Особенности формирования подземного стока северной части Кузнецкого Алатау

Никитенков, Алексей Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Особенности формирования подземного стока северной части Кузнецкого Алатау
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Особенности формирования подземного стока северной части Кузнецкого Алатау"

На правах рукописи

Никитенков Алексей Николаевич

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО СТОКА СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ КУЗНЕЦКОГО АЛАТАУ

Специальность 25.00.07 - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 6 ПРИ

Томск-2010

004618272

Работа выполнена в Национальном исследовательском Томском политехническом университете

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

Дутова Екатерина Матвеевна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор, Попов Виктор Константинович

кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Макушин Юрий Васильевич

Ведущая организация: Управление по недропользованию по

Кемеровской области

Защита диссертации состоится "28" декабря 2010 г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.269.03 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634034, г. Томск, проспект Ленина 2, строение 5, корп. 20, ауд. 504.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО НИ ТПУ (634050, г. Томск, ул. Белинского, 55).

Автореферат разослан " 26 " ноября 2010 г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских

и кандидатских диссертаций, к.г.-м.н.

у/ / / О.Е. Лепокурова

к../

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Характеристики подземного стока широко используются при решении множества теоретических и прикладных задач, связанных с изучением закономерностей распространения и формирования подземных вод, поисками и разведкой месторождений, комплексным и рациональным использованием водных ресурсов, решением водно-экологических проблем, эксплуатацией недр и др.

Проблема оценки качественных и количественных характеристик водных ресурсов в пределах горнорудных территорий стоит очень остро и приобретает особое значение, в связи с необходимостью обеспечения баланса между развитием добывающей промышленности и соблюдением природоохранных норм. Вместе с тем, горные территории являются слабо исследованными с позиций формирования подземного стока.

Существующие методы оценки стока базируются на анализе гидрометрических данных, получение которых в натурных условиях требует организации стационарных постов и проведения трудоемких, длительных, дорогостоящих полевых работ, что реально возможно только для крупных водосборных бассейнов. В этой связи для территорий, характеризующихся слабой гидрогеологической изученностью, весьма актуальными становятся методические приемы оценки взаимосвязи характеристик стока и параметров определяющих их факторов, создаваемые на основе современных компьютерных и геоинформационных технологий. Среди морфометрических параметров водосборов могут быть высотные характеристики рельефа, определяющие количество атмосферных осадков, уклоны поверхности, определяющие скорости движения вод, и проч. Установленные на основе данных единичных створов стационарных гидрометрических постов с помощью средств современных ГИС-технологий взаимосвязи могут использоваться для определения характеристик стока на аналогичных, но слабо изученных территориях. В качестве объекта исследований нами выбрана находящаяся в мало измененных природных условиях северная часть Кузнецкого Алатау, где, помимо многолетних наблюдений на стационарных гидрологических постах, проводились гидрогеологические и гидрометрические исследования, позволяющие с достаточной детальностью выявить основные закономерности формирования подземного стока.

Цель работы - выявление закономерностей формирования подземного стока северной части Кузнецкого Алатау с использованием современных геоинформациониых технологий.

Основные задачи:

- собрать фактический материал, провести гидрологические расчеты и оценить характеристики подземного стока;

- провести анализ и обосновать набор факторов формирования подземного стока;

- создать цифровую модель рельефа и на ее основе построить карты порядков речных долин, базисных поверхностей, водосборов;

установить взаимосвязи характеристик подземного стока и количественных оценок природных факторов;

- усовершенствовать приемы опенки и картирования характеристик подземного стока для горно-складчатых областей;

- показать примеры использования характеристик подземного стока для решения прикладных задач.

Исходные материалы и методика исследований. В основу работы положены фактические материалы, собранные в ходе исследований, проводимых сотрудниками кафедры ГИГЭ ИГНД Томского политехнического университета, данные космического зондирования Земли по программе SRTM, многолетние данные Росгидромета (10 гидрологических постов) и материалы гидрометрической съемки в пределах объекта детальных исследований (более 200 створов).

Методика исследований включает в себя обработку, анализ и интерпретацию данных с применением современных ГИС-технологий, статистического и регрессионного анализа и физико-химического моделирования. Для обработки, анализа и интерпретации пространственных параметров задействованы программные комплексы Surfer, Arc View 3.2а, ArcGIS 9, Ilwis 3.5 Open и программа по сшивке SRTM данных, созданная средствами BDS 2006. Для статистического анализа и регрессионного анализа использовались программы Microsoft Excel и Statistica. Промежуточные расчеты производились встроенными возможностиями Microsoft Excel, а также с использованием расчетных макросов, созданных с использованием Visual Basic for Applications. Физико-химическое моделирование процессов взаимодействия в системе вода-порода осуществлялось средствами программного комплекса HydroGeo.

Личный вклад автора. Автором осуществлены сбор, анализ и обработка фактического материала по району исследований; с использованием специализированных программных модулей, созданных в рамках выполнения работы на языках программирования С++ и Visual Basic, проведен статистический анализ и обработка гидрологических и пространственных данных; с использованием ГИС-технологий выполнены картографические построения, интерпретированы результаты работы и сформулированы выводы.

Научная новизна. Впервые для района исследований детально определены значения и пространственная изменчивость модулей стока подземных вод и произведена оценка интенсивности водообмена на различных уровнях дренирования. Установлены функциональные зависимости, описывающие связь подземного стока и определяющих его факторов. Предложены методические подходы к оценке и картированию подземного стока в условиях слабо изученных горно-складчатых территорий.

Основные защищаемые положения.

1. Формирование подземного стока в пределах северной части Кузнецкого Алатау обуславливается преимущественно природными факторами, среди которых ведущую роль играют высотно-климатические, геоморфологические, геологические и гидрогеологические условия,

определяющие величину питания, долю инфильтрации, проницаемость пород, глубину и направление миграции подземных вод. Пространственная изменчивость величины модуля подземного стока поддается анализу и функциональному описанию через количественные оценки природных факторов (количество атмосферных осадков, гипсометрические и морфометрические параметры водосборов и величины проницаемости пород).

2. Подземный сток рек разных порядков отражает иерархической характер разгрузки подземных вод. Подземные воды самых верхних частей геологического разреза, характеризующегося наиболее высокими фильтрационными свойствами, дренируются реками первых порядков, подземные воды большей мощности, в том числе и более глубоких частей геологического разреза, характеризующиеся относительно низкими фильтрационными свойствами, дренируются реками высоких порядков. С увеличением порядка дрены наблюдается уменьшение величины модуля подземного стока.

3. Технология оценки и картирования подземного стока горноскладчатых областей, базирующаяся на использовании взаимосвязей характеристик подземного стока по единичным створам стационарных гидрометрических постов и количественных оценок природных факторов, полученных с помощью средств современных ГИС-технологий, для определения характеристик стока на аналогичных, но не охваченных гидрометрическими постами территориях.

Практическая значимость работы заключается в:

- усовершенствовании приемов оценки и картирования характеристик подземного стока для горно-складчатых областей;

- создании электронных карт базисных поверхностей различных уровней дренирования, которые можно использовать для определения направления миграции подземных вод и вещества (загрязнителя или элементов потоков рассеяния от источников оруденения) при гидрогеохимических, экологических или поисковых исследованиях;

- создании электронных карт модулей подземного стока различных уровней дренирования, которые можно использовать для решения водно-экологических задач и принятия грамотных управленческих решений в сфере водного хозяйства, водоснабжения; планирования развития населенных пунктов и горнодобывающих предприятий; минимизации экологического ущерба.

Апробация работы: основные положения работы докладывались на Международных конференциях студентов и молодых учёных им. М.А. Усова (Томск, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009), Всероссийской конференции «Проблемы гидрогеологии инженерной геологии и гидрогеоэкологии» (Томск, 2010), Международной научно-практической конференции «Вода и окружающая среда» (Киев, 2009), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике» (Белгород, 2007), Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных

территорий. Экологический катализ» (Новосибирск, 2005), XI Всероссийской студенческой научной конференции «Экология и проблемы охраны окружающей среды» (Красноярск, 2004), Международной конференции «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ, 2004).

Результаты исследований были использованы при выполнении работ в рамках проекта РФФИ 07-05- 12005-офи, гранта «Разработка методики расчета подземного стока малых водосборов в горных районах на основе морфоструктурпо-гидрогеологического анализа» программы УМНИК (2007 г.), а также в отчетах по работам Сибирской гидрогеохимичсской школы (2006 г.).

