CC BY
21
УДК 556.332.62 (510) Вэй Лэй1
ФОРМИРОВАНИЕ ПИТАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД МЕЖГОРНОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА ХЭЙХЭ
Межгорный артезианский бассейн Хэйхэ расположен в северо-западной части Китая. Определены основные виды формирования питания подземных вод — просачивание из рек в предгорной области бассейна, фильтрация из каналов и оросительного поля в равнинном районе в связи с развитой оросительной системой, что составляет около 90% от общего питания подземных вод.
Ключевые слова: естественные ресурсы подземных вод, артезианский бассейн, поглощение поверхностных вод, питание подземных вод, баланс.
The intermountain artesian basin Heihe is situated in the northwestern China. The basic types of groundwater recharge formation have been specified — river water percolation in the mountain regions, filtration from irrigation canals and fields in the plain district. They quantitatively are ~90% of the general groundwater recharge.
Key words: natural resources of groundwater, artesian basin, surface water absorption, groundwater recharge, balance.
Введение. В настоящее время региональная оценка естественных ресурсов подземных вод в масштабах 1:100 000—1:200 000 — один из основных видов исследований, выполняемых при оценке прогнозных эксплуатационных запасов подземных вод.
В геоморфологическом отношении бассейн Хэйхэ — межгорная аккумулятивная равнина, представленная слившимися конусами выноса горных рек Хэйхэ, Даекоу, Дахэ, Маинхэ и др. Юго-западной границей бассейна служит крутой склон горной системы Циляньшань с абсолютными отметками рельефа до 2500—4500 м. На северо-востоке бассейн ограничен более пологими горами Луншоушань и Хэлишань с высотой до 1400—1600 м. Абсолютные отметки поверхности межгорной равнины изменяются в пределах 1500—2200 м с общим понижением с юго-запада на северо-восток и уклоном 40—10%с.
Климат территории аридный континентальный, с четким разделением на четыре сезона. Количество атмосферных осадков уменьшается с юго-востока на северо-запад от 129,0 до 104,4 мм/год при средней величине 113,4 мм/год. В этом же направлении повышается величина испаряемости от 2047 до 2341 мм/год. Среднегодовая температура воздуха по многолетним данным составляет 8,1 °С, среднемесячная температура летом — до 23,8 °С, а зимой —9,7 °С [Zhang Hesheng, 1990].
В горной системе Циляньшань формируется множество малых рек и крупнейшая в этом районе р. Хэйхэ, вторая по величине расхода внутриконти-нентальная река Китая. Среднемноголетний расход р. Хэйхэ на выходе из гор Циляньшань составляет 1,55-109 м3/год, водосборная площадь верхнего течения — около 10 000 км2. Вторая крупная река (F = 2240 км2) в пределах района — ее приток
р. Лиюаньхэ. Кроме рек Хэйхэ и Лиюаньхэ из горной системы к границам бассейна выходит 15 малых рек, суммарная площадь водосборов которых составляет 2920 км2. Малые реки при выходе из горной системы на предгорную равнину полностью теряют свой сток в связи с поглощением в рыхлых отложениях конусов выноса [Zhang Hesheng, 1990].
Верхний гидрогеологический этаж межгорного артезианского бассейна представлен толщей флю-виогляциальных, аллювиально-пролювиальных, аллювиальных и эоловых отложений, общая мощность которых в центральной части бассейна достигает 1000 м и более.
С рыхлыми четвертичными отложениями бассейна связан единый водоносный комплекс грунтовых и слабонапорных подземных вод с маломощными невыдержанными прослоями и линзами суглинков. В пределах предгорной части и на конусах выноса распространен единый водоносный горизонт со свободным уровнем подземных вод. Водовмещающие породы представлены песчано-гравийными образованиями. В центральной равнинной части бассейна на глубине 100—150 м распространена относительно маломощная (до 10 м) невыдержанная пачка суглинков и супесей среднеплейстоценового возраста, разделяющая водоносный комплекс на два слоя: верхний с безнапорными грунтовыми водами и нижний — со слабонапорными.
Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 1—5 м в равнинной части бассейна до 200 м и более у подножия горной области Циляньшань. Абсолютные отметки уровня грунтовых вод варьируют от 1500— 1800 м в предгорной части бассейна до 1300—1500 м в центральной равнинной, минимальные — до 1290 м в крайней северо-западной части. В соответствии с
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, аспи-
рант, e-mail: weilei@mail.ru
Рис. 1. Зависимость между среднегодовым расходом р. Лиюаньхэ области и среднегодовой суммой осадков в пределах бассейна: 1 сферных осадков в горной области, 2 — расход реки на выходе
этим в отложениях комплекса формируется единый поток подземных вод с юго-востока на северо-запад. Минерализация поземных вод изменяется от 0,25 до 0,60 г/л и до 2,55 г/л на участках интенсивной разгрузки испарением.
На северо-западной границе бассейна отложения комплекса выклиниваются и на поверхности залегают дочетвертичные образования нижнего структурного этажа. В связи с этим можно считать, что подземные воды четвертичного комплекса практически полностью разгружаются в центральной и северо-западной частях бассейна за счет фильтрации в р. Хэйхэ, многочисленных родников и разгрузки грунтовых вод путем испарения [Zhang Hesheng, 1990].
Методика исследования. По имеющимся представлениям, питание подземных вод межгорного бассейна Хэйхэ формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков, поглощения поверхностных вод из рек и каналов, фильтрации оросительных вод и подземного притока из горной области.
До настоящего времени оценки соотношения основных источников питания подземных вод бассейна весьма приблизительные [Zhang Hesheng, 1990], хотя именно питание подземных вод составляет основной элемент формирования их баланса. Поглощение поверхностных (речных) вод установлено в пределах всей краевой части бассейна, примыкающей к горной системе Циляньшань.
на выходе из горной — количество атмо-из горной области
С юго-запада из горной области на изучаемую территорию выходят 17 рек, сток которых частично (реки Хэйхэ и Лиюаньхэ) или полностью поглощается рыхлыми отложениями конусов выноса. Фактические данные о величине среднегодового расхода речного стока, поступающего к границам бассейна, имеются только для 6 речных бассейнов (табл. 1).
Основными факторами, определяющими величину речного стока из горной области, являются: количество атмосферных осадков, средние значения высоты, рельеф водосборов, размеры площадей водосборов и в меньшей степени возраст и состав дочетвертичных отложений [Формирование..., 1978].
Оценка соотношения годового расхода р. Лию-аньхэ с суммой атмосферных осадков за период 1962—2002 гг. (рис. 1) свидетельствует о достаточно тесной связи этих величин (коэффициент парной корреляции r = 0,73). Это позволяет сделать вывод, что атмосферные осадки — основной фактор, определяющий величину речного стока.
В табл. 1 приведены данные о соотношении среднегодовых величин речного стока и сумм атмосферных осадков по речным бассейнам, для которых имеются данные наблюдений за период 1961—2001 гг. [Zhang Hesheng, 1990].
График связи среднегодовых величин (модуля) речного стока бассейнов горной области со средне-многолетними величинами годовой суммы осадков на площади водосбора приведен на рис. 2. На основе этой зависимости и с использованием метода аналогий выполнена оценка среднемноголетних величин речного стока для 11 малых речных бассейнов горной области, для которых отсутствуют данные систематических наблюдений (табл. 2).
Как сказано выше, все воды малых рек горной области (кроме р. Хэйхэ и ее основного притока р. Лиюаньхэ) при выходе на предгорные конусы выноса полностью просачиваются в высокопроницаемые рыхлые отложения, формируя питание подземных вод бассейна. По результатам выполненной оценки
Таблица 1
Сводная таблица характеристик речных бассейнов в горной области и данных многолетних наблюдений за речным стоком
Река Площадь водосбора, км2 Средняя высота водосбора, м Состав и возраст дочетвертич-ных пород Атмосферные осадки в горном районе, мм/год Среднемного-летний расход, 108м3/год Модуль поверхностного стока, л/(с-км2)
Хэйхэ 10 009 2400 Андезитовые туфы, 03 355,0 15,51 4,91
Лиюаньхэ 2240 2312 Песчаники, К1 302,2 2,50 3,54
Хуншуйхэ 578 2427 Пески, Q3al-pl 420,4 1,26 6,91
Б. Думахэ 217 2440 Песчаниковые пелиты, N2 645,2 0,87 12,70
Хайчаобахэ 146 2434 Песчаники, С 520,5 0,47 10,2
Даекоу 102 2760 Андезитовые туфы, 03 352,9 0,13 4,04
400 500
Атмосферные осадки, мм
Рис. 2. Зависимость между среднемноголетним значением модуля стока малых водосборов горной области и годовой суммой
осадков
(табл. 1, 2) суммарная величина питания подземных вод за счет поглощения стока малых рек составляет 5,97-108 м3/год.
