Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Совершенствование мелиоративно-гидрогеологических исследований при проведении оросительных мелиораций

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование мелиоративно-гидрогеологических исследований при проведении оросительных мелиораций"

На правах рукописи

РГ6 од

О ь ,<>:-• •-.'-я

ЛЯЛИН Юрий Серафимович.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕЛИОРАТИВНО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ

Специальность: 06.01.02 - сельскохозяйственная мелиорация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в отделе природно-мелиоративных исследований Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова.

Научный руководитель: . профессор, доктор геолого-минералогических

наук, заслуженный деятель науки Узбекистана

Кац Д.М.

Научный консультант: - доктор технических наук

Парфенова Н.И.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Ведерников В.В.

- кандидат геолого- минералогических наук Бондарик И.Г.

Ведущая организация: - ПО "Совинтервод"

Защита состоится " " _февраля_1998 г. в _10_ часов на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К 020.95.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова по адресу: 127550, г. Москва, ул. Большая Академическая, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан". ^д^/у 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. ЕЛ.Ворожцова

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Каиейро в 1992 г. ( КОСР-92 ), в которой приняло участие 179 государств, включая 'оссию, определила в качестве общей цели мирового сообщества и отдельных госу-[арств на XXI век необходимость обеспечения их устойчивого развития, основанного ia комплексном решении экономических, социальных и экологических проблем с уче-ом интересов нынешнего и будущих поколений. Идеи устойчивого развития ' sustainable development") весьма созвучны идеям " ноосферного" развития В.И. Вер-iадского, которые получили широкое распространение в России. Особое внимание при юшении проблем устойчивого развития в соответствии с рекомендациями КОСР-92 редполагается уделить разработке новых подходов к решению экологических проблем, связанных с обеспечением благоприятного состояния окружающей природной реды и природно-ресурсного потенциала.

Специальная сессия Генеральной Ассамблеи ООН, состоявшаяся 23-27 июня 1997 г.

Нью-Йорке, подтвердила актуальность решений КОСР-92 и наметила конкретный лан действий до 2002 г. по их реализации.

Оросительные мелиорации, основанные на комплексном использовании земельных водных ресурсов в свете рекомендаций КОСР-92 должны рассматриваться как основа стойчивого развития сельского хозяйства в условиях недостаточного естественного влажнения, характерного для многих регионов нашей страны. Доказательством при-тального внимания мирового сообщества к роли оросительных мелиораций в решении роблем устойчивого развития является 16 Конгресс МКИД в Каире в 1996 г. по /стойчивому орошаемому сельскому хозяйству". Отличительной особенностью ороси-ельных мелиораций является широкомасштабное, интенсивное и долговременное оздействие на окружающую среду, нередко сопровождающееся негативными послед-твиями. Этому факту в нашей стране не уделялось достаточного внимания, что приело к снижению эффективности мелиораций и возникновению в ряде случаев кризис-ой экологической обстановки. Возникла острая необходимость разработки новых одходов к обеспечению экологической безопасности и устойчивого развития ороси-эльных мелиораций, дальнейшего совершенствования всего комплекса исследований риродных условий и, прежде всего, мелиоративно-гидрогеологических исследований а орошаемых территориях.

Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании организации и етодов мелиоративно-гидрогеологических исследований для повышения эффектив-ости и экологической безопасности оросительных мелиораций.

Основные задачи включали:

- анализ существующего состояния мелиоративно-гидрогеологических исследований а орошаемых территориях и определение современных требований к их совершен-гвованию;

- совершенствование методики выделения основного (регионального) водоупора на рошаемых территориях;

- разработка комплексного метода гидродинамического и гидрохимического опробо-ания связных пород зоны аэрации;

- совершенствование методики гидрогеохимических прогнозов.

Методика исследований. Методической основой выполненных работ являлся выпол-энный с использованием системного подхода анализ существующего состояния

и перспектив совершенствования мелиоративно-гидрогеологических исследований на орошаемых территориях, рассматриваемых как составной элемент мелиоративной деятельности в новых социально-экономических условиях. Особое внимание уделялось выявлению влияния мелиоративно-гидрогеологических условий на особенности и эффективность оросительных мелиорации и их экологическую безопасность.

В основу работы положены результаты многолетних личных исследований автора при проведении изысканий на объектах орошения в Средней Азии, Южном Казахстане и Поволжье, а также при выполнении научно-исследовательских работ ВНИИГиМ по совершенствованию методики обоснования проектов орошения, разработке научных основ мелиоративного кадастра.

Научная новизна работы:

1. Впервые на основе системного подхода выполнен анализ всего комплекса мелио-ративно-гидрогеологических исследований на орошаемых территориях и сформулированы основные требования к их совершенствованию для обеспечения устойчивого развития оросительных мелиораций.

2. Предложена усовершенствованная методика выделения основного водоупора на орошаемых территориях, рассматриваемого как элемент схематизации взаимодействия оросительных мелиораций с окружающей средой; методика основывается на комплексном анализе гидрогеодинамических и гидрогеохимических факторов.

3. Разработан оригинальный метод комплексного изучения фильтрационных и гидрохимических свойств связных пород зоны аэрации при промывке крупных монолитов ( площадью сечения 300-400 см2 и высотой 20-25 см ), позволяющий повысить полноту и точность получаемых данных.

4. Выявлены характерные особенности процессов солепереноса и солеобмена при промывках монолитов связных пород зоны аэрации с объемным засолением.

5. Предложен новый метод выполнения гидрогеохимических прогнозов в сложных условиях, основанный на использовании результатов математического моделирования геофильтрации и данных экспериментальных исследований процессов солепереноса и солеобмена в связных породах.

Защищаемые положения диссертационной работы:

- требования к совершенствованию мелиоративно-гидрогеологических исследований для обеспечения устойчивого развития оросительных мелиораций;

- усовершенствованная методика выделения основного водоупора;

- комплексный метод изучения фильтрационных и гидрохимических свойств горных пород зоны аэрации на монолитах;

- экспериментально-балансовый метод выполнения гидрогеохимических прогнозов.

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы

при:

- разработке мелиоративно-гидрогеологических разделов планов и программ развития гидромелиораций и схем комплексного использования водных ресурсов речных бассейнов;

- составлении кадастра мелиорированных земель и организации их мониторинга;

- проведении мелиоративно-гидрогеологических исследований при проектировании строительства новых и реконструкции существующих оросительных систем.

Внедрение. Полученные результаты были использованы институтами Гипроводхоз и Союзгипрорис при разработке ТЭО и технического проекта I очереди освоения Келес-ского массива в Чимкентской области в Южном Казахстане, Волгогипроводхоз при обосновании проектов орошения в Волгоградском Заволжье и Сарпинской низмен-

ности, а также Волгоградской гидрогеолого-мелиоративной партией для составления среднесрочных эксплуатационных мелиоративно-гидрогеологических прогнозов, институтом Союзводпроект при обосновании долгосрочных перспектив развития мелио-раций.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на II, III и 1У межведомственных совещаниях по мелиоративной гидрогеологии, инженерной геологии и мелиоративному почвоведению в 1972-80гг., на научных и научно-практических конференциях в Волгогипроводхозе { 1978г.), МГУ ( 1985г.), Союзгипро-водхозе (1988г.), ВНИИГиМе ( 1989, 1995, 1996, 1997 гг.)

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 244 наименований, содержит 19 рисунков и 14 таблиц. Объем работы составляет 125 стр. машинописного текста.

Содержание работы.