Материалы опубликованы в печати - 14 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и 2 - в зарубежных изданиях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объём 176 страниц, включая 61 рисунок, 20 таблиц, список литературы из 111 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю - Дутовой Екатерине Матвеевне, профессору кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ за научное руководство. Автор признателен сотрудникам геологических организаций

A.А.Булатову, З.В.Лосевой, В.М.Людвигу, В.А.Льготину и Ю.В.Макушину за содействие в сборе фактического материала. Автор благодарит ]М.Б.Букаты, К.И.Кузеванова, А.Д.Назарова, Д.С.Покровского, Н.М.Рассказова, О.Г.Савичева за консультации по отдельным методическим вопросам, возникавшим в ходе выполнения работы, а также весь коллектив кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ за конструктивную критику, поддержку и помощь.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Г лава 1. Состояние изученности проблемы исследований

Проблеме изучения подземного стока посвящены работы крупнейших отечественных и зарубежных гидрогеологов. Большой вклад внесли ученые, исследовавшие общие закономерности распространения и формирования естественных ресурсов подземных вод (Б.И.Куделин, Ф.А.Макаренко,

B.А.Всеволожский, И.С.Зскцер, О.В.Попов) и подземного стока крупных регионов (Р.Г.Джамалов, И.В.Зеленин, В.И.Иодказис, В.А.Кирюхин, В.В.Кулаков,

B.С.Кусковский, Н.А.Лсбедева, С.Ш.Мирзаев, С.М.Мухамеджанов, М.Р.Никитин, Б.И.Писарский, Ж.С.Сыдыков, О.Н.Толстихин, А.П.Хаустов, Б.М.Шеиькман, Н.Г'.Шубенин), проводившие обобщения по проблемам общего круговорота воды на Земле (Б.Л.Личков, М.И.Львович, А.Н.Павлов, Н.В.Пиннскср, А.Е.Хотьков, С.Л.Шварцев) и режиму подземных вод (В.С.Ковалевский, А.А.Коноплянцев), исследовавшие взаимосвязи поверхностных и подземных вод (А.З.Амусья, А.М.Владимиров, Б.М.Доброумов,

C.М.Семенова, Б.Л.Соколов, Н.С.Ратнер и др.), разрабатывавшие методы коли-

чествеиной оценки подземного стока (Г.Н. Каменский, H.A. Плотников, М.К. Хаббсрт) и др.

Гидрологические, гидрогеологические и гидрогеохимичсскис исследования в пределах Кузнецкого Алатау и сопредельных территорий проводились рядом производственных и научных организаций. Результаты исследований нашли отражение в отчетах, статьях, монографиях и диссертациях В.Я.Бычкова, Е.М.Дутовой, В.Г.Иванова, В.П.Карловой, Ю.Г.Копыловой, B.C.Кусковского, К.И.Кузеванова, З.В.Лосевой, А.А.Лукина, В.М.Людвига, Ю.В.Макушина, В.М.Матусевича, А.И.Петрова, Г.А.Плевако, Д.С.Покровского, В.К.Попова, О.В.Постниковой, Н.А.Рослякова, Н.М.Рассказова, Ж.Н.Савиной, О.Г.Савичева, Г.М.Рогова, П.А.Удодова, Л.Л.Шабынина, С.Л.Шварцева и многих других. Вместе с тем, несмотря длительный период исследований, закономерности распространения и формирования подземного стока региона изучены далеко не полно.

Развиваемые на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и гирогеоэкологии НИ ТПУ представления о соподчиненности факторов формирования подземных вод (С.Л.Шварцев), приемы их количественной оценки (Е.М.Дутова), положения морфоструктурно-гидрогеологического анализа (А.А.Лукин) в совокупности со средствами современных ГИС-технологий открывают принципиально новые возможности и для изучения закономерностей формирования подземного стока. Представленная работа является продолжением и развитием исследований и идей в этом направлении.

Глава 2. Природные условия, определяющие формирование подземного стока

Территория исследований, административно относящаяся к Кемеровской области и Республике Хакасия, находится в северо-восточной части Алтае-Саянской горной страны и представляет собой систему средневысотных, вытянутых в направлении с юга на север асимметричных горных хребтов.

Климат территории резко континентальный. При отрицательных среднегодовых температурах среднемесячные температуры составляют для января -(15-22)°С, июля 16,5-16,9"С. Среднегодовое количество осадков колеблется в широких пределах, составляя величины порядка 300-1200 мм.

Реки северной части Кузнецкого Алатау входят в систему реки Оби и принадлежат бассейнам рек Томи и Чулыма. Густота речной сети составляет 0,46-0,60 км/км2. Питание рек преимущественно смешанное, в зимний период (с ноября по апрель) осуществляется исключительно за счет подземных вод.

Складчатые структуры сложены интенсивно дислоцированными и метаморфизованными терригенными, карбонатными, вулканогенными и интрузивными образованиями в возрастном диапазоне от нижнего рифея до нижнего девона включительно. До 40-50% территории занимают гранитоиды. Породы характеризуются преимущественным распространением трещинных, трещинпо-карстовых и трещинно-жильных подземных вод, приуроченных, главным образом, к зоне экзогенной трещиноватости, имеющей региональное распространение. Коренные породы имеют относительно низкие фильтрационные свойства и водообильность, исключение составляют

ШМ

i/ШШШ

закарстовапные карбонатные породы и разнообразные, вне зависимости от литологического состава, породы в зонах тектонических нарушений. К долинам рек приурочены четвертичные аллювиальные отложения, вмещающие горизонты порово-пластовых вод.

Основными факторами формирования подземного стока являются особенности ландшафта (в первую очередь, рельеф), влияющие на величину выпадающих атмосферных осадков, и геологической среды, определяющей интенсивность инфильтрации и движения подземных вод. На основании данных положений и была выработана методика исследований формирования подземного стока.

Глава 3. Методика оценки подземного стока

Содержание методики условно можно подразделить на разделы, посвященные картографическим построениям; анализу и обработке морфомстричсских данных, получаемых при анализе цифровой модели рельефа (ЦМР); обработке и анализу гидрологических данных, а также методам математической статистики, используемым при выявлении закономерностей в формировании подземного стока.

При обработке

гидрометрических данных были осуществлены заполнение

недостающих данных за отдельные периоды времени (на основе подходов, описанных в СНиП 2.01.14-83, реализованных с использованием программных средств MS Excel и Visual Basic) и расчленение полученных средпемноголетних гидрографов с использованием созданных вычислительных шаблонов, позволяющих автоматизировать вычисления требуемых

характеристик стока.

Расчленение гидрографов, построенных по данным существующих

гидрометрических постов (рис. 1), осуществлено с

использованием классических подходов. Выделены

поверхностная и подземная составляющие стока, причем в последней выделена глубинная часть, формирующаяся за счет наиболее глубоко залегающих

ли 1П и ли км |-1 |-1 |-1 г—|

■ ■ 1*1- 1 \J3-2 ЕЕЗ-з I I - 4

Рис. 1. Схема расположения гидрологических постов стационарной сети и гидрометрических створов объекта детальных исследований: 1 - гидрологический пост, 2 - гидрометрический створ, 3 - границы Кузнецкого Алатау, 4 - объект детальных исследований.

подземных вод.

При проведении исследований морфометрических особенностей территории использована ЦМР, созданная на основе данных, полученных в рамках программы 8Ю'М (ЫЛБА, США). С се помощью средствами ГИС и АгсС18 были составлены карта порядков речных долин (рис. 2) и карты водосборных бассейнов различных порядков (рис. 3), а также проведена оценка

30 0 30 км Речная сеть (порядки долин) ЕЕ1 - Границы Кузнецкого Алатау

□ 2 В4 Вб В» I Iз В5 В?

Рис. 2. Карта порядков речных долин

морфоструктурных параметров территории исследований.

Построение базисных поверхностей и анализ их взаимоотношений друг с другом и с дневной поверхностью осуществлены средствами ArcGIS с применением модуля Spatial Analyst Tools и интерполяции поверхности на основе точек пересечения речной сети с горизонталями рельефа методом IDW.

I—1 Границы Кузнецкого Алатау I I Водосборные бассейны (разными цветами)

Рис. 3. Карты водосборных бассейнов 4-го (А), 5-го (Б) и 6-го (В) порядков

Детальное рассмотрение закономерностей формирования подземного стока и выявление зависимостей его величины от морфометрических параметров территории осуществлялось при рассмотрении Централышнского грапитоидного массива.

Для учета влияния гидрогеологических особенностей территории на формирование подземного стока проведено районирование по слагающим её горным породам, в зависимости от литологического состава которых принимались условные значения проницаемости в бальной системе от 0,1 для гранитоидов до 1,0 для карбонатных пород. В дальнейшем усредненные значения проницаемости пород в пределах водосборов рассчитывались с учетом площадной распространенности тех или иных литологических разностей.

Учет климатических особенностей территории в формировании подземного стока осуществлен за счет оценки величин атмосферных осадков в пределах территории исследований. Исходными материалами послужили данные Росгидромета по величине осадков, а также данные по испарению, интерполированные с учетом их сопоставления с результатами расчленения гидрографов.

