная схема львзоивогипс должна нести в себе наиболее полную информацию о геологичеоких и гидрогеологических особенностях строения водонапорной системы, появилась возможность воссоздать на модели литзлого-фациольные схемы как напорного так и слабопроницаемого комплексов. Для этого в прибрежной зоне были выделены эталонные ячейки гидродинамической сетки с известными значениями водопроводимостей мелового напорного комплекса и параметров перетекания слабопроницаемого палеогенового горизонта. Взаимокорректировка и расчет фильтрационных параметров проводились с использованием следующих завиоимоатей:

(Ол-тв+т1

(I)

где - расходы на контуре питания ячейки, ()р - расходы на контуре разгрузки ячейки,'"] - К П1 - усредненное значение во-, долроводимости, р - площадь ячейки, Б - интенсивность перетекания из ячейки, >1 = Еп(Н/(сМ) , С= Вы/В1 - параметр, учитывающий геометрическую форму ячейки, 81,В»1- длины иэогипо в пределах ячейки по контуру питания и разгрузки,

Д,Н - разность напоров в пределах ячейки, - средняя ши-

рина ячейки, Д^ - средняя длина ячейки.

При соблюдении условия неизменности сетки фильтрации для заданных Уп можно найти множество соответствующих между собой значений

Т и V/

. Однако учитывая, что Рр1=0пЬ£и величины \л/'Р заданы в первом приближении, получаем возможность однозначного расчета водопроводимостей напорного комплекса по лентам тока.

На основании вышеуказанной.методики были расчитаны значения водо-проводимоотеЛ мелового напорного комплекса под акваторией Аральского моря. Достоверность расчетов контролировалась сравнением значений параметров соответствующих ячеек соседних лент тока. При анализе распроделонля водопроводимостей- отмечается уменьшение ко-вффициентов фильтрации водовмещагошта пород в направлении центра котловины, что говорит о наличии здесь зоны затрудненного водообмена и совпадает с теоритпческимн предпосылками развития отложений морского генезиса.

На основании полученных значений водопроводимостей и построенной пьезометрической (рверхиости напорного комплекса была поз-дана математическая модель, целью которой было уточнение фильтрационных параметров слабопроницаемого палеогенового гориаонта, определение величин питания котловины напорными водами и изучение распределении перетекающих напорных вод по площади внутри котловины.

Схематизация гидрогеологических параметров сведена к выделению на картах водопроводимоатей и водаэтдач водоносных комплексов дон оо средними (в пределах блока) их значениями, каждое из которых равно суммарной проводимости всех слоев. Схематизация выполнена путем выделения безнапорной и напорной зон. Схематизация реальных геометрических границ котловины моря сведена к замене их непрерывного очертания сгупончатым о рациональным размером шага аетки. После упрощения строения вертикальной толщи котловины Аральского моря были выделены два водоносных горизонта, разделенные олабопроницаемым слоем о Кт = 5'1(г\|,/сут. Многослойная структура каждого комплекса заменена на однослойную.

В условиях стационарной фильтрации полученная расчетная схо-ма описыиаетоя системой уравнений плановой фильтрации с наличием перетекания, которая решена с использованием програмного комплекса "ТОПАЗ-9". По контуру котловины сначала запавались граничные уолэвия I рода. В результате решения стационарной задачи установлено балансовое распределение потоков подземных вод и определена величина питания котловины по меловому напорному комплексу. Критерием правильности решения служило условие совпадения решений модельных уравнений о пьезометрической поверхностью, построенной экстраполяционным способом. Корректировка модели проводилась путем незначительного изменения параметров перетекания олабопрэнн-цаемого палеогенового горизонта. Величина питания котлевшш по

о

меловому напорному комплексу составила 5.9 ы Усек, Основная разгрузка подземных вод осуществляется перетеканием через слабопро-иицаемый палеогеновый горизонт и распределяется по боргам котловины с модулями перетока 0,5-0.7 л/сек,км^ на севере, востоке и юге и 0,1-0.2 л/сек,км2 на западе. Ближе к центру котловины перетоки снижаются до величин менее 0,05 л/сек,км~. Таким образом, в ходе решения обратной стационарной задачи была найдена совокупность особенностей, отражающая литолого-фациалише условия и гидрогеологическую структуру котловины Аральского моря.