Глава 1. Требования к совершенствованию мелиоративно-гидрогеологических исследований для обеспечения устойчивого развития оросительных мелиораций

Оросительные мелиорации получили основное развитие в России в ходе выполнения общей программы развития мелиорации в СССР, принятой в 1966 г. К 1990г. площадь орошаемых земель в Российской Федерации возросла с 1,5 до 6 млн.га. Это позволило существенно повысить объемы и стабильность сельхозпроизводства. В последние годы, наряду с общим спадом производства в России, большие площади орошаемых земель переведены в разряд богарных, практически остановлены работы по строительству новых и реконструкции оросительных систем, строительству дренажа.

Выход из сложившейся ситуации автор видит в необходимости разработки и реализации идей устойчивого развития в соответствии с решениями КОСР-92 применительно к мелиоративной деятельности. В материалах конференции самое пристальное внимание уделяется вопросам устойчивого развития сельского хозяйства, борьбы с засухой и опустыниванием, обеспечения населения качественной питьевой воды. Опыт многих стран, широко использующих новые эколого-экономические подходы, основанные на государственной и общественной экологической экспертизе, платности природопользования, санкциях за нанесение ущерба окружающей среде, убедительно показывает целесообразность и высокую эффективность гидромелиораций в природно-климатических условиях, аналогичных условиям нашей страны. Такие подходы начинают использоваться и в отечественной практике, что находит отражение в новом законодательстве и в новых до:сументах по оценке эффективности инвестиционных проектов.

Официальные шаги по реализации идей устойчивого развития в России не во всем соответствуют принятым на конференции ООН решениям. В частности, в "Концепции перехода РФ на устойчивое развитие", утвержденной Указом № 440 от 01.04.96 г., недостаточное внимание уделяется проблемам развития АПК, практически не затрагиваются вопросы развития сельскохозяйственных мелиораций.

Устойчивое развитие оросительных мелиораций, в понимании автора, есть проведение орошения в таком виде, в таких масштабах и такими темпами, которые обеспечивают высокий уровень экономической эффективности, социальной адаптации и эколо-

гической безопасности оросительных мелиораций в соответствии с особенностями конкретного этапа и общими требованиями перехода страны к устойчивому развитию.

В задачи обеспечения устойчивого развития оросительных мелиораций на основе обобщения предложений ряда авторов в работе включены: разработка региональных и федеральной стратегий устойчивого развития оросительных мелиораций, увязанных с соответствующими стратегиями развития АПК; уточнение методики оценки эффективности гидромелиорации на основе эколого-экономических подходов и ее законодательное закрепление; инвентаризация и паспортизация мелиорированных земель в рамках Государственного земельного кадастра с составлением прогнозов изменения мелиоративного и технического состояния существующих оросительных систем; организация мониторинга на орошаемых землях; совершенствование методов проектирования, строительства и эксплуатации оросительных систем, механизации мелиоративных работ; разработка планов и программ развития орошения для конкретных этапов перехода России к устойчивому развитию; разработка долгосрочной программы научного обоснования устойчивого развития мелиораций с учетом международной координации работ и мировых тенденций природопользования. Важным и принципиально новым при использовании таких подходов является необходимость оценки возможных рисков на всех стадиях принятия технико-экономических решений.

Решение указанных задач невозможно без повышения качества изучения природных условий орошаемых и прилегающих территорий. Мелиоративно-гидрогеологические исследования, рассматриваемые в диссертации, представляют собой один из основных видов мелиоративно-природных исследований орошаемых территорий, оказывающих существенное, а иногда и определяющее влияние на особенности и экономическую эффективность оросительных мелиораций. Их научным обоснованием занимается мелиоративная гидрогеология, сформировавшаяся на стыке мелиоративной и гидрогеологической науки. Становление и развитие мелиоративной гидрогеологии связано с именами А.Н.Костякова, А.Н.Семихатова, Ф.П.Саваренского, В.А.Приклонского, Н.Г.Каменского, О.К.Ланге, М.А.Шмидта, М.М.Крылова, В.В.Ведерникова, С.Ф.Аверьянова, А.Г.Владимирова, Д.М.Каца, Б.С.Маслова, Н.М.Решеткиной, Н.В.Роговской, И.Е.Жернова, В.Г.Ткачук, Н.Н.Веригина, И.П.Айдарова, В.М. Шестакова, И.К.Гавич, Н.Н.Ходжибаева, Н.А.Кенесарина, А.И.Голованова, В.А.Барона, И.С.Пашковского, В.Е.Райнина, Л.М.Рекса, В.В.Бейпина, A.M. Сойфера, Н.И. Парфеновой, Б.А.Файбишенко, Л.В.Кирейчевой, Д.А. Манукьяна, С.Я.Бездниной и других ученых.

Анализ результатов и существующего состояния мелиоративно-гидрогеологических исследований показывает, что общие закономерности гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов при проведении оросительных мелиораций изучены достаточно хорошо. Однако их количественное описание во многих случаях вызывает существенные трудности. Они связаны, в первую очередь, с изучением и прогнозированием гидрогеохимических процессов, определением прогнозных величин инфильтрационно-го питания и фильтрационных свойств горных пород зоны аэрации, с выделением основного ( регионального) водоупора. Обоснованные данные о характере и величине возможных ошибок, которые возникают при оценке мелиоративно-гидрогеологических показателей, используемых в технико-экономических расчетах, отсутствуют. Главный недостаток организации мелиоративно-гидрогеологических исследований заключается в отсутствии целенаправленных взаимоувязанных подходов на разных стадиях мелиоративных работ. Особенно большой разрыв отмечается при переходе от стадий проектирования и строительства к стадии эксплуатации.

На основе выполненного с использованием системного подхода анализа всего комплекса мелиоративно-гидрогеологических исследований, рассматриваемых как обязательный элемент мелиоративной деятельности, автором предложена их структурная схема (рис. 1). Ее отличительная особенность заключается в том, что впервые результаты изучения существующих мелиоративно-гидрогеологических условий и прогноза их возможных изменений рассматриваются как исходная информация для оценки особенностей и эффективности оросительных мелиораций по 5 основным направлениям, обеспечивающим решение конкретных технических и экономических вопросов: 1) расчеты оросительной сети; 2) прогнозирование подтопления орошаемых и прилегающих земель; 3) влияние орошения на качество подземного стока; 4) выявление особенностей влияния изменений режима подземных вод на инженерно-геологические условия территории; 5) расчеты дренажной сети.

Анализ существующего состояния мелиоративно-гидрогеологических исследований с позиций необходимости устранения существующих недостатков и реализации наметившихся перспектив научно-технического прогресса позволил автору впервые сформулировать требования к совершенствованию мелиоративно-гидрогеологических исследований для обеспечения устойчивого развития оросительных мелиораций. В качестве общих требований, выполнение которых обязательно при совершенствовании всех разделов мелиоративно-природных исследований, сформулированы: 1) повышение общей экологичности мелиоративной деятельности на основе более полного изучения и учета природных условий мелиорируемых территорий; 2) оптимизация состава и объемов мелиоративно-природных исследований, рассматриваемых как составная часть мелиоративной деятельности; 3) количественная оценка возможных ошибок при определении расчетных мелиоративно-природных показателей для оценки рисков соответствующих технико-экономических решений; 4) внедрение современных методов получения и обработки информации, компьютерных технологий; 5) комплексность изучения природных условий орошаемых территорий на всех стадиях мелиоративных работ; 6) совершенствование отдельных видов мелиоративно-природных исследований с учетом вышеуказанных требований, особенностей решаемых ими задач и существующего состояния.