Для оценки связей между отдельными морфометрическими и гидрологическими величинами использован корреляционный анализ, а для компоновки выявленных в результате анализа закономерностей в единое уравнение - метод множественной линейной регрессии ("пакет анализа" Microsoft Excel).

Визуализация расчетных значений подземного стока осуществлялась средствами ГИС ArcGIS 9.2. Для этого было осуществлено вычисление его расчетных значений в отдельном столбце атрибутивной таблицы водосборных бассейнов при помощи инструмента Field Calculator с использованием системы ссылок на колонки, соответствующие переменным регрессионного уравнения.

Глава 4. Формирование подземного стока

Формирование подземного стока контролируется рядом соподчиненных природных факторов, среди которых ведущую роль играют высотно-климатическис, геоморфологические, геологические и гидрогеологические условия, определяющие величину питания, долю инфильтрации, проницаемость пород, глубину и направление миграции подземных вод.

Сток подземных вод находится в сфере влияния современной речной сети. Воды зоны региональной трещиноватости, проникающие на глубины порядка 40-100 метров, соответствующие, примерно, врезу речных долин первых четырех порядков, характеризуются благоприятными условиями естественной разгрузки. Глубина миграции вод зон разрывных нарушений и трещинно-карстовых вод, распространенных в карбонатных, карбонатно-терригенных породах и, прежде всего, в их тектонических контактах с алюмосиликатными породами, достигает 100-150 метров, а иногда и более, что соответствует врезу долин больших порядков. Базисами стока являются русла рек, конфигурация речной сети и параметры водосборов определяют мощность зоны дренирования геологического разреза, пространственные формы фильтрационных потоков (базисных поверхностей) (рис. 4), взаимосвязи уровней стока (рис. 5). Базисные поверхности 2-4-го порядков в целом повторяют характер и форму рельефа, определяющего локальные направления движения подземных вод. Базисные поверхности более высоких уровней определяют региональные направления движения подземных вод в сторону Западно-Сибирского артезианского бассейна и Кузнецкой котловины. Анализ взаимоотношений уровней дренирования показывает весьма сложный характер гидрогеодинамического поля.

Результаты расчленения гидрографов, содержащие данные по величинам полного речного стока, его поверхностной и подземных составляющих, в обобщенном виде представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики стока рек северной части Кузнецкого Алатау

Характеристики стока Система р. Томь Система р. Чулым

Тайдон Верхняя Терсь Кожух Кия Дудст Урюп Чёрный Июс Белый Июс Чулым Золотой Китат

Полный речной сток

Сток за год, км3 1,4 1,2 1,1 2,6 0,1 0,3 1,4 1,3 2,8 0,62

М, л/сек-км" 35 37 25 27 5,6 20 15 12 8,5 16

Поверхностный сток

Сток за год, км"' 1,2 1 0,92 2,1 0,1 0,2 1,2 1,1 2,3 0,55

М, л/сек-км 29 31 22 21 4,8 15 12 9,3 7,2 14

Весь подземный сток

Сток за год, км-1 0,25 0,19 0,16 0,59 0,02 0,01 0,26 0,31 0,4 0,07

М, л/сек-км2 6,1 5,9 3,7 5,5 0,77 4,5 2,6 2,8 1,3 1,8

Глубинная составляющая подземного стока

Сток за год, км3 0,19 0,09 0,11 0,38 0,01 0,06 0,16 0,19 0,28 0,04

М, л/сек-км" 4,7 2,7 2,6 3,6 0,31 3,5 1,6 1,7 0.88 1

В) Г)

1 I I Границы Кузнецкого Алатау

)— 'Ч Изобзэиты и их отметки, м.

Рис. 4. Базисные поверхности 2-го порядка (А). 3-го порядка (Б), 4-го порядка (В),

5-го порядка (Г)

Как видно из представленных в таблице 1 данных, наибольшие модули стока со значениями порядка 35-38 л/скм2 приходятся на реки, стекающие с западного, северо-западного и северного склонов Кузнецкого Алатау.

В)

| Границы Кузнецкого Алатау

Разность рельефа и базисной поверхности, м.

Рис. 5. Разности отметок рельефа и базисных поверхностей: 2-й (А), 3-й (Б), 4-й (В), 5-й (Г)

Модули стока водосборов рек восточных склонов составляют 8-17 л/скм2. В то же время, доля подземного стока в общем стоке для водосборов западных рек составляет в среднем 17 %, а на восточных склонах, при меньших абсолютных значениях модулей стока, доля подземной составляющей достигает 22 %. Это обусловлено, в первую очередь, большим, в сравнении с восточными склонами,

слоем атмосферных осадков, выпадающих на западе. Значительное влияние на соотношение составляющих стока оказывают и высотные условия водосборов: с ростом гипсометрических отметок водосборов доля подземного стока увеличивается.

Для всех рек района характерно четкое разделение водного режима на фазы весенне-летнего половодья и осенней и зимней межени, что наглядно показано на рис. 6.

100

* 70

§ 60

5 50

1 40

О.

к 30

с;

а 20

10 о

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Время, месяцы

Рис. 6. Усредненное соотношение генетических составляющих речного стока: I-гюверхностный сток; 2-подземный сток; 3- глубинная составляющая подземного стока

Как видно из приведенного графика, поверхностная составляющая, формирующаяся за счет таяния снега и инфильтрации атмосферных осадков, доминирует в течение теплого времени года, достигая максимума в период весеннего половодья, приходящегося на апрель и май, и снижаясь вплоть до нуля ко времени установления зимней межени (ноябрь-декабрь). Подземных сток ведет себя в противофазе к поверхностному. Глубинная его составляющая большую часть года достигает половины подземного стока и полностью формируется в последние 2-3 месяца зимней межени. Доля глубинной составляющей определяется глубиной эрозионного вреза русел рек и особенностями гидрогеологических условий водосбора.

Речная сеть региона представлена водотоками от 1 до 7 порядка. Общее количество водосборов, по которым в результате морфометрического анализа получена детальная информация, состав.ляет около 5000. Данные для водосборов, относящихся к стационарным гидрологическим постам (бассейны рек 5-7 порядков), в обобщенном виде представлены в таблице 2.

Таблица 2. Морфометрические параметры водосборов (от гидрологических постов) _

Река Плошадь, км" Периметр, км Длина основного потока, км Отметки рельефа, абс. м Превышение, м Уклон Плотность речной сети км/км" Число рек п-го порядка в пределах основного водосбора

Минимальные Максимальные Средние

2 3 4 5 6 7

Система р. 'Гомь

Тайдон 1234 181 64,3 180 1438 504 1258 0,011 0,5 159 38 5 2 1 -

Верхняя Терсь 986 190 99,1 174 1794 578 1620 0,0103 0,54 141 23 4 1 - -

Среднее 1110 185,5 81,7 177 1616 541 1439 0,0107 0,52

Система р. Чулым

Золотой Китат 1314 187 90.2 193 566 338 373 0,0023 0,53 164 39 8 2 1 -

Кия 3317 348 172,5 203 1448 659 1245 0,0051 0,49 460 110 22 7 2 1

Дудет 487 108 52,9 297 893 460 596 0,0079 0.49 73 19 4 1 - -

Урюп 480 122 56,5 405 1228 772 823 0,0101 0,46 65 14 4 1 - -

Белый И юс 3587 284 121,1 475 2205 973 1730 0,0031 0,48 434 95 25 8 3 1

Черный И юс 3157 255 127 458 1664 848 1206 0,0064 0,53 417 91 19 4 2 1

Чулым 9887 604 227 374 2205 802 1831 0,0022 0,46 1423 321 75 19 6 2

Кожух 1780 253 117,2 202 942 433 740 0,0016 0,54 239 53 12 2 1 -

Среднее 2721 250 113,1 339 1347 660 1008 0.005 0,50

Площади рассматриваемых водосборов при среднем значении 2080 км" разнятся более чем в 20 раз, от 480 км2 для реки Урюп, представляющей собой типичную горную реку, до 9887 км" для реки Чулым, уже в среднем течении приобретающей черты равнинной реки. Средние высоты водосборов составляют от 338 до 973 м абс. при амплитудах колебаний отметок рельефа в пределах отдельных водосборов от 373 до 1831 м. Генерализованные уклоны речных русел различаются от 0,0016 до 0,0110. Наибольшие уклоны приходятся на водосборы бассейна реки Томи, что объясняется характером сочленения западного склона Кузнецкого Алатау с Кузнецкой впадиной.

Что касается водосборов рек 1-5 порядков, то большинство из них обеспечено детальной морфометрической информацией, а сведения о расходах имеются лишь для территории, покрытой гидрометрической съемкой. Обобщенные сведения о водосборах этой территории приведены в таблице 3.

Анализ данных позволяет утверждать, что большая доля разгрузки подземных вод связана с зоной интенсивной трещиноватости и осуществляется в местную речную сеть.