Оценка ионного подземного стока выполнялась по средним значениям минерализации вод мелового напорного комплекса в условиях конвонктивного переноса. Его величина составила 7,56»10°т/год,

На этапе эпигнозного моделирования, охватывающего период о 1561 по 1909 г, модель представляла собой трехплаотовую систему, верхний пласт которой ишитировал современные донные отложения Аральского моря. Данные по литологии доиных осадков и их распространении п пределах котловины были взяты по данным исследований И,В,Рубанова, В схематизированном виде голоцеиовый горизонт представлял собой пласт с усредненными значениями проницаемости опитыми о литолого-фацнальных карт-срезов на глубинах 1,2,3 и 4 м. от дна моря. Здесь выделены 4 зоны, кавдой из которых препиоаны своя водоотдача, коэффициенты фильтрации и мощность,

В математическом виде подземный водообмен в котловине огшсы-аилнн системой дифференциальных уравнений параболического типа о условиями перетекания и испарения. Целью эпигнозного моделирования явилось определение расходов грунтовых вод на испарение с учетом пространственно-временного изменения и диалогического строения . обсыхающей части котловины. При этом учитывалась также составляющая подземного перетока напорных вод в голоценовнй горизонт. Чтобы увеличить рентабельность модели и уменьшить время счета ЭВМ, мы ограничились для задания испарений, Переменными во времени граничными условиями 2 рода, Для этого, на основании наших исследований и исследований Института почвоведения АН КааССР на обсыхающем дне Аральского моря были построены графики временного прослеживания за уровнем грунтовых вод с учетом литологии вышедших из-под воды грунтов. На основании этих графиков были построены схемы глубин залегания грунтовых вод обсохшей территории на различные моменты времени. При решении опигнозноИ задачи на каждом временном шаге

определялись ноли чини расходов грунтовых вод на испарение. Критерием достоверности служило условие совпадения глубин залегания грунтовых вод полученных на модели о глубинами залегания определенными но графическим зависимостям. Величина расходов грунтовых вод на испарение на конец временного шага для каждого расчетного блока модели складывалась из величины сработки емкостных запасов грунтового горизонта и величины перетока из мелового напорного комплекса : ^ р

0ИСП="~^-+ОпЕР ^ (2)

где Я - понижение на..чанном временном шаге /У^ , Р - площадь блока, - водоотдача.

Для совпадения понижений грунтовых вод оказалось достаточным проведения 2-3 иттераций относительно (^лер.

При смене временного шага менялись значения водопроводимости голоценового горизонта в пределах зоны осушения о учетом уменьшения мощности водовгещакщих пород.

Величины расходов грунтовых вод на испарение с обоыхащей

О

части дна Аральского моря составили: в 1970 году - 5 м /сек, в 1980 году - 8.4 м^/сек и в 1989 году - 19.5 м3/сек при величинах ' перетока в обсыхающую часть дна из нижележащего напорного комплекса 1.7 м^/сек, 2.3 м^/сек и 3.55 м^/сек соответственно.

Оценка ионного подземного стока также как и при решении стационарной задачи осуществлялась по средним значениям минерализации вод мелового напорного комплекса, рольшой интерес представляло изучение накопления сухого оотатка оолей в зоне аэрации обнажающегося техногенного горизонта грунтовых вод. Эти величины составили к 1970 году - 31.1 млн. тонн, к 1980 году - 90.2 млн.тонн, а к 1989 году уже 246,3 млн.тонн. Большая часть запасов этих солей подвержена дефляционным процессам, особенно в пределах глинистых и оуглинистых областей осушаемой полосы. Сама зона интенсивного соленакопления перемещается вслед за отступанием морем. Период работы этой зоны составляет в среднем 15-20 лет. В дальнейшем, после достижения критических глубин залегания грунтовые воды стабилизируются в равновесном состоянии. Здесь происходит уравновешивание процессов Енутригрунтоаого испарения и подпитыгзания перетскаетзши напорными водами. Засоление никней вэдо насыщен но!! части разреза этого горизонта происходит за счпт солей поступающих из мелового

напорного комплекса.

Минерализация грунтовых вод оценивалась из балансных поотно-

птииЙ ПП (йптмтлп;

блока модели, 3 - величина понижении уровня грунтовых вод на данном временном шаге.

При решении эпкгнозной задачи после определения величины питания -чотловины в стационарных уоловиях, граничные уоловия I рода (постоянный напор) были заменены на граничные уоловия 2 рода (постоянное питание), Б то же время, поскольку был известен регамив-менения ньезоуровной в южном и юго-вооточном Принралье, нам удалось проконтролировать изменение питания котловины по меловому напорному комплексу в течение всего эпигназного периода. Поначалу ьдеоь задавались граничные условия I рода и держались в граничных блоках гудели до тех пор, пока не происходила стабилизация питания. После эмго граничное условие заменялось на 2 род и в атом блоке задавался уменьшенный постоянный приток. Питание котловины по меловому напорному комплексу в 1989 году составило 5,24 м^сек, г,е, уменьшилось относительно 1961 года па 0,66 м^/сек, К 1989 году питание котловшш стабилизировалось и по всему ее контуру били заданы граничные уоловия 2 рода,

ГЛАВА 1У, ПРОГНОЗ; ИЗМЕНЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ВОДНОГО И СОЛЕВОГО .