К требованиям научно-методического совершенствования собственно мелиоративно-гидрогеологических исследований отнесено: 1) совершенствование и стандартизация всех методов изучения гидрогеологических процессов, оценки адекватности применяемых моделей для описания этих процессов, определения расчетных параметров и выполнения гидрогеологических расчетов; создание специальных гидрогеологических полигонов для этих целей; 2) повышение качества мелиоративно-гидрогеологического картографирования на основе единых подходов к его проведению на всех стадиях работ, широкого применения аэро-космических методов, уточнения состава и методики составления общих и специализированных карт, использования геоинформационных систем, компьютерной обработки информации; 3) совершенствование методики выделения основного (регионального) водоупора на орошаемых территориях; 4) совершенствование методики прогнозирования на разных стадиях мелиоративных работ и оценки качества прогнозных данных; 5) увязка моделей массопереноса в зоне аэрации и зоне насыщения, используемых при мелиоративно-гидрогеологических исследованиях, с соответствующими моделями для почв и поверхностного стока.

К требованиям по организационному совершенствованию мелиоративно-гидрогеологических исследований отнесено: 1) проведение и периодическая

Изучение мелиорати-вио-гидрогеоди намических условий

Изучение мелиоративно - гвдрогеохи-мическнх условий

Мелиоративно - гидрогео-динамический прогноз

МелиораТив-но - гндрогео-химический прогноз

Подтопле-ннс оро-"Ш^яхШ прилегаю- ЩшЗШщ стных вод Влияние '¿йЬЩьеЙЙ'; У ГВ на пнженер-но-геоло- УСЛОВИЯ Исследования н тельной Исследования и расчеты по Дренажной сети

Общие в специальные вопросы

Общие и специальные вопросы.

ос 'щие 601ч юсы

динамической; обоснование ОСНОВВбГО; У : вйдаупорч«:*- литология, и мощена Кф, соотношение шпоров, еодныъ баланс верхнего и ; щоннего водонос-'ш^'горт^нт^в',-, ;.'т:.^идр0ге0г)-химическое ^обоснование ;; (мзиовцдго додоуйора: г " минерализвяця и: хцмсосШв яойзем-ных вод выше и ниже водоупора, засо-Мниость водоупора • солевой баланс верхнего и нижнего , водоносных гори-■'■•'Мятое':-•••

Гидродинамическое изучение зоны насыщения: литолого-генети-ческое строение, емкостные и фильтрационные свойства пород, условия питания и разгрузки, су- ч ществунпции водный режим и баланс Гидрохимическое изучение зоны насыщения: минерализация и химсостав подземных вод всех водоносных горизонтов, их гидрохимические свойства, существующий солевой режим и баланс

Гидродинамическое изучение зоны аэрации: литолого-генсти-ческое строение, гидрофизические, емкостные и Гидрохимическое изучение зоны аэрации: С жолытость гидрохимические | Г 3.; свойства, ./ солевой режим и балансе существующих условиях

¡.фильтрациттыв] свойства поро<>, у^.,:^ ц* Г... ** * % / пористость и влажность, водный режим и баланс в существующих условиях

Обоснование дополнительных расчетных данных: потери из оросительной сети, прогнозные инфиль-трационное питание и граничные условия. Обоснование дополнительных расчетных данных: минерализация и химсостав оросительных вод, промывка засоленных почв, применение химмелиорантов.

Обоснование методики гидрогео- динамического прогноза: геофильтрационная схематизация, обоснование мерности потока, выбор оптимального метода решения, фрагментирование ( при необходимости). ; Обоснование.. ;;тиДро"геог,: * : •„ химического прогноза:; геомиграциаття ■ схематизация, анализ гшрогсооинами-ческих прогнозных данных, выбор оптимального метода прогнозирования

Расчетная гидрогео-динамическая схематизация; разбивка сетки модели, обоснование временных шагов. задание граничных условий. химическая Г схематизации: выбор расчетной : сетки шш расчетных линии тока,, обоснование времен к их шагов, задание граничных условий м! ' ' "'и!' ~

Выполнение прогноза и оценка его результатов: моделирование исходных условий и корректировка модели, моделирована< прогнозных условий, составление прогнозных карт на характерные моменты. Вьшолнение •л'результ'ат«®:" модыярдвште прогнозных усимии, составление прогнозных парт ия характерные мома яви

Структура региональных потоков подземных вод Влияние на солевой режим почв Влияние на процессы просадоч- ности лессовых пород Обоснование гидрогео-динамических расчетных схем, расчет потер! из оросительной сети Обоснование гидрогео-динамических расчетных схем, расчет меж-дренных расстояний, объема и режима дренажного стока

Площади прогнозного подтопления Влияние орошения ш условия водоснабжения за счет подземных вод Ухудшение несущих свойств грунтов Обоснование гидрогеохимических расчетных схем, расчет минерализации и химсостава дренажного стока

Сроки прогнозного подтопления Влияние подземных вод на качество речного стока Развитие или активизация оползневых, карстовых, суффозион-иых и других инженерно-геологнческ их процессов

| "!..-»'■ - разделы исследований,

рассмотренные в диссертации

Рис. 1. Структура мелиоративно-гидрогеологических

исследований при проведении оросительных мелиораций

корректировка мелкомасштабного мелиоративно-гидрогеологического картирования орошаемых регионов; 2) улучшение взаимодействия проектных и геологических организаций при проведении геологосъемочных работ; 3) унификация оформления всех материалов, получаемых при проектировании и строительстве оросительных систем, в составе соответствующих паспортов; 4) повышение технологического и методического уровня работ гидрогеолого-мелиоративной службы, в частности, при организации мелиоративного мониторинга, обеспечивающего получение своевременной и достоверной информации; 5) включение мелиоративно-гидрогеологического раздела в состав комплексной программы научного обоснования устойчивого развития оросительных мелиораций.

Глава 2. Обоснование основного ( регионального) водоупора на орошаемых территориях

Большую роль в постановке всего комплекса мелиоративно-гидрогеологических исследований на орошаемых территориях играет правильное обоснование нижней границы зоны возможного существенного взаимодействия оросительных мелиораций и подземной гидросферы (зоны активного массопереноса при орошении ). Решение этой задачи должно рассматриваться как важный элемент схематизации гидрогеологических условий для целей мелиорации. За нижнюю границу зоны активного массопереноса принимают слабопроницаемые слои значительной мощности, представленные обычно глинистыми породами, в основании грунтовых или грунтово-напорных вод, которые отделяют последние от залегающих ниже водоносных горизонтов и исключают возможность практического влияния этих водоносных горизонтов на особенности и эффективность мелиораций. Во многих случаях особенности строения и распространения таких слоев определяют не только нижнюю, но и плановые границы зоны активного массопереноса.

В практике мелиоративно-гидрогеологических исследований слабопроницаемый слой, рассматриваемый как нижняя граница зоны активного массопереноса, принято называть региональным водоупором. Он не совпадает часто с региональным водоупо-ром, выделяемым при общих гидрогеологических исследованиях и отделяющим зону аэрации, грунтовые и напорные воды зоны активного водообмена земной коры ( верхний гидрогеологический этаж ) от залегающих ниже подземных вод зоны замедленного водообмена, отличающихся повышенной минерализацией. Это приводит к терминологической путанице, как и при использовании понятий "местного", "локального", "относительного" водоупоров, которые широко используются в разных разделах гидрогеологических исследований, но не имеют общепринятых определений.

Чтобы исключить возможные разночтения предлагается ввести понятие " основного водоупора" для определения нижней границей зоны активного массопереноса на всей рассматриваемой орошаемой территории при решении региональных прогнозных задач. Как правило, роль основного водоупора будет играть единая толща слабопроницаемых пород того или иного возраста и генезиса. В отдельных случаях это могут быть разновозрастные толщи, сопрягаемые по тектоническому контакту или определяемые геоструктурными особенностями рассматриваемой территории.

За "локальный ( местный ) водоупор" следует принимать слабопроницаемый слой, расположенный на части рассматриваемой территории выше основного водоупора, который позволяет не учитывать вертикальное взаимодействие расположенных выше и ниже него водоносных горизонтов при расчетах оросительной и дренажной сети.