Оценка питания подземных вод рек Хэйхэ и Лиюаньхэ на площади предгорных конусов выполнена с учетом геолого-геоморфологических условий русла и расхода реки [Zhang Hesheng, 1990]. Фильтрация из реки выражается уравнением:
(1)
где C — удельный коэффициент просачивания на 1 км русла (% от расхода); Qн и Qв — расход реки в нижнем и верхнем сечениях расчетного участка соответственно, п — расстояние между сечениями, км. По данным о расходе р. Хэйхэ, измеренным в 1967 и 1985 гг., рассчитан график связи между расходом реки (О) и удельным коэффициентом просачивания (О (рис. 3).
На основе использования полученного графика связи величина питания подземных вод за счет поглощения стока р. Хэйхэ составляет 2,80-108 м3/год,
8 3
а р. Лиюаньхэ — 0,90-108 м3/год. Таким образом,
Рис. 3. Зависимость между расходом реки и удельным коэффициентом просачивания, по [Zhang Hesheng, 1990]
суммарное питание подземных вод бассейна за счет поглощения речного стока составляет 9,67-108 м3/год. При этом основной объем питания (50,6%) формируется за счет поглощения стока малых рек.
При оценке питания подземных вод за счет поглощения поверхностного стока из горной области во всех случаях остается вопрос о возможности формирования дополнительного питания за счет подземного притока из горной области [Формирование..., 1978]. Качественно — на основании представлений о существовании между горной областью и бассейном определенного «барьера», связанного с наличием многочисленных зон тектонических нарушений, — принимается, что величина подземного притока из горной области несущественна [Zhang Hesheng, 1990].
Количественная оценка возможного подземного притока из горной области выполнена на основе использования уравнения среднемноголетнего водного баланса поверхностных водосборов малых рек [Куделин, 1960]:
= + Z ±W0 ,
где X0 — норма осадков, Y0 — норма речного стока, Z0 — норма испарения, +W0 — среднемноголетнее
Таблица 2
Результаты оценки характеристик речного стока по малым водосборам горной области
Река Площадь водосбора, км2 Средняя высота, м Породы и возраст Атмосферные осадки в горном районе, мм/год Расчетный модуль поверхностного стока, л/(с-км2) Расчетный среднемного-летний расход, 108 м3/год
М. Думахэ 101 2440 Песчаниковые пелиты, N2 499,1 12,82 0,41
Суюхэ 147 2600 Андезитовые туфы, 03 509,8 4,77 0,22
Шихуэйгуаньхэ 68 2560 Андезитовые туфы, 03 405,0 4,62 0,10
Тунцзыбахэ 331 2810 Пески, Q3al-pl 480,0 10,25 1,07
Дахэ 25 1730 Песчаники, К; 435,0 4,64 0,034
Хэйдабаньхэ 34 2400 Песчаниковые пелиты, N 435,0 11,61 0,12
Маинхэ 619 2960 Малосцементированный гравий, Q2fgl-pl 420,4 3,32 0,65
Хуанцаобахэ 49 2700 Малосцементированный гравий, Q2fgl-pl 317,0 3,00 0,05
Байланхэ 217 3300 Малосцементированный гравий, Q2fgl-pl 645,2 3,79 0,26
Шуйгуаньхэ 67 3380 Метаморфические песчаники и филлиты, 8 454,4 3,91 0,08
Дацыяокоу 220 3100 Метаморфические песчаники и филлиты, 8 349,0 3,50 0,24
значение питания подземных вод (мм/год), не дренируемых местной речной сетью (отток подземных вод), а — W — величина разгрузки глубоких подземных вод (приток из-за пределов речного бассейна).