ОШЕНА В СВЯЗИ С УСЫХАШЕМ АРАЛЬСКОГО МОРЯ

На модели были проработаны два варианта прогнозов на период до 2000 года,

В первом варианте, учитывая динамику изменения уровня моря за последние годы по данным метеостанции "Аральское море", был предложен прогноз ооотояшш обсыхающих донных осадков при отметке уровня моря 33 м. При этой отмотке Малое море распадется на два небольших водоема, а Большое море будет представлять собой подковообразное озеро заполняющее наиболее глубокую западную чаоть и часть котловины прилегающей к разросшемуся острову Возрождения о востока. Между собой эти водоемы будут соединяться небольшим проливом, расположенным мовду полуостровом Куланды и островом Возрождения. Су-

щеотвенной особенностью отого периода прогнозов являегоя то, что из под поди в ооновном начнут высвобождаться алевритовые и гли-ниотыо литологичеокие разности донных отложений, способные по ово-им капиллярным свойствам доставлять влагу, а вместе о ной и ооль, с глубин порядка 3-4 м. Хотя ведатоны испарений здесь будут меньше из-за незначительной водоотдачи отложений, но учитывая транспортные опоообнооти системы эаооление будет распределяться в приповерхностной воие. В отличие от глинистых разпэотей, в песчаных зонах ваооление по профилю зоны аэрации подчиняется другим закономерностям. Здось помимо капиллярных способностей поокоп большое влияние на распределение солей оказывают сезонные увлажнения атмосферными осадками. Как и при решении впигнозной задачи, критерием правильности решения слутло условие совпадения глубин залегания грунтовых вод построенных по графическим зависимостям, о глубинами их залегания подобранными через испарение,. По розульта-. гам моделирования величина расходов грунтовых вод на иопаронпе оо вопй обоохшей территории котловины Аральского моря к 2000 г, составит 14,9 м3/сок, а величина накопления сухого оотатка солей 464.66 млн.тонн. Величина притока напорных вод в обсохшую чаоть котловины к втому,времени будот 3.91 м3/сек.

Во втором варианте прогнозов рассматривается вопрос об изменении соленакопления в воне аэрации техногенного грунтового, горизонта в случае стабилизации уровня моря на отмотке 38.5 м, в' 1990 г. . при существующем питании котловины 5,24 м3/оек, Тогда' к 2000 г. ва очет естественного снижения уровня грунтовых вод, волйчина их расходов на испарение оо стабилизированной обоохшей воны ооотавиг. 9,5 м3/сек при перетоке напорных вод - 3,45 м3/аек. Произойдет : значительное сокращение соленакопления в зоне аэрации грунтового горизонта по сравнению о томи уоловиями, когда море снизило бы • свой уровень до отметки 33 м. Величина солепереноса в зоне аэрации уменьшилась бы на 20 тно.т/сут, а ее васолешш на 90 млн.тонн,

вывода

Выполненные на оонове математического моделирования исолодо-вания позволяют сделать следующую выводы:

I, Разработаны приемы и методы построения математических моделей подземного водного и солового обмана в котловинах крупных водоемов аридной зоны. Па основании этой методики изучопа водооб-менная система котлоппни Аральского моря. Модель представляет со-

бой сложную трехшюстовуы оистему состоящую из напорного водоносного комплекса меловых отложений, перекрывакщего его слабопроницаемого палеогенового горизонта и техногенного грунтового горизонта образованного в донных осадках отступаицега моря,

2, За исходное гидродинамическое состояние опстемы и ее подземного водообмена принято состояние до 1561 года, когда море занимало еатеотвенное положение (абс.отм, 53 м) и пэдземпып сток ооотавлял 5,9 м^/сек. При составлении модели, котловина Аральского моря била отделена граничными условиями 2 рода в обособленную гидродинамическую систему. Такой подход, исходя из возможностей програмного комплекса "ТОПАЗ-9", позволил провести более детальную разбивку области фильтрации на блоки,