Таблица 3. Характеристики подземного стока и морфометрические параметры участка детальных исследований__

Уровень Модуль Морфоме'фическис параметры Число

дренирова- меженно- Уклон Длина Ширина Отметка Отметка Мощность зоны точек

ния (порядок го стока, дрены, водосбора. питания, разгруз- дренирования, м наблю-

долины) л/с-км" м м м ки, м дении

1 8 0,098 410 134 547 500 40 38

2 6.3 0,076 764 319 560 501 60 45

3 5,9 0,061 1309 674 558 471 86 27

4 3,2 0,056 2478 1371 592 457 136 17

5 2,8 0,047 4469 1382 607 441 170 8

В среднем, в водотоки 1-го порядка разгружаются воды зоны трсщиноватости, мощность которой около 40 м, а длина пути миграции вод от области питания до областей разгрузки составляет величины порядка 400м. В водотоки следующих порядков разгружаются воды зоны трещиноватости большей мощности и более длинных путей миграции. Для водотоков 3-го порядка эти величины равны 85 м и 1300 м, соответственно. Подземные воды, разгружающиеся в водотоках первых порядков, характеризуются и большими гидравлическими уклонами. Интенсивность водообмена в зоне региональной трещиноватости изменяется в довольно широких пределах, но, в целом, определяется характером рельефа. Наиболее интенсивный водообмен характерен для пород, дренируемых долинами первых порядков (средние значения модуля стока 8,0 - 6,3 л/с-км"). Значительно меньшие значения модуля стока для пород, дренируемых долинами 3-го и 4-го порядков, и минимальные - для пород, дренируемых долинами 4-го, 5-го порядков.

Тесная связь параметров рельефа с модулем стока подтверждается проведенным корреляционным анализом (табл. 4). Для всех модульных характеристик стока установлены значимые положительные связи с уклоном базисной поверхности и отрицательные - с площадью водосборов. Наиболее тесной связью с уклонами отличаются модули подземного стока (коэффициенты парной корреляции 0,71-0,76).

Таблица 4. Коэффициенты парной корреляции модулей стока и морфометрических параметров водосборов_

Модули стока Площадь Периметр Длина дрены Отметки рельефа Мощность зоны дренирования Уклон

Минимальные Максимальные Средние

-0,61 -0,50 -0,46 -0,75 -0.23 -0,52 -0,06 0,65

А^ИОН. -0,60 0.49 -0,46 -0,79 -0,26 -0,58 -0.08 0,61

-0,58 -0,49 -0.45 -0,52 -0,07 -0,23 0,06 0,76

'^'Аыд'1 1 -0,53 -0,47 -0,48 -0.41 -0,16 -0,20 -0,07 0,71

Л'рсчп модуль речного стока; Мта.- модуль поверхностной составляющей речного стока; Л'/.юдч. - модуль подземной составляющей речного стока; Мпот.ш. - модуль глубинной доли в подземной составляющей речного стока. Отмечены значимые величины коэффициентов корреляции для 0,10 уровня значимости.

Параметры, характеризующие формирование подземного стока, с привлечением метода множественной линейной регрессии могут быть объединены в единое уравнение. Ряд подобных регрессионных уравнений, описывающих зависимость подземного стока на различных уровнях дренирования от определяющих его морфометрических параметров, получен на основе данных по участку детальных исследований (Централышнский гранитоидный массив), а в масштабах всего Кузнецкого Алатау - обобщенное уравнение, учитывающее помимо морфометрических особенностей территории, также климатический и гидрогеологический факторы (табл. 5).

Таблица 5. Взаимосвязь модуля подземного стока с параметрами рельефа

Централышнский гранитоидный массив

Бассейны 2-го порядка М = 73,9 - 0,000950ЬР - 0,03Н„Ш1 - 0,09Нгаах + 0,0008Н1Я -52ШЬ-16735Л)ЬР Я2=0,66; N=21

Бассейны 3-го порядка М = -6,7 + 0,00015Е>ЬР - 0,05Нтп + 0,06Нтм + 0,0013Н1Я + 321ЖЬ -20388/ОЬР Я2=0,36; N=27

Бассейны 4-го порядка М = -22,8 + 0,000420ЬР + 0,0013Нт11 + 0,032Ити -0,0012Н1К + 60,5иКЬ - 2722,58/0ЬР Я2=0,91; N=17

В целом по району М = -1,7 - ОЛРООЬ + ОДХХШЬР - ОДЮбН,™ +0,017Нти + 0,00005Н1Я+ 1б,4иКЬ-Ю675/ОЬР Я2=0,41; N=94

Северная часть Кузнецкого Алатау

В целом по району М =-3.26РЭОЬ + О.ОООПЗШ.Р - 0.001288 - 0.00804Нтах -0.00721сШ + 34.0UKL-2.24 Рог + 0.005820з Я2=0,71; N=46

где ГООЬ - порядок долины; ИЬР - длина дрены, м; Н^п - высота появления источника, м; Нгаах ~ высота области питания, м; с!Н - мощность зоны дренирования, м; Н1Я - ширина

потока, м; 11КЬ - уклон; Б - площадь водосборного бассейна, км2; Рог коэффициент проницаемости горных пород (0-1); Ов - атмосферные осадки, мм.

Одним из результатов проведенных исследований является уточнение составляющих водного баланса на основе сопоставления результатов расчленения

гидрографов с данными по атмосферным осадкам и испарению (рис. 7).

В результате использования полученного уравнения в сочетании с базисными поверхностями были рассчитаны численные

характеристики стока, позволившие охарактеризовать интенсивность водообмена на различных уровнях дренирования подземных вод реками соответствующих порядков. На основе полученных данных были построены карты, отражающие

Слой стока, мм п [ Г] осад™, им

г—I щ] 570 I-1

{-*»- | Испарение, мм сто«.ци

1 Испарение, ии

Рис. 7. Карта элементов водного баланса

распределение модулей подземного стока на соответствующих уровнях дренирования (рис. 8).

■ Километры □границы Купившего Алатау

Модул» подземного О'О.а Л!С 1м2)

— г 7 - в

Рис. В. Карты модуля стока на уровнях дренирования 2-го (А), 4-го (Б) и 6-го (В) порядков

Зависимость модулей подземного стока от уровней дренирования показана на рис. 9.

-ЗолотонКитат

-Дудет

-Кожух

-Урюп

-Тандон

-Кия

- Черный Нюс -Чулым

- Верхняя Терсь -Белый Пюс

3 4 5

Порядок речной долины

Рис. 9. Зависимость модулей подземного стока от уровней дренирования

Полученные результаты наглядно характеризуют изменение величин модулей подземного стока с глубиной: так, при переходе от долин 2-го порядка до 6-го происходит закономерное замедление водообмена, характеризующееся снижением модулей стока с 12 л/сек-км" до 5-6 л/сек-км" в наиболее возвышенной части рассматриваемой территории.

Глава 5. Прикладные аспекты исследований

Вопросы, рассматриваемые в данной главе, связаны с совершенствованием приемов количественной оценки ресурсов подземных вод горно-складчатых территорий, оценкой роли подземных вод в разрушении горных пород и перераспределении элементов между новообразующимися жидкой и твердой фазами, оценкой потенциального антропогенного воздействия на качество речных вод, с совершенствованием некоторых приемов гидрогеохимического метода поисков рудных месторождений.

Особое внимание уделено количественной оценке перераспределения вещества в системе вода-порода с привлечением методов физико-химического моделирования. Применительно к природным условиям Центральнинского гранитоидного массива оцениваются масштабы преобразования исходной породы и образования вторичной минеральной фазы. Для решения данной задачи использовался модуль физико-химического моделирования программного комплекса Нус1гоСео (МБ. Букаты).

Показаны примеры прогноза распространения вещества в подземных водах на основе построения базисных поверхностей (рис. 10).

Решение задачи обоснования гидрогеохимических аномалий,

сводится к определению их пространственного положения на основе анализа данных по гидродинамической обстановке формирования и проявления водных потоков рассеяния элементов. Для решения данной задачи необходимо также определиться с местоположением первичного источника элементов, границами фильтрационного потока и характером водообмена. Применительно к рассматриваемой территории направление подземного химического стока совпадает с направлением фильтрации подземных вод и может быть охарактеризовано на различных глубинах дренирования подземных вод речной сетью на основе базисных поверхностей.

Учитывая то, что отбор проб проводился из речек, нижней границей аномалии является базис дренирования реки соответствующего порядка. Боковыми границами определяемой аномалии являются линии тока, восстановленные от крайних аномальных точек до водоразделов. Таким образом, при объёмном рассмотрении аномалии ее границами будут выступать поверхность рельефа и базисные поверхности различных порядков.