"Относительными водоупорами" будут слабопроницаемые слои, которые определяют возможность и особенности формирования толщи грунтово-напорных вод выше основного водоупора и перетоки через которые должны учитываться в геофильтрационных и геомиграционных расчетах. Понятие "регионального водоупора" сохраняется для характеристики общих гидрогеологических условий.

До последнего времени выделение регионального водоупора на орошаемых территориях и при общих гидрогеологических исследованиях основывалось преимущественно на качественном подходе, связанном в первую очередь с оценкой литологического состава, распространения и мощности соответствующих слабопроницаемых слоев. Однако установлено, что абсолютные водоупоры практически отсутствуют ( Роговская Н.В., 1994 ) и через глины и другие слабопроницаемые ( относительно водоупорные ) породы может осуществляться перетекание той или иной интенсивности. Практическая значимость такого перетекания определяется особенностями решения конкретных технико-экономических задач, связанных с использованием и охраной подземных вод.

Выделение основного водоупора на орошаемых территориях с учетом требований новых эколого-экономических подходов должно сводиться к количественной оценке гидродинамического и гидрохимического взаимодействия водоносных горизонтов через слабопроницаемые слои в существующих и прогнозных условиях. Такая оценка является одной из наиболее трудных задач во многих разделах гидрогеологической науки. Между тем ошибки, связанные с неправильным выделением основного водоупора, могут оказывать большое и разноплановое влияние на экономическую эффективность орошения по всем 5 рассмотренным выше направлениям.

С гидродинамической точки зрения взаимодействие водоносных горизонтов через слабопроницаемые слои при проведении оросительных мелиораций считается практически несущественным, если величина перетекания не превышает 5-10% расходов рассматриваемых горизонтов ( Барон В.А., 1974 ). Для надежной оценки величины существующего или прогнозируемого перетекания ( я ) в соответствии с известной предпосылкой Мятиева-Гиринского необходимы данные не только о мощности ( т ) но и о вертикальной водопроницаемости ( КВф ) слабопроницаемых пород, а также о соотношении напоров (ДН ) залегающих выше и ниже них водоносных горизонтов:

Я = К"ф ДН / т.

Наибольшие трудности возникают с оценкой вертикальной водопроницаемости отложений, а также с возможностью нарушения основного закона фильтрации в слабопроницаемых породах.

В соответствии с предлагаемой методикой при гидродинамическом обосновании основного водоупора на орошаемых территориях необходим анализ максимально широкого спектра факторов, определяющих условия формирования и использования подземных вод. Он должен включать:

- выяснение возможности принятия за основной водоупор регионального водоупора в основании верхнего гидродинамического этажа;

- изучение строения и условий распространения других залегающих выше регионального водоупора слабопроницаемых слоев, определение их водопроницаемости;

- анализ условий формирования и распространения водоносных горизонтов, залегающих выше и ниже потенциальных водоупоров, взаимоотношения их напоров, особенностей режима и баланса;

- оценку взаимодействия водоносных горизонтов при длительных откачках или эксплуатации водозаборов.

В существующих проработках практически не рассматриваются необходимость и особенности гидрогеохимического обоснования основного ( регионального ) водоупора. Особенно актуальны они на территориях с засоленными почвами и породами зоны аэрации или подземными водами повышенной минерализации. Обобщенных рекомендаций по количественной оценке возможного существенного гидрохимического взаимодействия водоносных горизонтов при проведении оросительных мелиораций, по мнению автора , быть не может, поскольку спектр таких взаимодействий весьма широк и в каждом случае этот вопрос должен решаться с учетом конкретных природно-хозяйственных условий.

При гидрогеохимическом обосновании основного водоупора должны дополнительно оцениваться:

- общая направленность процессов солепереноса в существующих и прогнозных условиях с учетом гидрогеодинамических данных;

- качество подземных вод выше и ниже рассматриваемого водоупора, особенности изменения качества воды в естественных условиях и при длительных откачках и эксплуатации водозаборов;

- оценка распределения солей в самом водоупорном слое;

- конкретные особенности возможного гидрохимического взаимодействия водоносных горизонтов при проведении мелиораций и его влияние на экономическую эффективность последних.

Предложенные подходы реализованы на 1-ой очереди освоения Келесского массива ( КМО-1 ) в Чимкентской области Казахстана. В основании четвертичных отложений аллювиального и пролювиального генезиса мощностью в несколько десятков метров, среди которых широко представлены лессовые породы, здесь залегает толща полого дислоцированных пород мезо-кайнозойского возраста мощностью до 1000 м и более. На основе анализа гидродинамических факторов за основной водоупор была принята нижняя часть молассовой толщи олигоцен-нижнечетвертичного возраста. Водопроницаемость слагающих ее глин и алевролитов мощностью 300-500 м составляет всего 0,001-0,0002 м/сут, к прослоям песчаников и конгломератов приурочены линзы малоде-битных напорных вод. Уровни напорных вод нижезапегающих горизонтов превышают уровень грунтовых вод на 10-30м. Диапазон возможного перетекания в естественных условиях составляет 1,4- 36,5 мм/год и его величина будет уменьшаться при подъеме УГВ на орошаемых участках. Во всех случаях она не превысит 10% прогнозируемого питания грунтовых вод при орошении в 300-350 мм/год, что подтверждается данными специальных водно-балансовых расчетов и моделирования исходных гидрогеодинамических условий.

Выделенный основной водоупор залегает много выше регионального водоупора в основании верхнего гидродинамического этажа. Одновременно установлено, что верхняя часть молассовой толщи мощностью в несколько сот метров, относимая ранее к основному водоупору, обладает существенной водопроницаемостью и должна включаться в зону активного массопереноса. Это позволило обосновать высокую естественную дренированность КМО -1, где днища и врезы временных водотоков, занимающие менее 15% площади, будут при орошении дренировать всю остальную территорию.

Анализ гидрогеохимических данных также подтвердил возможность принятия за основной водоупор нижней части молассовой толщи, поскольку в естественных и прогнозных условиях пьезометрические напоры сеноман-нижнемелового горизонта, залегающего ниже молассовой толщи и наиболее широко используемого в хозяйственных

целях, будут повсеместно выше уровня грунтовых вод. Соответственно перетекание и перенос солей из этого горизонта возможны только снизу вверх и в процессе орошения они могут только уменьшиться в результате подъема уровня грунтовых вод.

Глава 3. Комплексный метод изучения фильтрационных и гидрохимических свойст связных пород зоны аэрации при промывке монолитов

При определении фильтрационных свойств горных пород зоны аэрации в практике мелиоративно-гидрогеологических исследований основное внимание уделяется оценке коэффициента фильтрации (Кф), характеризующего водопроницаемость изотропных пород при полном насыщении. Эти данные используются для определения потерь из оросительной сети, оценки процессов подтопления, гидрогеодинамических расчетов дренажа. Фильтрационная анизотропия пород и изменения водопроницаемости во времени изучаются редко и не всегда учитываются в расчетах. Последние основываются на хорошо апробированных моделях геофильтрации и их качество определяется в первую очередь качеством определения фильтрационных свойств рассматриваемых пород.

Основным методом фильтрационного опробования связных пород зоны аэрации, к которым относятся глины, суглинки, супеси и лессовые разности, широко развитые на орошаемых территориях, являются наливы в шурфы, которые проводятся по способу Нестерова. Условия проведения опытов в настоящее время гостированы, однако общепринятые подходы к расчетам Кф отсутствуют. В практике мелиоративно-гидрогеологических исследований такие расчеты выполняются обычно по формулам Н.Н.Виндемана для установившегося или неустановившегося движения, а также по формуле Н.К.Гиринского. Область применения формул не оговаривается, что приводит к произвольному их использованию, хотя результаты расчетов отличаются иногда в несколько раз. Над совершенствованием метода наливов в шурфы работали многие исследователи ( В.В.Бадов, В.М.Шестаков, В.А.Барон, Е.А.Макарычева и др.). Однако по имеющимся представлениям из-за сложности учета действия капиллярных сил в зоне неполного насыщения и нарушения предпосылки о вертикальном характере потока результаты наливов в шурфы дают весьма ориентировочные данные о водопроницаемости пород, позволяющие проводить только их сравнительную характеристику ( В.М.Шестаков, 1992 ). Обоснованные материалы о величине возможных ошибок, связанных с расчетами Кф по тем или иным формулам, в настоящее время отсутствуют.