Оценка величины суммарного испарения выполнена по зависимости Турса [Turc, 1961]:
где P — норма осадков, мм;
L = 300+25 T+0,05T2, T — среднегодовая температура, °С; Е — величина суммарного испарения, мм/г. Результаты расчета приведены в табл. 3.
Во всех случаях подземный сток характеризуется значениями — W0, составляющими 6—24% от годовой суммы осадков. Результаты расчетов свидетельствуют, что на границе горной области и бассейна происходит разгрузка «глубоких» подземных вод, в том числе частично формирующихся за пределами выделенных речных водостоков. Во многих случаях (табл. 3) эта величина (— W0) находится в пределах точности балансовых расчетов.
В связи с интенсивной сельскохозяйственной деятельностью в центральной части бассейна создана широкая сеть магистральных и распределительных каналов, по которым подается вода из рек Хэйхэ и Лиюаньхэ. Оценка фильтрации поверхностных вод из системы каналов выполнена на основе рассмотренной выше методики с использованием зависимости (1). Суммарное поглощение поверхностных вод из системы каналов оценивается величиной 7,49'108 м3/год [Zhang Hesheng, 1990].
Оценка величины просачивания собственно оросительных вод на площади орошаемых земель (1,53 108 м3/год) выполнена на основании использо-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Куделин Б.И. Принципы региональной оценки естественных ресурсов подземных вод. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1960.
Формирование, прогноз и управление режимом подземных вод конусов выноса // Под ред. Ж.С. Сыдыкова. Атма-Ата: Наука, 1978.
Шестаков В.М., Пашковский И.С., Сойфер А.М. Гидрогеологические исследования на орошаемых территориях. М.: Недра, 1982.
Коэффициент просачивания. % 0 5 10 15 20 25 30 35 40
I Р
с' с-
к
8 -
10 -
Рис. 4. Зависимость между коэффициентом просачивания оросительных вод и глубиной залегания грунтовых вод, по [Zhang Hesheng, 1990]
вания экспериментально полученной зависимости коэффициента просачивания оросительных вод от глубины залегания уровня грунтовых вод (рис. 4) [Zhang Hesheng, 1990]. Возможно, эта величина в определенной мере занижена, поскольку не установлено с чем связано уменьшение коэффициента просачивания с 35 до 18% в интервале глубины залегания уровня грунтовых вод от 2 до 10 м (рис. 4) [Шестаков и др., 1982]. По этому же методу рассчитана величина инфильтрации (включая конденсацию), она составляет 0,42-108 м3/год.
Выводы. 1. Результаты расчетов (табл. 4) показывают, что основным источником питания подземных вод водоносного комплекса четвертичных отложений в межгорном артезианском бассейне Хэйхэ является поглощение поверхностных вод (из рек и каналов), суммарно составляющее 17,16108 м3/год (~90% общей величины питания).
2. Поглощение собственно оросительных вод и инфильтрация атмосферных осадков (1,95-108 м3/год) в связи с высоким значением суммарного испарения имеет резко подчиненное значение (~10%).
Turc L. Evaluation des besoins en eau d'irrigation, évapotranspiration potentielle, formule climatique simplifice et mise a jour // Ann. Agron. 1961. № 12. P. 13-49.
Zhang Hesheng. Исследование ресурсов подземных вод межгорного артезианского бассейна Хэйхэ. Чжане: Бюро геологии и полезных ископаемых провинции Ганьсу КНР, 1990 (На китайском языке).
Поступила в редакцию 01.08.2009
Таблица 4
Соотношение между источниками питания подземных вод межгорного бассейна Хэйхэ
Показатель Тип питания
поглощение речных вод фильтрация из каналов фильтрация оросительных вод инфильтрация атмосферных осадков
Расход, 108 м3/год 9,67 7,49 1,53 0,42
От общего, % 50,6 39,2 8,0 2,2