О 0,7 1.4 2.1 2.6хм

• Известные рудные узлы С Пробы с повышенным содержанием золота {>0 0001 мг/л)

ИэоБаэиты, м

# # ? # # # # #

Рис. 10. Ленты тока гидрогеохимических аномалий по золоту

На основе анализа гидродинамических ссток (разностей базисных поверхностей) определено, что форма лент тока определяется характером эрозионной расчлененности территории.

Таким образом, пространственное расположение аномалий контролируется линейными структурными элементами базисных поверхностей и определяется с использованием гидродинамических сеток разных порядков. Причем направления потоков дренирования на различных его глубинах могут различаться как по форме и протяженности, а также могут накладываться друг па друга, образуя сложную пространственную картину движения подземных вод.

Средствами ГИС производится анализ базисных поверхностей в трехмерном пространстве и расчет для каждой из них направлений движения подземных вод с заданной степенью детализации. В результате данных операций строится модель, отражающая общие закономерности движения подземных вод, дренируемых речной сетыо во всем объеме горных пород. Иллюстрация практического применения данного подхода приведена на рис. 10, где представлен анализ расположения возможных рудных узлов в пределах Цснтральнинского гранитоидного массива. Как видно из рисунка, использование данного подхода достаточно качественно описывает имеющийся фактический материал, а также показывает перспективные направления поиска рудопроявлений.

Заключение

В ходе проведения диссертационной работы были получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Основными природными факторами, определяющими формирование подземного стока в пределах северной части Кузнецкого Алатау являются высотно-климатические, геоморфологические, геологические и гидрогеологические условия, определяющие величину питания, долю инфильтрации, проницаемость пород, глубину и направление миграции подземных вод. Установлено, что пространственная изменчивость величины модуля подземного стока поддается анализу и функциональному описанию через количественные оценки рассмотренных факторов его формирования (количество атмосферных осадков, гипсометрические и морфометричсские параметры водосборов и величины проницаемости пород).

2. Выявлены и исследованы закономерности разгрузки подземных вод в реки разных порядков. Установлены численные характеристики стока как для вод самых верхних частей геологического разреза, характеризующегося наиболее высокими фильтрационными свойствами и дренируемых реками первых порядков, так и для подземные воды более глубоких частей геологического разреза, характеризующиеся относительно низкими фильтрационными свойствами, и дренируемых реками высоких порядков. Охарактеризована зависимость величины модуля подземного стока от порядка дрены. Разработаны новые подходы, направленные на совершенствование используемых в настоящее время методов оценки ресурсов подземных вод.

3. На основе выявленных взаимосвязей характеристик подземного стока по единичным створам стационарных гидрометрических постов и количественных оценок природных факторов разработана технология оценки и картирования подземного стока горно-складчатых областей, в своей основе использующая современные средства ГИС-техиологий.

4. Проведенное физико-химическое моделирование позволило произвести оценку геологической роли подземных вод применительно к условиям района детальных исследований.

5. Анализ и сопоставление характера базисных поверхностей с точками опробования химического состава подземных вод позволили наметить подходы к картированию и определению пространственного залегания гидрогеохимических аномалий, что продемонстрировано на примере анализа потоков рассеяния рудных элементов в пределах района детальных исследований.

6. Задачи и перспективы дальнейших исследований:

- оптимизация и расширение набора анализируемых природных факторов формирования подземного стока, в том числе антропогенных воздействий;

- физико-химическое моделирование перераспределения рудогепных элементов применительно к разнообразным геологическим условиям;

- оптимизация методики анализа данных по гидродинамической обстановке формирования и проявления водных потоков рассеяния элементов при проведении экологических и поисковых исследований.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Центральные издания, входящие в перечень ВАК

1. Никитенков А.Н., Дутова Е.М. Речной сток и морфометрические параметры водосборов северной части Кузнецкого Алатау //Известия Томского политехнического университета. - 2010, - т. 316. - № 1.-С. 142-147.

2. Дутова Е.М., Никитенков А.Н. Физико-химическое моделирование поведения урана в системе «вода-гранитоиды» //Вестник Томского государственного университета. - 2010. - № 330. - С. 202-208.

Издания за рубежом

3. Никитенков А.Н. Оценка антропогенного воздействия на речные воды в пределах северной части Кузнецкого Алатау //Материалы научно-практической конференции в рамках VII Международного форума «Aqua Ukraine - 2009»: Вода и окружающая среда, 10-13 ноября 2009,- Киев: Изд-во Международного выставочного центра, 2009. - С. 100-101.

4. Дутова Е.М., Кузеванов К.И., Колбышева О.И., Никитенков А.Н. Водосборы северо-западного Салаира //Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами: Тезисы Междунар. конф. Улан-Удэ (Россия) - Улан-Батор (Монголия). - Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 2004. - С. 54-55.

Всероссийские конференции и совещания

5. Никитенков А.Н. Особенности поведения урана в системе «вода-

гранитоиды» в окислительных условиях //Сборник трудов XIII Международного симпозиума «Проблемы геологии и освоения недр». - Томск: Изд-во HTJI, 2009. - С. 255-257.

6. Никитенков А.Н. Использование ГИС-технологий для оценки морфомстрических параметров водосборов северной части Кузнецкого Алатау //Сборник трудов XII Международного симпозиума «Проблемы геологии и освоения недр». - Томск: Изд-во HTJI, 2008. - С. 270-272.

7. Никитенков А.Н. Роль морфомстрических параметров водосборных бассейнов в формировании подземного стока рек северной части Кузнецкого Алатау. //Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике: Материалы Всероссийской (с междунар. участием) науч.-практ. конф. молодых ученых (15-17 октября 2007 г.) - Белгород: Изд-во БелГУ, 2007. -С. 17-18.

8. Никитенков А.Н. Физико-химическое моделирование поведения урана в системе «вода-горная порода» // Сборник трудов XI Международного симпозиума «Проблемы геологии и освоения недр». - Томск: Изд-во HTJI, 2007.-С. 212-214.

9. Никитенков А.Н. Особенности распределения подземного стока северной части Кузнецкого Алатау //Сборник трудов X Международного симпозиума «Проблемы геологии и освоения недр». - Томск: Изд-во HTJI, 2006. - С. 204206.

10. Никитенков А.Н. Влияние морфологических параметров водосборов Центральпипского гранитоидпого массива (Кузнецкий Алатау) на распространение загрязняющих веществ //Материалы IX Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий. Экологический катализ», г. Новосибирск. - Новосибирск, 2005. -С. 23-24.

11. Никитенков А.Н. Закономерности изменения стока водосборов Центральнинского гранитоидпого массива (Кузнецкий Алатау). //Сборник трудов IX Международного симпозиума «Проблемы геологии и освоения недр». - Томск: Изд-во HTJI, 2005. - С. 244-246.

12. Никитенков А.Н. Водосборы Центральнинского гранитоидпого массива (Кузнецкий Алатау) //Материалы XI Всероссийской студенческой научной конференции "Экология и проблемы охраны окружающей среды", г. Красноярск. - Красноярск, 2004. - С. 28-29.

13. Никитенков А.Н. ГИС "Водные ресурсы Центрального рудного поля (Кузнецкий Алатау)" //Материалы Международного студенческого форума "Образование, наука, производство", г. Белгород. - Белгород, 2004. - С. 15-16.

14. Никитенков А.Н. Водные ресурсы Центральнинского гранитоидного массива (Кузнецкий Алатау) //Сборник трудов VIII Международного симпозиума «Проблемы геологии и освоения недр». - Томск: Изд-во HTJI, 2004. - С. 333-334

Подписано к печати 22.11.2010. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка».

Печать XEROX. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 0,95. _Заказ 1985. Тираж 120 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008

MMTBbcniîVW. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Никитенков, Алексей Николаевич

Введение.

1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Обзор современных представлений о водных ресурсах и подземном стоке.

1.2 Обзор существующих методов оценки естественных ресурсов подземных вод.

1.3 Постановка проблемы исследования.

2 ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО СТОКА.

2.1 Физико-географические условия.

2.2 Геологическое строение.

2.3 Гидрогеологические условия.

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВА11ИЙ.

3.1 Характеристика исходных данных.

3.2 Картографические построения.

3.3 Обработка пространственной информации средствами ГИС.

3.3.1 Определение морфометрических параметров рек и водосборных бассейнов на основе цифровой модели рельефа.

3.3.2 Построение базисных поверхностей.

3.3.3 Визуализация расчетных значений подземного стока.

3.4 Гидрологические расчеты.

3.4.1 Расчет величин подземного стока методом генетического расчленения гидрографа.

3.4.2 Оценка подземного стока района детальных исследований.

3.5 Статистическая обработка данных.

4 ФОРМИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО СТОКА.

4.1 Характеристика основных водосборов.

4.2 Оценка подземного стока.

4.3 Морфометрические параметры водосборов.

4.4 Пространственные з акономерности движения подземных вод.

4.5 Формирование подземного стока и пространственные закономерности изменения его модуля.