3, В процессе решения эпигиозной задачи проводилось сопоставление натурных наблвдений по отдельным профилям с соответствующими модельными значениями уровней и минерализации грунтовых вод, Сходимоогь результатов достаточно высокая. Модель позволила выявить то, что наибольший водообмен происходит в переферийной чаоти котловшш сложенной преимущественно песчаным материалам и образу-щим по существу шельфовуы зону моря, В центральной части котловины подземный водообмен напорного комплекса с морем отсутствует,

В зависимости от положения уровня и конфигурации моря, а такке расширения осушенной полосы, происходит не только изменение величины разгрузки напорных вод, по и увеличение глубины залегания техногенного грунтового горизонта. Получены количественные характеристики солепереноса в 80не аэрации в зависимости от испарения и длительности его воздействия. Такая взаимосвязь являетоя характерной для водоемов расположенных в аридной зоне. Прослекено о помощью изменения граничных условий первого рода на второй умень-' шеиие питания котловины Аральского моря по.меловому напорному комплексу.

4, Отмечено по решению прогнозных задач, что рост солепереноса во времени замедляется. Само же аоленакопление в зоне аэрации растет из-за увеличения площадей обсыхающих территорий и роста минерализации напорных вод в направлении к отступающей акватории моря.

Несмотря на то, что нами были выявлены основные закономерности процессов водного и солевого обмена в котловине Аральского моря и оценена их количественная величина, ряд вопросов остается слабоизучешшми, в частности, не поддается моделированию в настоящей постановке задачи, взаимодействие отступающего моря о верх-

ним сдаем донных ооадков. Известно, что здесь проявляются макси -малыше испарения, сравнимые о испарениями о водной поверхности п к тому ко продолжающиеся короткий промежуток времени. Помимо этого сам процесс испарения постоянно осложняется сгонно-нагонгшми явлениями, которые сложно оценить из-ва их непериодячпости.

В дальнейшем, на основании системных подходов разработанных У.У.Умаровым, наши иооледовашш будут направлены на:

1. Изучение гидрогеологических процесоов па более крупномасштабных учаотках, с постановкой вадач по взаимодействию отступающей морской вода о грунтовыми водами осушенной береговой полосы.

2, Изучение процеооов соленакопления п оолепереноса в самостоятельно высыхающих остаточных водоемах современной береговой полосы,

3, Изучение процеосов взаимодействия морской воды о верхним олоем донных отложений под акваторией моря.

4. Изучение вопрооов взаимодействия инфильтрацпонных и седи-ментациошшх подвеиных вод.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ 110 ТШЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Подземный водный и солевой оток в басоейнв Аральского моря. Алма-Ата, Наука, 1983, - 160 о, ( в ооавторотве о У.М.Ахмад-сафиным, М.С.Сыдыковым, С.М.Шапиро и др.).

2, Проблемы Аральского моря: Состояние акватории и осушенного дна Аральского моря. Алма-Ата, Наука, 1983, 0,5-42 ( в ооавторотве с Ж.С.Сыдыковым, С.М.Шапиро, В.И.Порядиным, Т.Н.Винниковой).

3. Моделирование режима пьевоуровней подземных вод в связи о усыханпем Аральского моря и оамоиэливам из скважин. (В1ШИТИ 6, У. 82 .№2275-82) ( в ооавторотве о Н.С.Сыдыковым, С.М,Шапиро, Т.Н.Винниковой, В.И.Порядиным).

4. Роль гидродинамических исоледованиП в выявлении закономерностей формирования подземных вод верхнетуран-сенонского вадоноо-ного комплекса Сырдарьинского артезианского баооейна,- Вестник АН КазССР, 1988, ( в соавторства с Н.Б.Калмыковой, Т.Н.Винниковой),

№ I, с.59-66, '

5, Математическая модель Сирдарьшюкого артезианского бассейна как основа для изучения Аральской экологической сиотемы. Проблемы вычислительной математики и автоматизации научных наследований. Алма-Ата, Наука, 1988, г,3, с,92 (в соавторстве о С.М.Шапиро, Т.Н.Винниковой, Н.В.КалмнковоЙ, А.В.Бочкареьим).

6, Прогнозирование техногенных гидрогеологических процессов, Алма-Ата, Наука, 1988, 144 о. ( в ооавторотве с С.М.Шапира, Т.Н. Винпиковой, О.В.Подольным и др.),

7; Определение субаквальной разгрузки подземных вод котловины Аральского моря на основе моделирования. Мооква.Вестн.МГУ,19Э0-.

А- —

Подписано в печать 2П,06,19ГО уг Т1Л70

¡ИЫ^Ш^ЬЪ^ШХ,?. .е . ли с т. -Заказ тт4. тШк тт Отпечатано на ротепринте НГН АН КазССР