Тем не менее, наливам в шурфы отдается предпочтение по сравнению с лабораторными исследованиями на стандартных фильтрационных приборах небольшого размера ( площадь сечения опробуемого образца 20-50 см2), поскольку по данным ряда исследователей получаемые при этом Кф оказываются обычно в несколько раз, а иногда и на 1-2 порядка меньше, чем при наливах. Лабораторные методы рекомендуются как вспомогательные для оценки фильтрационной анизотропии пород и интерполяции данных наливов на глубину ( В.А.Барон, 1974).

Для совершенствования методики определения водопроницаемости пород зоны аэрации разными авторами предложены наливы в котлованы и траншеи, а также на площадки и на слабопроницаемые слои, опробование монолитов увеличенных размеров в полевых и лабораторных условиях, методы нагнетания воздуха и др. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, однако надежные данные о характере и величинах возможных ошибок, связанных с единичными определениями фильтрационных свойств связных пород этими методами, пока отсутствуют. Дополни-

тельные трудности возникают из-за необходимости оценки и учета влияния естественной неоднородности пород при небольшом объеме опробуемых пород по сравнению с мощностью опробуемого слоя, а также при опробовании анизотропных пород. Более представительны в этом плане крупномасштабные опыты по наливам на площадки, в котлованы и в траншеи. Однако их проведение является весьма сложным и дорогостоящим, а методика обработки получаемых данных требует уточнения.

С учетом вышеизложенного одной из задач при организации гидрогеологических полигонов в орошаемых регионах, о которых говорилось в главе I, должна являться оценка точности определения фильтрационных свойств связных пород зоны аэрации разными методами на основе их сопоставления между собой, а также с результатами работы мелиоративных сооружений.

Для многих литолого-генетических разностей связных пород зоны аэрации характерно засоление разной степени. В естественных условиях содержащиеся в них соли обычно законсервированы и не принимают активного участие в геологическом круговороте. При орошении легкорастворимые соли вовлекаются в активный оборот и могут весьма существенно влиять на изменение качества подземных и поверхностных вод, способствовать засолению почв и увеличению минерализации возвратного и дренажного стока. Основным методом гидрохимического изучения пород зоны аэрации является определение типа и степени их засоления по стандартной водной вытяжке, широко используемой при мелиоративно-почвенных исследованиях. Использование данных водной вытяжки при мелиоративно-гидрогеологических исследованиях для выполнения гидрогеохимических расчетов существующими методами по данным ряда исследователей может приводить к большим ошибкам.

Для описания процессов солепереноса и солеобмена на орошаемых территориях в почвах и породах зоны аэрации в условиях их полного и неполного насыщения предложено несколько математических моделей. Однако области применения этих моделей и их адекватность для описания мелиоративно-гидрогеохимических процессов в различных природно-хозяйственных условиях обоснованы недостаточно, общепринятые методы определения расчетных параметров отсутствуют. Поэтому при гидрохимическом изучении горных пород зоны аэрации требуется разработка такой методики проведения и обработки опытов, которая позволяла бы выявлять основные закономерности гидрогеохимических процессов в породах разного засоления, определять адекватность теоретических моделей выявленным закономерностям и определять соответствующие расчетные параметры, а также получать надежные данные для выполнения гидрогеохимических расчетов балансовыми методами.

Существуют рекомендации по изучению гидрохимических свойств почв и пород зоны аэрации с помощью наливов на площадки и в котлованы, анализа изменений водно-солевого режима на орошаемых участках, промывок монолитов разного размера в полевых и лабораторных условиях. Но, как и в случае с изучением фильтрационных свойств связных пород они не прошли пока достаточно надежной апробации в различных природно-хозяйственных условиях, а предлагаемые методы проведения опытов и обработки результатов во многих случаях требуют уточнения.

Автором были выполнены специальные исследования и разработан метод комплексного изучения фильтрационных и гидрогеохимических свойств связных пород при промывке монолитов. Работы проводились на опытном участке Келесского массива и

трех опытных участках, расположенных на Хвалынском равнине Прикаспийской низменности.

Предполагалось, что с увеличением размеров опробуемых в лабораторных условиях образцов до размеров зоны опробования при наливах в шурфы можно избежать влияния фильтрационной неоднородности. При этом за счет исключения действия капиллярных сил и нарушения мерности потока существенно повысится точность определения единичных значений Кф. Для подтверждения этой гипотезы на всех опытных участках проводились параллельно наливы в шурфы и лабораторное опробование монолитов увеличенных размеров, отбираемых из шурфов. Всего было проведено более 70 наливов и опробовано более 200 монолитов. На Келесском опытном участке дополнительно проводилось фильтрационнное опробование лессовых пород на стандартных фильтрационных приборах небольшого размера. На Сарпинском опытном участке Прикаспийской низменности результаты наливов в шурфы и промывки монолитов сравнивались с данными налива в котлован.

Результаты исследований показали: 1. При промывках крупных монолитов площадью поперечного сечения 300-600 см2 и высотой 20-40 см, которые в соответствии с действующими нормативами могут отбираться из шурфов, устраняется отмечавшееся выше резкое несоответствие полевых и лабораторных данных ( табл. 1 ). При этом за счет исключения действия капиллярных сил, определяющих основные ошибки при напивах в шурфы, повышается точность единичных определений Кф.

Результаты опробования монолитов показали хорошее соответствие с данными налива в котлован на Сарпинском опытном участке ( табл. 1 ). Такие наливы в связи с большим объемом опробуемых пород могут рассматриваться как наиболее представительный метод опробования. Однако методика проведения опытов и обработки получаемых результатов требует дальнейшего совершенствования.

2. При промывках монолитов опробование может проводиться в зоне капиллярной каймы, появляется возможность изучения фильтрационной анизотропии пород и изменения водопроницаемости во времени, упрощается технология опробования на больших глубинах, существенно снижается стоимость по сравнению с наливами в шурфы.

3. Использование данных лабораторных определений на стандартных приборах при оценке фильтрационной анизотропии пород и интерполяции данных наливов на глубину в соответствии с существующими рекомендациями может приводить к существенным ошибкам.

4. Промывка монолитов позволяет дифференцированно опробовать слоистые толщи, что имеет большое значение при фильтрационных расчетах оросительной и дренажной сети.

5. Дальнейшее совершенствование предлагаемого метода требует разработки стандартного оборудования для отбора и опробования монолитов, оценки представительности опробуемых монолитов для конкретных литолого-генетических разностей пород.