5 ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Оценка ресурсов подземных вод северной части Кузнецкого Алатау.

5.2 Геохимия подземных вод.

5.3 Количественная оценка перераспределения вещества в системе вода-горная порода.

5.4 Оценка потенциального антропогенного воздействия на качество речных вод.

5.5 Роль подземного стока в перераспределении рудогенных элементов (на примере поведения урана).

5.6 Базисные поверхности как средство прогноза распространения вещества в подземных водах.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Особенности формирования подземного стока северной части Кузнецкого Алатау"

Актуальность работы.

Характеристики ^подземного стока широко используются при решении множесгва теоретических и прикладных задач, связанных с изучением закономерностей распространения и формироваиия подземных вод, поисками и разведкой месторождений, комплексным и рациональным* использованием водных ресурсов, решением водно-экологических проблем, эксплуатацией недр и др.

Существующие методы, оценки стока базируются на анализе гидрометрических данных, получение которых в натурных условиях требует организации стационарных постов и проведения трудоемких, длительных, дорогостоящих полевых работ, что реально возможно только для крупных водосборных бассейнов [60; 61; 67; 75]. В этой связи для территорий, характеризующихся слабой гидрогеологической изученностью, весьма актуальными становятся методические приемы оценки взаимосвязи характеристик стока и параметров определяющих их факторов, создаваемые на основе современных компьютерных и геоинформационных технологий. Среди морфометрических параметров водосборов могут быть высотные характеристики, определяющие количество атмосферных осадков, уклоны поверхности, определяющие скорости движения вод, и проч. Установленные на основе данных единичных створов стационарных гидрометрических постов с помощью средств »современных ГИС-технологий взаимосвязи могут использоваться для определения характеристик стока на аналогичных, но слабо изученных территориях. В качестве объекта исследований нами выбрана находящаяся в мало измененных природных условиях северная часть Кузнецкого Алатау, где, помимо многолетних наблюдений на стационарных гидрологических постах, проводились гидрогеологические и гидрометрические исследования,, позволяющие с достаточной детальностью выявить основные закономерности формирования подземного стока.

Цель работы

Целью данной работы является выявление закономерностей формирования подземного стока северной части Кузнецкого Алатау с использованием современных геоинформационных технологий.

Основные задачи:

- собрать фактический материал, провести гидрологические расчеты и оценить характеристики подземного стока;

- провести анализ и обосновать набор факторов формирования подземного стока;

- установить взаимосвязи характеристик подземного стока и количественных оценок природных факторов;

- усовершенствовать приемы оценки и картирования характеристик подземного стока для горно-складчатых областей;

- показать примеры использования характеристик подземного стока для решения прикладных задач.

Исходные материалы и методика исследований.

В основу работы положены фактические материалы, собранные в ходе исследований, проводимых сотрудниками кафедры ГИГЭ ИГНД Томского политехнического университета, данные космического зондирования Земли по программе SR.TM, многолетние данные Росгидромета (10 гидрологических постов) и материалы гидрометрической съемки в пределах объекта детальных исследований (более 200 створов).

Методика исследований включает в себя обработку, анализ и интерпретацию данных с применением современных ГИС-технологий, статистического и регрессионного анализа и физико-химического моделирования. Для обработки, анализа и интерпретации пространственных параметров задействованы программные комплексы Surfer, ArcView 3.2а, ArcGIS 9, Ilwis 3.5 Open и программа по сшивке SRTM данных, созданная средствами BDS 2006. Для статистического анализа и регрессионного анализа использовались программы Microsoft Excel и Statistica. Промежуточные расчеты производились встроенными возможностями Microsoft Excel, а также с использованием расчетных макросов, созданных с использованием Visual Basic for Applications. Физико-химическое моделирование процессов взаимодействия в системе вода-порода осуществлялось средствами программного комплекса HydroGeo (М. Б. Букаты [13]).

Научная новизна работы.

Впервые для северной части Кузнецкого Алатау детально определены значения и пространственная изменчивость модулей стока подземных вод и произведена оценка интенсивности водообмена на различных уровнях дренирования. Установлены функциональные зависимости, описывающие связь подземного стока и определяющих его факторов. Предложены методические подходы к оценке и картированию подземного стока в условиях слабо изученных горно-складчатых территорий.

Основные защищаемые положения.

1. Формирование подземного стока в пределах северной-части* Кузнецкого Алатау обуславливается преимущественно природными факторами; среди которых ведущую роль играют высотно-климатические, геоморфологические, геологические и гидрогеологические условия, определяющие величину питания, долю инфильтрации, проницаемость пород, глубину и направление миграции подземных вод. Пространственная изменчивость величины модуля подземного стока поддается анализу и функциональному описанию через количественные оценки природных факторов (количество атмосферных осадков, гипсометрические и морфометрические параметры водосборов и величины проницаемости пород).

2. Подземный! сток рек разных, порядков отражает иерархической характер разгрузки подземных вод. Подземные воды самых верхних частей геологического разреза, характеризующегося наиболее высокими фильтрационными4 свойствами, дренируются реками первых порядков, подземные воды большей мощности, в том- числе и более глубоких частей геологического разреза, характеризующиеся относительно низкими фильтрационными свойствами, дренируются реками высоких порядков. С увеличением порядка дрены наблюдается уменьшение величины модуля подземного стока.

3. Технология оценки и картирования подземного стока горно-складчатых областей, базирующаяся на использовании взаимосвязей характеристик подземного стока по единичным створам стационарных гидрометрических постов и количественных оценок природных факторов, полученных с помощью средств современных ГИС-технологий, для определения характеристик стока на аналогичных, но не охваченных гидрометрическими постами территориях.

Практическая значимость работы заключается в:

- создании электронных карт базисных поверхностей различных уровней дренирования, которые можно использовать для определения направления миграции подземных вод и вещества (загрязнителя или элементов потоков рассеяния от источников оруденения) при гндрогеохимических экологических или поисковых исследованиях;

-« создании; электронных карт модулей; подземного - стока различных; уровней! дренирования, которые можно« использовать для решения? водно-экологических задач: и принятия грамотных управленческих решений в сферс водного хозяйства; водоснабжения; планирования развития населенных пунктов, и горнодобывающих: предприятий; минимизации, экологическогоущерба. /. . .

Апробация работы.

Основные- положения? работы i докладывались на Международных конференциях студентов< и молодых; учёных, имени М.А. Усова? (Томск,: 2004, 2005,, 2006,, 2007,: 20081 2009); Всероссийской; конференции-; «Проблемы гидрогеологии инженерной геологии.« и гидрогеоэкологии». (Томск,. 2010),. Международной научно-практической конференции; «Вода и- окружающая среда» (Киев; • 2009), Всероссийской' научно-практической конференции- молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки, к практике» (Белгород; 2007), Международной ■ экологической« студенческой конференции: «Экология« Россищш сопредельных, территорий;. Экологический катализ» (Новосибирск, 2005), ХГ Всероссийскошстуденческойшаучной конференции «Экология и проблемы охраны окружающей среды» (Красноярск, 2004), Международной конференции; «Научные основы; сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ, 2004).

Результаты. исследований бьши использованы при» выполнении;, работ в рамках просктаРФФИ 07-05-12005-офи,. гранта «Разработка методики расчета подземного стока малых водосборов в горных районах на основе, морфоструктурно-гидрогеологического анализа» программы УМНИК (2007 г.), а также в отчетах по; работам Сибирской гидрогеохимической пнсолы (2006 г.). ■

Материалы опубликованы в печати - 14 работ, в том- числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 2 - в зарубежных изданиях.

Личный вклад автора.

Автором осуществлены сбор, анализ и обработка фактического материала по району исследований; ; с использованием специализированных программных; модулей; созданных в; рамках выполнения работы на языках программирования; С++ и Visual Basic, проведен; статистический анализ и обработка гидрологических и; пространственных данных; с использованием; ГИС-технологий вьшолнены картографические, построения; интерпретированы результаты работы и сформулированы выводы.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объём 177 страниц, включая 61 рисунок, 20 таблиц, список литературы из 111 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Никитенков, Алексей Николаевич

Заключение

1. Основными природными факторами, определяющими формирование подземного стока в пределах северной части Кузнецкого Алатау являются высотно-климатические, геоморфологические, геологические и гидрогеологические условия, определяющие величину питания, долю инфильтрации, проницаемость пород, глубину и направление миграции подземных вод. Установлено, что пространственная изменчивость величины модуля подземного стока поддается анализу и функциональному описанию через количественные оценки рассмотренных факторов его формирования (количество атмосферных осадков, гипсометрические и морфометрические параметры водосборов и величины проницаемости пород).

2. Выявлены и исследованы закономерности разгрузки подземных вод в реки разных порядков. Установлены численные характеристики стока как для вод самых верхних частей геологического разреза, характеризующегося наиболее высокими фильтрационными свойствами и дренируемых реками первых порядков, так и для подземных вод более глубоких частей геологического разреза, характеризующегося относительно низкими фильтрационными свойствами и дренируемых реками высоких порядков. Охарактеризована зависимость величины модуля подземного стока от порядка дрены. Разработаны новые подходы, направленные на совершенствование используемых в настоящее время методов оценки ресурсов подземных вод.

6. Задачи и перспективы дальнейших исследований:

- оптимизация и расширение набора анализируемых природных факторов формирования подземного стока, в том числе различных антропогенных воздействий;

- физико-химическое моделирование перераспределения рудогенных элементов применительно к разнообразным геологическим условиям;

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Никитенков, Алексей Николаевич, Томск

1. Алабин JI.B. Центральнинский массив Мартайгинского гранитоидного комплекса (Кузнецкий Алатау) Мартайгинские формации Сибири и Дальнего Востока. М: Наука, 1971.-с. 169-213.

2. Атлас Кемеровской области для школьников: Учебное пособие для школьников./ Под ред. В.И. Гнатишина. Кемеровская область - Москва: Просвещение,2002. -31с.

3. Атлас Красноярского края и Республики Хакасия. /Под ред. И.В. Иванова.— Новосибирск: Новосибирская картографическая фабрика, 1994. 84 с.

4. Бабинец А.Е., Боревский Б.В., Шестопалов В.М. Формирование эксплуатационных ресурсов подземных вод платформенных структур Украины. Киев: Наукова думка, 1979.-214с.

5. Барсуков B.JL, Борисов М.В: Модели растворения урана в природных водах разного состава. // Геохимия. 2003. - №1. — с. 43-69.

6. Белоусова- А.П., Гавич И.К., Лисенков А.Б., Попов Е.В. Экологическая гидрогеология: учебник для вузов. М.: Академкнига, 2007. - 397 с.

7. Берлянт А. М. Виртуальные геоизображения. М.: Научный мир, 2001. - 56 е.: 2 цв. вкл.

8. Беус A.A., Грабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды,- М.: Недра, 1976.-248с.

9. Биндеман H.H., Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М.: Недра, 1970.-215 с.

10. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод Киев: Высшая школа, 1989. — 407 с.

11. Бочевер Ф.М., Гармонов И.В., Лебедев A.B., Шестаков В.М. Основы гидрогеологических расчетов М: Недра, 1969. - 368 с.

12. Бочевер Ф.М., Лапшин H.H., Орадовская А.Е. Защита подземных вод от загрязнения. -М.: Недра, 1979.-254с.

13. Букаты М.Б. Рекламно-техническое описание программного комплекса HydroGeo. Номер гос. регистрации алгоритмов и программ во Всероссийском научно-техническом информационном центре (ВНТИЦ) № 50200500605. М.: ВНТИЦ, 2005.-7 с.

14. Букаты М.Б., Трусова И.В. Особенности поведения урана в подземных водах зоны затрудненного водообмена по данным физико-химического моделирования. //

15. Материалы региональной конференции геологов Сибири, Дальнего Востока и Северо-Востока России. Том I. Томск: ГалаПресс, 2000. - с. 361-363.

16. Булавко А.Г. Водный баланс речных водосборов. Ленинград: Гидрометеорологическое издательство, 1971. - 304 с.

17. Васильченко A.A., Баранов П.В., Буко Т.Е. Заповедник «Кузнецкий Алатау». // Заповедники России. Заповедники Сибири. II. М.: Логата, 2000 - с. 110-121.

18. Виссмен У., Харбаф Т., Кнэпп Д. Введение в гидрологию./ Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 472 с.

19. Всеволожский В. А. Подземный сток и водный баланс платформенных структур-М.: Недра, 1983. 167 с.

20. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода-порода: в 5 томах. Т. 1: Система вода-порода в земной коре: взаимодействие, кинетика, равновесие, моделирование. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. - с. 193-220.

21. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода-порода: в 5 томах. Т. 2: Система вода-порода в условиях зоны гипергенеза. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007.-389 с.

22. Германов А.И. Уран в природных водах. //Основные черты геохимии урана. М.: Изд-во АН СССР, 1963. С.290-336.

23. Гидрогеология СССР. Сводный том в пяти выпусках. Вып. 3. Ресурсы подземных вод СССР и перспективы их использования. М.: Недра, 1977. - 279 с.

24. Гидрогеология СССР. Том XVII. Кемеровская область и Алтайский край. ЗападноСибирское геологическое управление./ Редакторы М. А. Кузнецова и О. В. Постникова. М.: Недра, 1972. - 399 с.

25. Гидрологический ежегодник. Том 6. Бассейн Карского моря. Выпуск 0-3. Река Обь и ее бассейн до устья р. Иртыш.— Новосибирск, 1964-75 гг.

26. Дутова Е.М., Никитенков А.Н. Физико-химическое моделирование поведения урана в системе «вода-гранитоиды» //Вестник Томского государственного университета,2010,— №330.— с. 202-208.

27. Зверев В. П. Роль подземных вод в миграции химических элементов. М.: Недра, 1982.- 186с.

28. Зекцер И.С., Джамалов Р.Г. Подземные воды в водном балансе крупных регионов. — М.: Наука, 1989.- 124 с.

29. Калинин Г.П. Проблемы глобальной гидрологии. Ленинград: Гидрометеорологическое издательство, 1968. - 378 с.

30. Каменский Г.Н., Корчебоков H.A., Разин К.И. Движение подземных вод в неоднородных пластах. — М.: Объединенное научно-техническое издательство, 1935. 169с.

31. Квашнин Г.П. Организация производства и экономика бурения водозаборных скважин. М.: Недра, 1984. - 245 с.

32. Кирюхин В. А., Коротков А. И., Павлов А. Н. Общая гидрогеология: Учебник для вузов. — Л.: Недра, 1988.-359 с.

33. Кисляков Я.М., Щеточкин В.Н. Гидрогенное рудообразование. — М.: Геоинформмарк, 2000. 610 с.

34. Климентов П.П., Богданов Г.Я. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1977. - 357с.

35. Комлев A.M. Закономерности формирования и методы расчетов речного стока. -Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2002. 163 с.

36. Кондратьева И.А., Нестерова М.В. Инфильтрационные урановые месторождения в мезозойских речных палеодолинах Западной Сибири. // Уран на рубеже веков: природные ресурсы, производство, потребление. М.: Изд-во ВИМСа, 2002 - с. 144158.

37. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: Наука, 2004 - 677с.

38. Крайнов С.Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. М.: Недра, 1987. - 237с.

39. Куделин Б.Н. Принципы региональной оценки естественных ресурсов подземных вод.- М.: МГУ, 1960. 344 с.

40. Кусковский B.C., Кашеваров A.A., Рыбакова С.Т. Оценка запасов подземных вод инфильтрационных водозаборов (математическое моделирование).— Новосибирск:

41. Изд-во СО РАН, 2004. 156с.

42. Ларионов А. К. Занимательная гидрогеология. М.: Недра, 197"9— 157 с

43. Лисицин А.К. Гидрогеохимия рудообразования (на примере экзогенных эпигенетических урановых руд). — М.: Недра, 1975. 247 с.

44. Лукин A.A. Морфоструктурно-гидрогеологический анализ. Гидрогеологическое прогнозирование и морфоструктурно-гидрогеологический анализ, Томск: Изд-во ТПУ, 1995. - 48 с.

45. Лукин A.A. Опыт разработки методики морфоструктурНогидрогеологиче(жого анализа. Новосибирск: Наука, СО РАН, 1987. - 110 с.

46. Львович М. И. Вода и жизнь: (Водные ресурсы, их преобразование и охрана). М.: Мысль, 1986.-254 с.

47. Максимова М.Ф., Шмариович Е.М. Пластово-инфильтрациовдое рудообразование.1. М.: Недра, 1993.-160 с.

48. Математический энциклопедический словарь. /Гл. ред. Ю. В. Прохоров; Ред. кол.: С И. Адян, Н. С. Бахвалов, В. И. Битюцков, А. П. Ершов, JX Д. Кудрявцев, А. Л. Онищик, А. П. Юшкевич. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — 847 с

49. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод. /Под. ред. A.B. Караушева. д.: Гидрометеоиздат, 1987.-286с.

50. Наумов Г.Б. Миграция урана в гидротермальных растворах // Геология рудных месторождений. 1998. - № 4. - с. 307-325.

51. Никитенков А.Н., Дутова Е.М. Речной сток и морфометрические параметры водосборов северной части Кузнецкого Алатау // Известия Томского политехнического университета, 2010. т. 316-№ 1. - с. 142-147.

52. Орадовская А. Е., Лапшин Н. Н. Санитарная охрана водозаборов подземных вод. -М.: Недра, 1987. 167 е., с ил.