6. До разработки стандартного оборудования промывку монолитов рекомендуется проводить на фильтрационных приборах произвольной конструкции, обеспечивающих проведение фильтрации при постоянных напорах. Для исключения пристенной фильтрации необходимо оставлять небольшой ( 0,5-1 см ) зазор между опробуемым образцом и стенкой фильтрационной обоймы и заполнять его расплавленным битумом, парафином или их смесью. Использование кипящего парафина не допускается. Продолжительность опытов может ограничиваться фильтрацией воды в количестве 1,5- 2

Таблица 1

Сводные данные определения водопроницаемости связных пород зоны аэрации разными методами (коэффициент фильтрации, м/сут)

№ N2 Наименование опытного участка,номера шурфов.их расположение. Глубина опробования, м Наливы в шурфы Опробование "крупных" монолитов Стандартные лабораторные методы

Формула Н.Н.Бин-демана для установившегося движения Формула Н.Н.Бин-демана для неустановившегося движения Формула Н.К. Ги-ринского Прибор СПЕЦ-ГЕО Прибор Литвинова

1. 2 3 4 5 6 7 Келесский участок, шурф N2 3, породы естественного сложения 0,7 1.8 3,0 5,0 8,2 13,0 20,5 0,92 0,49 0,12 0.15 0,11 0,15 0,045 1,45 1,02 0,30 0,19 0.08 0,08 0,105 0,15 0,024 1,04 0,38 0,40 0.15 0,10 0,12 0,05 0,17 0,17 0,10 0,09 0,10 0,06 0,08 0,14 0.19 0,16 0,08 0,05

8 9 Кисловский участок шурф № 11 2,5 3,7 0,14 0,12 0,46 0,27 0.09 0,08 0,17 0,09

10 11 12 шурф № 12, микропонижение 1,6 2,5 3,7 0,08 0,16 0,08 0,09 0,06 0,09 0,055 0,12 0,23 0,04

13 14 15 шурф № 16 микроповышение 1,0 2,0 2,8 0,15 0,18 0,09 0,42 0,22 0,06 0,06 0,05 0,42-0,12 0,12-0,25 0,07

16 17 шурф № 17, микропонижение 1,2 2,0 0,02 0,025 0,03 0,09 0,01 0,08 0,16-0,20 0,17-0,15

18 19 20 Палласовский участок, шурф № 1 п, микроповышение 1,2 2,5 3,7 0.02 0,025 0.028 0,03 0,09 0.08 0,01 0,015 0.16-0,20 0,01-0,02 0,0160,023

21 22 23 шурф № 2п микропонижение 1.4 2.5 3,5 0.017 0,016 0,13 0,25 0.011 0,06 0,0290,026 0,0080,010 0,07-0,14

24 25 26 Сарпинский участок шурф № 1к, микроповышение 1,0 2,0 3,5 0,08 0,33 0,15 0,20 0,58 0,29 0,012 0,10 0,05 0,0150,002 0,26-0,45 0,13-0,21 I Налив в котло- | ван глубиной | 2м I Кф = 0.30 м/сут

27 28 29 шурф № 2к микропонижение 1,0 2,0 3,5 0,018 0,16 0,13 0,02 0,35 0,26 0,015 0,08 0,05 0,02-0,025 0,18-0,22 0,19-0,21

Примечание: в графе "опробование монолитов" вторая цифра показывает водопроницаемость в конце опыта.

объемов пор опробуемого монолита. Оптимальная площадь сечения монолита 300400 см2 определяется существующими нормативами на размер отбираемых в шурфах монолитов. Высоту монолита следует принимать близкой его диаметру для качественного определения показателя фильтрационной анизотропии.

В точке опробования целесообразно проводить трехкратное определение фильтрационных свойств для получения вероятностных характеристик расчетных показателей, определяющих естественную неоднородность пород.

Одновременно с изучением фильтрационных свойств засоленных связных пород зоны аэрации целесообразно изучение их гидрохимических свойств. Промывки монолитов для решения отдельных гидрохимических вопросов при проведении оросительных мелиораций использовались целым рядом исследователей ( А.П.Белоусова, В.П.Баякина И.К.Гавич, Я.Д.Калинин, Л.В.Кирейчева, С.И.Мясищев, П.С.Панин, Н.И.Парфенова, Л.М.Рекс, В.С.Смирнов, В.М.Шестаков, А.М.Якиревич и др.). Методика проведения опытов и обработки полученных результатов отличались весьма существенно. Исследования редко выполнялись комплексно, практически отсутствуют обоснованные данные о степени адекватности использованных моделей и точности определения расчетных параметров для пород разного типа и характера засоления, основанные на сравнении результатов опробования монолитов с результатами опробования другими методами или с анализом фактических изменений гидрохимического режима на орошаемых землях.

Исследования автора по совершенствованию методики изучения гидрохимических свойств связных пород при промывке монолитов проводились параллельно с фильтрационными на всех опытных участках. Породы зоны аэрации на этих участках характеризуются значительной засоленностью объемного характера, когда большое количество солей находится в твердой фазе, дискретно распределенной среди минеральных частиц в виде отдельных кристаллов или стяжений. Процессы солепереноса и солеоб-мена в таких породах отличаются особенной сложностью, определяемой значительной гидродинамической и гидрохимической гетерогенностью пород. Первая характеризуется наличием в породе активных и пассивных пор ( трещин и блоков ). По активным порам и трещинам происходит гравитационное движение воды, в пассивных порах и блоках оно отсутствует. Гидрохимическая гетерогенность определяется наличием солей в поровых растворах и в твердой фазе. Большая часть существующих гидрогеохимических моделей не учитывает одновременно оба вида гетерогенности.

Предполагалось, что проведение опытов при разной скорости фильтрации, последовательной промывке нескольких монолитов и монолитов разной высоты, наличии остановок разной продолжительности в ходе опытов, отражающее основные особенности гидрохимических процессов на орошаемых землях, позволит получать обоснованные данные как для оценки возможности и особенностей использования математических моделей применительно к связным породам объемного засоления и определения соответствующих параметров, так и для повышения качества балансовых гидрохимических расчетов. Для анализа полученных данных использовались индикаторные кривые ( ИК ) изменения общей минерализации фильтрата или содержания в нем отдельных ионов ( Сф ) в зависимости от количества профильтровавшейся воды, выраженного в объемах пор опробуемого монолита (Уп).

Результаты опробования более 100 монолитов позволили выявить следующие закономерности:

1. Индикаторные кривые всех опробованных пород имеют две ярковыраженные ветви ( рис. 2 ). Первая характеризуется резким уменьшением Сф и соответствует преимущественному поступлению солей из поровых растворов. На второй, когда соли поступают преимущественно из твердой фазы, график резко выполаживается при Сф существенно большей, чем минерализация промывной воды, даже при фильтрации 2050 Уп и более.

2. Максимальная начальная Сф практически не изменяется с возрастанием высоты монолитов, уменьшением скорости фильтрации, при последовательной промывке нескольких монолитов. Она не всегда соответствует первым пробам фильтрата, что определяется спецификой движения воды и солей в гетерогенных в фильтрационном отношении породах.

3. Динамика выноса солей слабо зависит от скорости фильтрации и высоты монолитов на первой стадии промывки. На второй стадии при уменьшении скорости фильтрации в несколько раз и при перерывах в ходе промывки до нескольких месяцев отмечается возрастание Сф на 1-2 г/л.

4. Использование данных водной вытяжки для определения расчетным путем начальной минерализации поровых растворов и общего количества водорастворимых солей, оценки вынесенного при фильтрации количества солей может приводить в рассмотренных случаях к ошибкам до 200 - 600% (графы 6-11 в таблице на рис. 2).

5. Выявленные закономерности солепереноса и солеобмена при промывке монолитов по предложенной методике позволяют проводить оценку применимости и степени адекватности различных математических моделей для описания гидрогеохимических процессов в связных породах объемного засоления, а также могут использоваться для повышения качества гидрогеохимических прогнозов, выполняемых балансовым методом. Особенности выполнения балансовых расчетов с учетом экспериментальных данных рассмотрены в следующей главе.

6. При использовании предлагаемого метода для выявления общих закономерностей процессов солепереноса и солеобмена в связных породах конкретных литолого-генетических типов необходимы специальные детальные исследования по последовательной промывке монолитов ( промывке монолитов разной высоты), проведению промывки с разной скоростью и при наличии остановок разной продолжительности. Продолжительность опытов определяется в ходе исследований.

Массовое опробование пород с известными общими закономерностями процессов солепереноса и солеобмена для оценки изменчивости их гидрохимических свойств в плане и разрезе целесообразно проводить параллельно с фильтрационным опробованием на крупных монолитах указанного выше размера при продолжительности промывки, определяемой фильтрацией промывной воды в количестве 1,5-2 объемов порового пространства опробуемых монолитов.

Глава 4. Совершенствование методики выполнения мелиоративно-гидрогеохимических прогнозов

Основной задачей мелиоративно-гидрогеохимических прогнозов на орошаемых территориях является оценка влияния орошения на солевой режим и баланс горных пород зоны аэрации ниже почвенного слоя и подземных вод зоны активного массопереноса, связанного с поступлением солей с поливными водами, вовлечением в активный оборот естественных запасов солей, законсервированных ранее в зоне аэрации, и их

2. СВОДНАЯ ТАБЛИЦА ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПО ОПРОБОВАНИЮ МОНОЛИТОВ

Графы в таблице: 1 - номер опыта: 2- название опытного участка; 3 - номер шурфа и глубина опробования; 4 - геолого-литологическая характеристика пород; 5 - исходный химсостав водной вытяжки ( ВВ ) - числитель и фильтрата - знаменатель; 6 - исходное общее (числ.) и токсичное (знам.) засоление, %; 7 - расчетная минерализация поровых растворов ло общей ВВ ( числ. ) и сумме токсичных солей ( знам.), г/л; 8 -фактическая минерализация поровых растворов, г/л; 9 - содержание солей в естественных поровых растворах ло отношению к ВВ; 10 - количество профильтровавшейся воды в объемах пор опробованного монолита; 11 -соотношение вынесенного фильтратом количества солей к исходному засолению (числ.) и к изменению засоления по ВВ (знам.) 12 - химсостав остаточной ВВ (числ.) и конечного фильтрата (знам.)

'г -"3-

Рис. 2. Сводные результаты гидрохимического опробования монолитов

общим пространственно-временным перераспределением под влиянием изменения гидрогеодинамических потоков.

Методика выполнения мелиоративно-гидрогеохимических прогнозов разработана пока значительно хуже, чем мелиоративно-гидрогеодинамических. Это определяется большой сложностью и разнообразием гидрогеохимических процессов на орошаемых территориях, их существенным отличием от гидрогеохимических процессов, рассматриваемых в других видах гидрогеологических исследований, недостаточным вниманием, которое уделялось ранее вопросам оценки влияния орошения на окружающую среду, в том числе на качество подземного и поверхностного стока. В новых хозяйственных условиях, когда вводится плата за сбросы загрязняющих веществ и нанесение ущерба окружающей среде, требования к мелиоративно-гидрогеохимическим прогнозам существенно возрастают и они должны рассматриваться как обязательный элемент мелио-ративно-гидрогеологических исследований на всех оросительных системах, что и предусматривается вышерассмотренной структурной схемой (рис. 1).

Составлению гидрохимических прогнозов как в почвенном слое, так и в подстилающих породах зоны аэрации посвящено значительное количество публикаций, в которых широко используется теория массопереноса. Однако, несмотря на достаточно большое количество математических моделей, предложенных для описания процессов солепереноса и солеобмена, многие важные вопросы собственно мелиоративно-гидрогеологического прогнозирования гидрохимических процессов в породах зоны аэрации и подземных водах разработаны недостаточно ( И.К.Гавич, 1985 ). В частности, отсутствует общепринятая методология составления мелиоративно-гидрогеохимических прогнозов, увязанная с другими разделами мелиоративно-гидрогеологических исследований.

Анализ опубликованных материалов и результаты собственных исследований автора позволяют считать, что основные подходы к выполнению мелиоративно-гидрогеохимических прогнозов должны быть близки к достаточно хорошо апробированным подходам к выполнению гидрогеодинамических прогнозов. Здесь также необходимы: общая геомиграционная схематизация рассматриваемой территории, выбор на ее основе оптимального метода прогнозирования, дополнительная расчетная схематизация с учетом выбранного метода и сами прогнозные расчеты, оценка качества полученных результатов и их возможного влияния на особенности и эффективность мелиораций. Результаты проектных долгосрочных прогнозов должны уточняться по дополнительным материалам, получаемым при строительстве оросительных систем и использоваться затем для организации и проведения мониторинга на орошаемых территориях и составления среднесрочных эксплуатационных прогнозов.

Важной особенностью выполнения мелиоративно-гидрогеохимических прогнозов является необходимость обязательной их увязки с результатами гидрогеодинамических прогнозов. При этом принимается, что при наличии на рассматриваемом объекте покровных отложений, подстилаемых более проницаемыми породами, движение воды в зоне аэрации и насыщенных покровных отложениях является преимущественно вертикальным, а в более проницаемых породах преобладает горизонтальный массоперенос. Большинство существующих проработок касается вертикального переноса солей в покровных отложениях разного типа и характера засоления, что не позволяет достаточно полно выполнять региональную оценку влияния орошения на подземный и поверхностный сток. Отмеченная выше необходимость оценки применимости и степени адекватности математических моделей для описания процессов солепереноса и солеобмена в покровных отложениях является еще одной специфической особенностью, которая

должна учитываться при гидрогеохимической схематизации изучаемых объектов и выборе метода прогнозирования.

Автором предложен экспериментально-балансовый метод выполнения мелиоратив-но-гидрогеохимических прогнозов в сложных условиях, характеризующихся наличием на орошаемых массивах связных пород объемного засоления. Он основывается на использовании соответствующих результатов гидрогеодинамических прогнозов, выполняемых методами математического моделирования, и данных экспериментальных исследований по промывке монолитов.

Изменение качества грунтовых вод в покровных отложениях, где наблюдается преимущественно вертикальный массоперенос, а также поступление солей из покровных отложений в залегающие ниже водоносные горизонты оценивается в этом случае по обобщенной индикаторной кривой изменения минерализации фильтрата, получаемой при промывке монолитов разной высоты, при разной скорости фильтрации и при наличии остановок разной продолжительности в ходе опытов. Эта кривая, по данным автора, будет характеризовать процессы солепереноса и солеобмена в связных породах объемного засоления в условиях полного и неполного насыщения и позволяет определять минерализацию инфильтрующихся оросительных или грунтовых вод на требуемый момент времени для рассматриваемых расчетных точек по соотношению суммарной величины инфильтрацинного питания с начала орошения и объема пор засоленных пород.

Результирующее общее содержание солей в подстилающих горизонтах ( Ср ), характеризующихся преимущественным горизонтальным массопереносом, и их перераспределение в пространстве и во времени определяется затем по методу смешения с использованием данных соответствующих гидрогеодинамических расчетов.

Си(V,,- V/-У0В) + СпгV/ +С„ВУпв

Ср----

где: Си, С„г, Спв - исходная минерализация грунтовых вод рассматриваемого блока в хорошо проницаемых породах, минерализация грунтовых вод из зоны бокового притока, минерализация оросительной воды после инфильтрации и вертикальной фильтрации через всю толщу слабопроницаемых пород, г/л;

V,,, V,/, Уо", V/, У„в - объем грунтовых вод в расчетном блоке, объем горизонтального оттока грунтовых вод, объем вертикального оттока в покровные отложения на неорошаемых участках, объем горизонтального бокового притока грунтовых вод, объем профильтровавшейся через засоленную толщу воды, м3/м2.

Составляющие приведенной формулы могут меняться в зависимости от положения расчетного блока по отношению к боковым границам, стадии фильтрации ( нестационарная - подъем уровня; стационарная - стабилизация уровня в многолетнем плане ), наличия или отсутствия инфильтрацинного питания ( рис. 3).

Особенности применения этого метода рассмотрены в диссертации на примере 1-ой очереди орошения Келесского массива в Южном Казахстане (см. гл. 2 ). При выполнении гидрогеохимических расчетов использовались данные гидрогеодинамического прогноза, основанные на решении нестационарной плановой задачи геофильтрации методом аналогового моделирования. Результаты гидрогеохимических расчетов показали,

- приращение уровня грунтовых вод (УГВ)

- недостаток насыщения пород

- величина инфиль-трационного питания

Рис. 3. Расчетные схемы для оценки минерализации подземного стока по методу смешения

что из покровных лессовых отложений, отличающихся существенным объемным засолением, в подстилающие более проницаемые неоген-четвертичные отложения будут поступать инфильтрующиеся оросительные воды с минерализацией от 5-10 до 20-30 г/л в течение всего расчетного срока прогнозирования ( 50 лет ). При мощности залегающих ниже водоносных горизонтов в 200-450 м на большей части массива это приведет к увеличению исходной минерализации подземных вод всего на 1-2 г. При мощности нижележащих водоносных горизонтов в 50-100 м и менее, которая отмечается на небольших участках в краевых частях массива, минерализация подземных вод увеличится в несколько раз, что должно быть учтено при оценке качества дренажного и возвратного стока и решении вопросов охраны окружающей среды.

ВЫВОДЫ

1. Анализ основных задач развития оросительных мелиораций и оценка существующего состояния мелиоративно-гидрогеологических исследований , выполненная на основе их системной структуризации, позволили автору сформулировать основные требованию к совершенствованию последних. При этом мелиоративно-гидрогеологические исследования рассматриваются как обязательный элемент мелиоративной деятельности, оказывающий существенное влияние на особенности и эффективность орошения. Принципиально новым требованием, обусловленным использованием эколого-экономических подходов, является необходимость оценки риска принимаемых технических и экономических решений с учетом качества мелиоративно-гидрогеологической информации.

Выделено 5 основных направлений возможного влияния результатов мелиоративно-гидрогеолгических исследований на особенности и эффективность оросительных мелиораций.

2. Усовершенствованная методика выделения основного ( регионального ) водоупора на орошаемых территориях основывается на системном анализе гидрогеодинамических и гидрогеохимических факторов в исходных и прогнозных условиях. Она позволяет повысить качество схематизации природной среды при определении границ зоны активного взаимодействия оросительных мелиораций и подземной гидросферы и избежать существенных ошибок в оценке эффективности оросительных мелиораций.

3. Предложенный метод промывки крупных монолитов позволяет комплексно изучать фильтрационные и гидрохимические свойства связных пород зоны аэрации. При фильтрационном опробовании он существенно повышает точность и полноту получаемых результатов по сравнению с применяемыми в настоящее время наливами в шурфы и снижает стоимость работ.

Параллельное гидрохимическое опробование позволяет выявлять особенности процессов солепереноса и солеобмена в изучаемых породах, определять возможности использования существующих математических моделей для описания выявленных особенностей, повысить качество гидрогеохимических расчетов, выполняемых балансовым методом.

4. Усовершенствована методика выполнения мелиоративно-гидрогеохимических прогнозов в сложных условиях, характеризующихся наличием пород объемного засоления. Она основывается на использовании результатов гидрогеодинамического прогноза, выполненного методами математического моделирования, и данных экспериментальных исследований процессов солепереноса и солеобмена при промывке монолитов. Это позволяет прогнозировать минерализацию и химсостав подземных вод как в покровных отложениях, насыщающихся при подъеме уровня грунтовых вод, так и в залегающих ниже водоносных горизонтах.

5. Дальнейшее совершенствование мелиоративно-гидрогеолгических исследований должно выполняться в составе общей программы научного обоснования оросительных мелиораций с учетом задач устойчивого развития.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Мелиоративно-гидрогеологические условия предгорной равнины Приташкентских Чулей. // В сб.: Совершен, методов гидрогеол. и почв.-мелиор. исследований орош. и осуш. земель. Вып.2. М.: 1974.

2. К вопросу изучения водопроницаемости лессовых грунтов в зоне аэрации. // В сб.: Совершен, методов гидрогеол. и почв.-мелиор. исследований орош. и осуш. земель. Вып. 4. М.: ВНИИГиМ, 1976.

3. Прогноз режима уровня грунтовых вод на расчлененных предгорных равнинах с учетом динамики влажности пород зоны аэрации. // В сб.: Тезисы докл. Ill межвед. со-вещ. по вопросам прогноз, гидрогеол., инж.-геол. и мел.-почв, условий. В.4. М: ВНИИГиМ. 1976.

4. Определение водопроницаемости глинистых пород зоны аэрации на орошаемых землях Нижнего Поволжья. // В сб.: Мелиорация земель Поволжья. М.: ВНИИГиМ, 1979( в соавторстве).

5. Изучение гидрогеологических параметров связных пород зоны аэрации при ме-лиоративно-гидрогеологических исследованиях. // В сб. Вопросы гидрогеол. и дренажа в Поволжье. М: ВНИИГиМ, 1979.

6. Гидрогеохимические прогнозы при обосновании проектов орошения на расчлененных предгорных равнинах с лессовым покровом. II Тезисы докладов 1У межвед. совещ. по мелиор. гидрогеологии, инж. геологии и мелиор. почвоведению. Раздел: методы гидрогеол., инж.-геол. и почв.-мелиор. исследований. М., ВНИИГиМ, 1980.

7. К вопросу мелиоративно-гидрогеологического районирования при обосновании проектов орошения. // Тезисы докладов 1У науч.-произв. конференции по проект., строит. и эксплуат. оросит, систем в Поволжье. Волгоград: Волгоградская Правда, 1980.

8. Итоги гидрогеологических исследований ВНИИГиМ и основные задачи мелиоративной гидрогеологии в Поволжье. // Тезисы докладов 1У межвед. совещ. по мелиор. гидрогеологии, инж. геологии и мелиор. почвоведению. Раздел: методы гидрогеол., инж.-геол. и почв.-мелиор. исследований. М., ВНИИГиМ, 1980 (в соавторстве).

9. Мелиоративно-гидрогеологические исследования для обоснования проектов орошения при наличии комплексного почвенного покрова. // Тезисы докладов 1У межвед. совещ. по мел. гидрогеол., инж. геологии и мелиор. почвовед. Раздел: методы гидрогеол. и почв.-мел. исследований. М.: ВНИИГиМ, 1980 (в соавторстве).

10. Основные принципы и методика мелиоративно-гидрогеологического районирования для целей мелиоративного кадастра II Тезисы докладов У всесоюз. совещания по мел. гидрогеологии, инж. геологии и мел. почвоведению. Часть 1. М.: Союзводпроект, 1984 ( в соавторстве).

11. К вопросу мелиоративно-гидрогеологического картографирования и прогнозирования при обосновании оросительных мелиораций // Сб. науч. трудов В/О Союзводпроект. М.: 1989.

12. К обосновнию проектных решений подходить комплексно. //" Мелиорация и водное хозяйство", 1989, № 6.

13. Основные задачи природного обоснования устойчивого развития оросительных мелиораций // Сб. Проблемы гидрогеологии, инжен. геологии и почвоведения. М.: ВНИИГиМ, 1996 (в соавторстве).

14. Активно участвовать в решении проблем устойчивого развития. II Вопросы мелиорации, 1996, № 5-6 (в соавторстве).

15. Оценка экологического состояния Прикаспийского региона при мелиоративном воздействии. М.: ВНИИГиМ, 1997 ( в соавторстве).

Подписано к печати "_ 4 " 1998л

Отпечатано на ротапринте фо{4мат бумаги 30x42/4

в ЗАО " РИЯД" объем П.Л. - 4- ,

_ ____зак. тир. Д»^

г.Москва, ул. Усиевича 8а. Тел. 152-17-71.