53. Перельман А.И. (Ред.). Гидрогенные месторождения урана. Основы теории образования. М.: Атомиздат, 1980 - 270 с.

54. Перельман А.И. Геохимия природных вод. М.: Наука, 1982.- 154 с.

55. Писарский Б.И. Закономерности формирования подземного стока бассейна озера Байкал. Новосибирск: Наука, 1987. - 155 с.

56. Плотников Н.И. Поиски и разведка пресных подземных вод: Учеб. пособие для вузов. —1. М.: Недра, 1985.-370 с.

57. Подземные воды мира: ресурсы, использование, прогнозы / Под ред. И.С. Зекцера; Ин-т водных проблем РАН. М.: Наука, 2007. - 438 с.

58. Подземный сток на территории СССР./ Под ред. проф. Б.И. Куделина. М.: Изд-во Московского университета, 1966. - 303 с.

59. Попов О.В. Подземное питание рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1968.-291 с.

60. Порядин А. Ф. Устройство и эксплуатация водозаборов. М.: Стройиздат, 1984183с.

61. Природные воды Ширинского района республики Хакасия /Под ред. В.П. Парначева. -Томск: Изд-во Томского университета, 2003. 183 с.

62. Радиогидрогеологические исследования при прогнозировании и поисках урановых месторождений, связанных с зонами пластового окисления./Е.В.Анкудинов, А.Г.Арье, А.М.Боголюбов и др.- Л: Недра, 1988. 168 с.

63. Радиогидрогеологический метод поисков месторождений урана/ А.Н.Токарев, Е.Н. Купель, Т.П.Попова и др. М.: Недра, 1975. - 255 с.

64. Рассказов Н.М., Букаты М.Б. Оценка ресурсов и запасов подземных вод: Учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2002 - 48 с.

65. Ржаницын Н.А. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1960. - 238 с.

66. Савичев О.Г. Тенденции и возможные причины многолетних изменений ионного стока рек в бассейне Средней Оби // Фундаментальные проблемы современной гидрогеохимии: Труды Междунар. научн. конф. Томск: Изд-во НТЛ, 2004. - с.308.313.

67. Скиннер Б. Хватит ли человечеству земных ресурсов?/ Пер. с англ. М.: Мир, 1989. -264 с.

68. Соколов А.А. Гидрография СССР Л: Гидрометеоиздат, 1952. - 280 с.

69. Справочное руководство гидрогеолога./ Под ред. В.М. Максимова. Л.: Недра, 1979.-512 с.

70. Стурман В. И. Экологическое картографирование: Учебное пособие / В. И. Стурман. М.: Аспект Пресс, 2003. - 251 с.

71. Условия образования, принципы прогноза и поисков золоторудных месторождений. -Новосибирск: Наука, 1983. -224 с.

72. Шахов И.С. Водные ресурсы и их рациональное использование. Екатеринбург: 2000. - 289 с.

73. Шварцев С. JL Гидрогеохимия зоны ¡гипергенеза. 2-е изд., исправл. и доп. - М.: Недра, 1998.-366 с. <

74. Шварцев С. JL Общая гидрогеология: Учебн. для вузов.- М.:Недра, 1996. 423 с.:ил.

75. Abdelouas A, Lutze W, Nuttall Е. Chemical reactions of uranium in ground water at a mill tailings site. J Contam Hydrol 1998; 34:343-61.

76. David Banks, Paul L. Younger, Rolf-Tore Arnesen, Egil R. Iversen, Sheila B. Banks, October 1997 "Mine water chemistry: the good, the bad and the ugly" Environmental Geology 32(3)

77. Domenico, P.A., and F.W. Shwartz. Phisical and Chemical Hydrogeology. John Wiley & Sons, New York, 1998. 506 p.

78. Getting to know ArcView. Geoinformation International a division of Pearson Professional Limited, Cambridge, 1996 528 p.

79. Higgins C.G., and D.R. Coates. Groundwater geomorphology. Geol. Soc. Am. Special Paper 252,1990.-368p.

80. Horton R.E. The role of infiltration in the hydrologic cycle, Trans/ Am/ Geophys. Union, vol. 14,1933.-p. 446-460.

81. LaMoreaux P.E., B.A. Memon, and H.Idris, 1985. Groundwater development, Kharga Oases, Western Desert of Egypt: A long-term environmental concern. Environ. Geol. Water Sci., vol. 7, no. 3, p. 129-149.

82. Salmon S.U., Malmstrom M.E. Geochemical processes in mill tailings: modelling of groundwater composition. Appl Geochem 2004; 19: p. 1-17.

83. Schwartz, Franklin W. Fundamentals of Ground Water / F. W. Schwartz, H. Zhang. New York : John Wiley & Sons, Inc., 2003. - 583 p.

84. Stein R. A hydrogeological investigation of the origin of saline soils at Blackspring Ridge, Univ. of Alberta, Edmonton, 1987. 272 p.

85. Winter, T.C., J.W. Harvey, O.L. Franke and W.M. Alley, 1998. Ground water and surfacewater, a single resource. U.S. Geol. Surv. Circular 1139, Denver, Colorado.

86. Zaporozec, A., and J.C. Miller. Groundwater pollution. UNESCOP International Hydrological Program, 2000. 24 p.

87. Высотные данные srtm против топографической съемки. — Режим доступа: http://web.ru/db/msg.html7midH 177761 Дата обращения: 15.05.2010

88. Импорт данных SRTM с помощью Arcview Spatial Analyst. Режим доступа: http://gis-lab.info/qa/srtm-sa.html Дата обращения : 15.05.2010

89. Лобода Н.С., Шаменкова О.И., Довженко Н.Д. Оценка подземного стока рек горного Крыма на основе гидрометрических данных. Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Uggi/2008 3/Loboda%20Shamenkova%20Dovzhe nko.pdf Дата обращения: 15.05.2010

90. Народная энциклопедия городов и регионов России. Режим доступа: http://rfdata.al.ru/auto/envir/PROJECT.HTM Дата обращения: 15.05.2010

91. Особо охраняемые природные территории России. Интернет-ресурс. — Режим доступа: http://oopt.info/kalatau/comm.html Дата обращения: 15.05.2010

92. Официальный сайт ГУ «Областной комитет природных ресурсов» Кемеровской области. Режим доступа: http://www.ecokem.ru Дата обращения: 15.05.2010

93. Оценка точности матрицы SRTM. Режим доступа: http://www.racurs.ru/?page=506 Дата обращения: 15.05.2010

94. Русскоязычная база данных по названиям населенных пунктов на основе данных VMapO. Режим доступа: http://gis-lab.info/qa/vmapO-settl-rus.html Дата обращения: 15.05.2010

95. A Regional, Electronic, Hydrographie Data Network For the Arctic Region. Режим доступа: http://www.r-arcticnet.sr.unh.edU/v3.0/index.html Дата обращения: 15.05.2010

96. ArcGIS overview. Режим доступа: http://www.esri.com/software/arcgis/index.html Дата обращения: 15.05.2010

97. Digital Chart of the World. Description. Режим доступа: http://www-sul.stanford.edu/depts/gis/DCW.html Дата обращения: 15.05.2010 Дата обращения: 15.05.2010

98. IL WIS Community web page. Режим доступа: http://52north.org/indcx.php?option=com content&view=category&layout=blog&id=16& Itemid=l 57 Дата обращения: 15.05.2010

99. James Hamski et al. Estimation of Hydraulic Parameters and Discharge of the Brahmaputra River from the Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model. Режим доступа: http://bprc.osu.edu/water/presentations/ASLO Hamski Poster.pdf

100. Дата обращения: 15.05.2010

101. Mapping water drainage with SRTM elevation data in Python. — Режим доступа: http://stevendkav.wordpress.com/2009/Q9/18/mapping-water-drainage-with-srtm-elevation-data-in-pvthon/ Дата обращения: 15.05.2010

102. NASA FTP Site. Режим доступа: ftp://e0srp01u.ecs.nasa.gov/srtm/version2/SRTM3/Eurasia/ Дата обращения: 15.05.2010

103. NASA official page. Режим доступа: http://www.nasa.gov/ Дата обращения: 15.05.2010

104. SRTM home page. Режим доступа: http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/ Дата обращения: 15.05.2010

105. The Han River watershed management initiative for the South-to-North Water Transfer project (Middle Route) of China. Режим доступа: http://www.springerlink.com/content/g7227i6277346g4n/ Дата обращения: 15.05.2010

106. World water resources and their use a joint SHI/UNESCO product. Режим доступа: http://webworld.unesco.org/water/ihp/db/shiklomanov/ Дата обращения: 15.05.2010d176

Информация о работе

Никитенков, Алексей Николаевич
кандидата геолого-минералогических наук
Томск, 2010
ВАК 25.00.07

Диссертация

Особенности формирования подземного стока северной части Кузнецкого Алатау - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы