CC BY
28
УДК 556.38.61.31.17
С.О. Гриневский, А.Е. Преображенская, С.А. Юрченко
ОЦЕНКА БАЛАНСА ПОДЗЕМНЫХ ВОД САМУР-ГЮЛЬГЕРЫЧАЙСКОЙ АЛЛЮВИАЛЬНО-ПРОЛЮВИАЛЬНОЙ РАВНИНЫ (ЮЖНЫЙ ДАГЕСТАН)
На примере Сумур-Гюльгерычайской аллювиально-пролювиальной равнины Южного Дагестана рассматривается комплексный подход к оценке баланса потока подземных вод, который позволил уточнить количественные показатели и реконструировать балансовые характеристики на приграничной части соседнего государства. Это позволяет решать проблемы рационального и экологически приемлемого трансграничного использования ресурсов подземных вод территории.
Ключевые слова: баланс подземных вод, естественные ресурсы, моделирование, питание и разгрузка подземных вод.
On the example of Samur-Gyul'gerychayskoy of allyuvial'no-prolyuvial'noy plain of South Daghestan the complex approach to an estimation of balance of groundwater stream, which could allow determine more exactly quantitative indicators and reconstruct balance characteristics near the border of the neighboring state. It allows to solve problems of using sustainable and environmentally suitable transboundary groundwater resources of the territory
Key word: groundwater balance, groundwater natural resources, groundwater modeling, recharge and discharge of groundwater flow.
Введение. Изучение условий формирования баланса подземных вод традиционно является одной из важнейших задач при решении проблем водохозяйственного освоения территорий. В настоящее время, при неуклонно возрастающем внимании к экологическим аспектам использования поверхностных и подземных вод, особую значимость приобретают прогнозные оценки антропогенного преобразования водно-балансовых условий территорий в целом и элементов баланса подземных вод в частности. Принципиальная возможность решения таких задач во многом определяется степенью изученности естественных (сложившихся) условий формирования потока подземных вод в зоне активного водообмена. Различные методы изучения баланса подземных вод не всегда обеспечивают равноценную количественную оценку всех его элементов, в связи с чем представляется перспективным комбинированный подход на основе комплексного использования всех доступных методов оценки по фактическим данным и широкого применения методов балансово-гидрогеодинамического моделирования.
Основными задачами моделирования в этом случае являются: а) моделирование тех процессов, которые практически не поддаются количественной оценке по данным натурных наблюдений (инфильтрационное питание, эвапотранспирационная разгрузка и др.); б) моделирование условий формирования, транзита и разгрузки потока подземных вод в рамках единой балансово-гидрогеодинамической модели территории, позволяющее увязать количественные показатели отдельных элементов баланса подземных вод, которые получены разными методами, с гидродинамическими характеристиками и параметрами потока. Постановка
и проведение таких комбинированных оценок баланса подземных вод возможны при наличии материалов комплексного мониторинга территории, включающего гидрогеологические, гидрологические и метеорологические наблюдения.
В статье на примере территории Самур-Гюльгеры-чайской аллювиально-пролювиальной равнины (АПР) Южного Дагестана рассмотрена оценка элементов баланса потока подземных вод с применением методов моделирования. Актуальность этих исследований для территории, граничной с Республикой Азербайджан, определяется не только экологическими аспектами рационального использования подземных вод на территории самого Дагестана, но и необходимостью выработать подходы к урегулированию вопросов межграничного использования ресурсов подземных вод с соседним государством.
Гидрогеологические условия потока подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР. Самур-Гюльгерычай-ская АПР расположена на территории Южного Дагестана и частично Республики Азербайджан. Район характеризуется прибрежным (морским) климатом с мягкой непродолжительной зимой и существенным превышением среднегодовой испаряемости (1041 мм) над количеством осадков (383 мм). Гидрографическая сеть представлена крупными реками Самур, Гюльгеры-чай и системой каналов, наиболее крупные из которых Самур-Дербентский и Бер-Кубу, а также многочисленными родниковыми ручьями (карасу) в прибрежной зоне. Сток р. Самур зарегулирован и отводится Самур-Дербентским каналом (СДК) в г. Дербент и Самур-Апшеронским каналом (САК) на территорию Азербайджана, а оставшаяся часть пропускается в естественное русло реки. В засушливые летние месяцы
сток р. Самур ниже гидроузла может отсутствовать полностью. В геоморфологическом отношении участок представляет собой предгорную равнину с поло-гонаклонным рельефом и слабой расчлененностью. В дельте р. Самур расположен уникальный третичный лес, многие виды растений которого занесены в Красную книгу.
Самур-Гюльгерычайская АПР — краевая северозападная периферийная часть более крупной структуры — Кусарской АПР, которую В.А. Листенгартен отнес к I типу АПР, сложенных «отложениями слившихся конусов выноса с обильным питанием подземных вод и слабой расчлененностью» [Листенгартен, 1987]. По строению гидрогеологического разреза Кусарская АПР относится к подтипу равнин, где грунтовые воды приурочены к континентальным, а напорные — как к континентальным, так и к подстилающим их морским отложениям. На рассматриваемой западной периферии этой структуры, в пределах Самур-Гюльгерычайской АПР, грунтовые воды развиты в четвертичных отложениях хазаро-хвалынского комплекса и континентальных бакинских отложениях, а напорные воды приурочены преимущественно к континентальным осадочным отложениям (апше-ронский возраст, неоген) кусарского комплекса и морским верхнеапшеронского.
Принципиальная схема формирования ресурсов подземных вод Кусарской равнины составлена В.А. Листенгартеном, который предложил для территорий с многовековой историей антропогенного преобразования их водного баланса характеризовать суммарное возобновляемое питание подземных вод термином «сложившиеся ресурсы» [Листенгартен, 1987]. В соотвтствии с этим для рассматриваемой территории Самур-Гюльгерычайской АПР следует говорить о сложившемся балансе потока подземных вод, который формируется в условиях интенсивного антропогенного преобразования поверхностного стока за счет его перераспределения в сети магистральных и оросительных каналов.
Общее направление движения подземных вод — от вершинной части АПР в сторону Каспийского моря — в целом совпадает с направлением основных водотоков — рек Самур и Гюльгерычай. Формирование потока подземных вод происходит главным образом за счет интенсивных фильтрационных потерь речного стока в привершинной и центральной частях АПР и в гораздо меньшей степени — за счет инфильтрации атмосферных осадков.
Валунно-галечные отложения равнины, залегающие в подошве и по периферии АПР, контактируют с глинистым неогеновым молассовым комплексом, что определяет практически полное отсутствие внешнего питания из горной зоны, а также из более глубоких горизонтов разреза [Листенгартен, 1987]. Некоторый приток из горной части происходит только по сложенным аллювиальными отложениями узким долинам
рек Самур и Гюльгерычай. Таким образом, структура «открыта» только в сторону моря. Однако в береговой зоне континентальные отложения сменяются более глинистыми морскими осадочными, что приводит к резкому ухудшению фильтрационных свойств хаза-ро-хвалынских отложений и существенно затрудняет разгрузку в море. К этой зоне приурочены многочисленные выходы родников, протягивающиеся полосой широтного направления и дающие начало ручьям (карасу), впадающим в Каспийское море. Неглубокое залегание уровня грунтовых вод в зоне разгрузки и выклинивания потока, а также высокая испаряемость на фоне малого количества осадков создали благоприятные условия для формирования здесь разгрузки подземных вод через эвапотранспирацию.
Таким образом, в пределах рассматриваемой территории происходит формирование и основная разгрузка потока подземных вод (рис. 1), что определяет относительную замкнутость баланса потока, описываемого уравнением
Qv + Qw + QF = QR + Qs+QET+Qк + Q^. (1)
Формирование потока подземных вод происходит в основном в привершинной части равнины за счет фильтрационных потерь по руслам рек Самур и Гюльгерычай и крупных магистральных каналов рассредоточенного площадного питания за счет инфильтрации атмосферных осадков, конденсационных вод и фильтрационных потерь из площадной оросительной сети а также подземного притока вод по долинам рек Самур и Гюльгерычай
Разгрузка подземных вод осуществляется в прибрежной части АПР за счет родникового стока разгрузки в русла устьевых участков рек и ручьев испарения и транспирации с уровня грунтовых вод — эвапотранспирации №Е1), разгрузки в Каспийское море Шк). Весьма незначительную часть разгрузки потока составляет эксплуатация подземных вод ^^ отдельными водозаборными скважинами.
На территории Южного Дагестана и Северо-Восточного Азербайджана начало масштабных поисково-разведочных работ на подземные воды относится к первой половине XX в., это связано с организацией I и II очереди Бакводопровода для водоснабжения г. Баку. С тех пор и по настоящее время различные авторы проводили оценку баланса подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР (табл. 1). Как видно из данных этой таблицы, итоговые приходно-расходные статьи баланса отличаются в несколько раз, существенно различаются и количественные оценки отдельных его составляющих. При этом некоторые компоненты водного баланса определялись по остаточному принципу или не оценивались вовсе, как, например, это сделал В.А. Листенгартен, который рассматривал главным образом Кусарскую АПР в целом [Листенгартен, 1987].
Зона формирования
28о"| О г- Зона выклинивания
V г
Рис. 1. Схема формирования баланса потока подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР: 1 — суглинок, 2 — песчаник, 3 — глина, 4 — валунно-галечные отложения, 5 — гравийные отложения, 6 — алевролит; характеристики потока подземных вод: 7 — питание, 8 — направление движения, 9 — разгрузка, 10 — родник; 11 — уровень хазаро-хвалынского водоносного горизонта
Таблица 1
Предшествующие оценки баланса подземных вод Самур-ГЮльгерычайской АПР, тыс. м3/сут
Автор
Статья баланса В.Ф. Жабин, 1997 Ш.Г. Абдулкеримов, В.М. Кондаков, 1996 РУП РЦ «Даге-стангеомонито-ринг», 2001 В.А. Листен-гартен, 1987 Институт ботаники Азербайджана, 1973
Инфиль- Атмосферные осадки 222,4 43,2 52 69 794,9
и ь т трацион-ное Конденсация — — 17 17 112,3
ат т с е питание Орошение 37,7 — 35 39 527
ы н од Приток по долинам горных рек — 62,8 63 — —
Прих Фильтрационные потери из рек и каналов 388)8 232,5 933 — 673,9
Итого 648,9 338,5 1100 - 2108,1
Разгрузка в русла рек и ручьев 362,9 176,3 318,5 — 184
и ь ать т с е Сток в Каспийское море — 2,9 51,4 — 1130,1
Родниковый сток 267,8 91,8 590,5 — 384,5
ы н одн х с а Р Эвапотранспирация 60,5 112,7 263,5 125,5 350,8
Эксплуатация подземных вод — 8,2 — — —
Итого 691,2 391,9 1223,9 - 2049,4
Таким образом, можно заключить, что количественные характеристики баланса потока подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР к настоящему моменту весьма противоречивы, что затрудняет решение ряда водохозяйственных и экологических проблем, актуальных для данной территории.
Во-первых, речь идет о проблеме рационального использования ресурсов подземных вод АПР, в частности для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Дербент. Ее решение тесно связано с необходимостью сохранить уникальный Самурский лес в Самур-ском природном комплексе (СПК), имеющий статус
заказника. Существование Самурского леса, находящегося в области выклинивания потока и во многом формирующего эвапотранспирационную составляющую его разгрузки, обусловлено особым влажностным режимом территории, который определяется глубиной залегания уровней грунтовых вод и интенсивной родниковой разгрузкой потока, дающей начало многочисленным ручьям. В этих условиях обоснование рациональной схемы эксплуатации подземных вод на территории АПР, обеспечивающей минимальное гидродинамическое и балансовое влияние на СПК, должно проводиться на основе четких количественных показателей сложившегося баланса потока подземных вод в целом и закономерностей формирования его эвапотранспирационной составляющей в частности.
Во-вторых, расположение Самур-Гюльгерычай-ской АПР на границе с Республикой Азербайджан, где планируется сооружение водозабора 3-й очереди Бакводопровода непосредственно у границы, обусловливает необходимость сделать прогнозные оценки балансово-гидрогеодинамического воздействия эксплуатации подземных вод со стороны Азербайджана. С учетом единства условий формирования потока подземных вод в трансграничной зоне, принадлежащей
к одной гидрогеологической структуре, такие оценки могут быть выполнены только на основе количественных характеристик элементов сложившегося баланса подземных вод.
Существенное уточнение структуры баланса подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР и ее количественных показателей можно провести на основе данных наблюдений в рамках комплексного гидрогеологического мониторинга территории, проводимого с 2000 г. ГУП РЦ «Дагестангеомониторинг». Сеть наблюдений мониторинга включает (рис. 2): 1) гидрометрические створы на основных реках и магистральных каналах, расположенные в области формирования и разгрузки потока, что позволяет оценить расходы фильтрационных потерь и русловой разгрузки; 2) гидрометрические створы на устьевых участках карасу и наиболее крупных родниках, расходы которых характеризуют родниковую составляющую разгрузки подземных вод; 3) сеть наблюдательных скважин и пьезометров, большинство из которых расположено на границе зоны выклинивания потока и в области разгрузки (на территории Самурского леса) и характеризует режим уровней грунтовых вод; 4) водно-балансовые площадки, в пределах которых осуществляются
Рис. 2. Схема гидрогеологического мониторинга на территории Самур-Гюльгерычайской АПР: 1 — гидрометрический створ; 2 — скважина; 3 — родник; 4 — скважина, использованная для оценки суммарного питания, и ее номер; 5 — водно-балансовая площадка;
6 — государственная граница; 7 — граница Самурского природного комплекса
наблюдения за уровнем грунтовых вод в скважинах и влажностным и температурным режимом пород зоны аэрации в шурфах.
Оценка элементов баланса подземных вод. Среди элементов баланса подземных вод Самур-Гюльгеры-чайской АПР, представленных в уравнении (1), можно выделить две группы. К первой группе относятся те компоненты сложившегося баланса подземных вод, которые можно оценить на основе фактических (инструментальных) измерений, т.е. главным образом по материалам меженных гидрометрических работ. Существующая сеть гидрометрических створов на основных реках, каналах и родниковых ручьях (карасу) позволяет достаточно уверенно охарактеризовать среднемноголетние значения величины питания подземных вод в области их формирования за счет фильтрационных потерь из водотоков а также суммарные расходы родниковой и русловой разгрузки в области выклинивания потока. Кроме того, достаточно однозначно характеризуются годовые суммы эксплуатации подземных вод одиночными водозаборами
Ко второй группе следует отнести те элементы баланса подземных вод, которые можно определить лишь косвенными методами — на основе гидрогео-динамических расчетов и моделирования: приток со стороны горного обрамления по долинам рек ^у); расход разгрузки потока в Каспийское море Шк); площадное инфильтрационное питание за счет атмосферных осадков, ирригационных и конденсационных вод ^ц), а также скрытая эвапотранспираци-онная разгрузка подземных вод ^ЕТ). Их оценка осуществляется поэтапно. На первом этапе элементы баланса оцениваются либо с помощью приближенных гидрогеодинамических расчетов, либо на основе построения отдельных моделей процессов, а на втором — осуществляется их верификация в рамках общей балансово-гидрогеодинамической модели территории.
Первая группа. Расчет среднемноголетних элементов баланса первой группы проведен на основе данных режимных наблюдений по стационарной сети гидрометрических створов на основных реках, каналах и карасу (рис. 2). Анализ руслового баланса устьевых участков рек позволил оценить величины разгрузки подземных вод в нижнем течении рек Са-мур и Гюльгерычай и непосредственно в русла родниковых ручьев. Суммарная русловая разгрузка потока на дагестанской части АПР составила 473,9 тыс. м3/сут.
Дебиты более 100 родников оценены по данным разовых обследований, а наиболее крупных — по данным режимных гидрометрических измерений. Сред-немноголетние расходы родниковой разгрузки получены на основе приведения разовых измерений к средним расходам на устьях родниковых ручьев; суммарный расход родников составил, таким образом, 186,7 тыс. м3/сут.
Оценка фильтрационных потерь из рек и каналов в привершинной и центральной частях АПР также выполнена на основе составления руслового баланса
участков водотоков, в котором учтено перераспределение стока за счет сети магистральных и ирригационных каналов. При этом отвод воды в площадную сеть оросительных каналов рассчитан исходя из значения среднего линейного модуля ирригационного водоотведения, составляющего 4,4 м3/сут-м, полученного на основе данных о среднем за рассматриваемый период отводе воды на орошение (154,4 тыс. м3/сут). По основным магистральным каналам суммарные фильтрационные потери составили: канал Бер-Кубу — 30,8 тыс. м3/сут, СДК — 126,4 тыс. м3/сут.
Сложности возникают при вычислении фильтрационных потерь из рек на уровне среднемноголетних значений. Для р. Гюльгерычай приведение расходов к среднемноголетним значениям может быть выполнено по стационарному посту Росгидромета в п. Советском, который расположен непосредственно на выходе реки на равнину. При этом необходимо учитывать, что сток р. Гюльгерычай в среднем течении частично зарегулирован поступлением воды СДК ниже поста. Таким образом, коэффициенты для расчета средне-многолетних расходов по гидропосту в п. Советском могут быть использованы только для «естественной» составляющей речного стока, которая вычленялась при составлении руслового баланса участка реки, а суммарный среднемноголетний расход оценивался далее путем добавления средней за период наблюдений «канальной» составляющей стока. Сток р. Самур ниже распределительного гидроузла полностью зарегулирован, в связи с чем среднемноголетние фильтрационные потери оценивались по режимным гидрометрическим данным за период наблюдений. Суммарные фильтрационные потери по рекам Гюль-герычай и Самур составили 249,3 и 301,2 тыс. м3/сут соответственно.
Эксплуатация подземных вод в условиях принудительного водопонижения осуществляется одиночными водозаборными скважинами и в структуре сложившегося баланса потока незначительна — около 5,5 тыс. м3/сут. Действующая Азадоглинская водозаборная галерея, каптирующая естественный групповой родниковый выход, не воздействует на условия формирования баланса потока, поэтому здесь отдельно не рассматривается, а ее производительность учтена в суммарном расходе родниковой разгрузки.
Ко второй группе относятся компоненты водного баланса, определяемые косвенными методами — гид-рогеодинамическими расчетами и моделированием.
Расходы внешнего притока подземных вод по долинам рек Самур (44,7 тыс. м3/сут) и Гюльгерычай (5,7 тыс. м3/сут), а также подземный сток в Каспийское море (27 тыс. м3/сут) на первом этапе рассчитаны по данным режимных наблюдений за градиентами потока в скважинах. Полученное значение подземного стока в море для территории Самур-Гюльгерычайской АПР существенно меньше предшествующих региональных оценок, проведенных для всей территории Кусарской АПР [Брусиловский и др., 1970; Джамалов и др., 1977], что, по-видимому, обусловлено периферийным положением рассматриваемой территории и
более детальным учетом фильтрационной неоднородности водовмещающих пород по материалам опытно-фильтрационных работ.
Оценка эвапотранспирационной разгрузки и ин-фильтрационного питания подземных вод. Оценки эва-потранспирационной разгрузки подземных вод в зоне выклинивания потока и его инфильтрационного питания за счет атмосферных осадков в области формирования проведены на основе одномерного моделирования процессов водного баланса на поверхности и влагопереноса в зоне аэрации.
Используемая численная модель [Поздняков, Преображенская, 2009] состоит из двух расчетных блоков. В первом блоке осуществляется балансовый расчет трансформации выпавших осадков с учетом их задержания растительностью, испарения с нее и с поверхности земли, образования поверхностного стока, а также оценивается слой влаги, доступный для впитывания в почву [Шестаков, Поздняков, 2003]. Второй блок моделирует влагоперенос в зоне аэрации с учетом процессов почвенного испарения и потребления влаги корнями растений, в результате чего оценивается поступление влаги на уровень грунтовых вод (инфильтрация) или ее отток (эвапотранспирация) [йшйпек ^ а1., 2005].
Моделирование с использованием суточных метеорологических характеристик по ближайшей метеостанции в г. Дербент (осадки, влажность и температура воздуха, солнечная радиация) проведено для типовых ландшафтных условий, которые выделены на территории АПР, а также для соответствующих им
характерных разрезов зоны неполного водонасыще-ния. Параметрами моделей служили данные о гранулометрическом составе и водно-физических свойствах пород зоны аэрации, а также ландшафтные характеристики. Полученные для каждого типа условий значения инфильтрационного питания или эва-потранспирации использовались затем для подсчета их суммарных расходов на соответствующей площади.
В области выклинивания потока и его разгрузки путем эвапотранспирации выделены три типа условий: а) площади развития лесной растительности с зоной аэрации, полностью сложенной суглинками; б) площади развития луговой растительности, где почвенный суглинистый слой составляет несколько десятков сантиметров, а основной разрез зоны аэрации представлен галечниками; в) площади со смешанной растительностью, где почвенные суглинки, развитые с поверхности, составляют примерно половину мощности зоны аэрации (рис. 3).
Оценка соответствия моделей природным условиям и их калибровка проведены на основе сопоставления фактической и модельной динамики влажности в шурфах за 2000—2001 гг. на трех характерных значениях глубины с разными условиями формирования влажностного режима: в зоне преимущественного испарения из почвы; в зоне транспирации корнями растений и в зоне транзитного влагопереноса от уровня грунтовых вод к корнеобитаемому слою (рис. 4). При этом на нижней границе модели задавали фактически наблюдаемую изменчивость уровня грунтовых вод за рассматриваемый период.
Рис. 3. Типовые условия модели эвапотранспирации на территории Самурского природного комплекса: 1 — почвенный слой; 2 — суглинок; 3 — супесь; 4 — глина; 5 — песок; 6 — гравийно-галечниковые отложения
Рис. 4. Сопоставление фактических (пунктирные линии) и модельных (сплошные линии) графиков изменчивости влажности за расчетный
период на примере «лесного» типа ландшафта и строения разреза зоны аэрации
В процессе калибровки моделей осуществлен подбор параметров влагопереноса согласно расчетным моделям М.Т. Ван Генухтена [Шестаков, Поздняков, 2003]. Затем по результатам моделирования проведено обоснование зависимости скорости эвапотранспира-ции от глубины залегания уровня грунтовых вод для типовых условий на территории СПК (рис. 5). Полученные расчетные кривые показывают, что при залегании уровня грунтовых вод в пределах корнеобитае-мого слоя и в зоне капиллярной каймы скорость эвапотранспирации максимальна и стремится к потенциальной величине, а с увеличением глубины залегания существенно сокращается. Для ландшафтных условий с травянистой (луговой) растительностью разгрузка подземных вод эвапотранспирацией возможна лишь до глубины около 2 м, что обусловлено не только слабой корневой системой, но и развитием с поверхности песчано-гравийных отложений практически без заполнителя. На лесных участках эвапотранспираци-онная разгрузка происходит при глубине залегания грунтовых вод до 4 м, чему способствует мощная корневая система деревьев и наличие песчано-суглини-стых отложений на поверхности почвенного слоя.
Скорость эвапотранспирации, м/суг
Рис. 5. Расчетные графики зависимости скорости эвапотранспирации от глубины залегания уровня грунтовых вод: 1 — «лесной» тип; 2 — «луговой» тип; 3 — смешанный тип
На основе полученных зависимостей и с использованием схем ландшафтного районирования и среднегодовых значений глубины залегания уровня грунтовых вод для области выклинивания потока рассчитан суммарный расход эвапотранспирационной разгрузки, который составил 227 тыс. м3/сут.
Оценка инфильтрационного питания проведена с использованием параметров пород зоны аэрации, полученных на этапе моделирования эвапотранспи-рации. В области формирования потока положение уровня грунтовых вод фиксируется на глубине более 10 м, что позволяет рассматривать процессы формирования инфильтрации независимо от него. Таким образом, принципиальное отличие модели влагопе-реноса для оценки инфильтрации — условие свободного оттока влаги на нижней границе.
По характеру ландшафта и строению зоны аэрации в области формирования потока выделены три типа условий: а) широкие поймы рек Самур и Гюльгерычай, где прямо с поверхности развиты валунно-галечные отложения и практически отсутствует растительность; б) междуречные пространства — территории, где развита скудная, преимущественно травянистая растительность, или площади, занятые садами, где с поверхности сформирован суглинистый почвенный слой (табл. 2). Суммарное инфильтрационное питание потока в области его формирования рассчитано на основе полученных в ходе моделирования значений для выделенных типов условий на поверхности земли и в зоне аэрации, с учетом площади их распространения оно составило 74,3 тыс. м3/сут.
Оценка суммарного питания подземных вод на территории АПР. Оценку суммарного питания подземных вод, формирующегося на территории Самур-Гюль-герычайской АПР, можно сделать на основе данных режимных наблюдений за уровнем подземных вод в скважинах, расположенных на границе зоны выклинивания потока (рис. 2). Методика расчетов основана на известном методе оценки инфильтрационного питания по данным режимных наблюдений за уровнем подземных вод в одиночной скважине [Биндеман, Язвин, 1970].
Таблица 2
Расчетные характеристики типовых условий в центральной и привершинной частях Самур-ГОольгерычайской АПР
для оценки инфильтрационного питания
Геоморфологическая характеристика Растительность Глубина корневой зоны, м Мощность покровных суглинистых отложений, м Мощность зоны аэрации, м Инфильтрация, мм/год
Широкие поймы рек Самур и Гюльгерычай Трава (или отсутствует) 0,1 0,0 10—15 161
Междуречья Трава, мелкий кустарник 0,2 0,0 30—40 98
Кустарник, плодовые деревья 0,7 0,7 14
Как показывают предварительные оценки (табл. 1), на территории Самур-Гюльгерычайской АПР ин-фильтрационное питание — далеко не главная приходная статья баланса потока вод в хазаро-хвалынских отложениях, основное питание комплекса осуществляется за счет фильтрационных потерь из рек и каналов в привершинной части структуры. Тогда наблюдаемый подъем уровня подземных вод в скважинах на границе зоны выклинивания потока АН характеризует интенсивность его суммарного питания ^сум в обла сти формирования за период времени АР:
Ща = Д
(Ак + Аг) А '
(2)
где ^ — коэффициент водоотдачи отложений, а величина Аz характеризует дополнительный к наблюдаемому подъем уровня, компенсирующий отток в сторону зоны разгрузки. Расчет поправки Аz осуществляется за период независимого спада уровня, характеризующего «свободное истощение» горизонта, описываемого известным уравнением Майе—Буссинеска, тогда [Гидрогеодинамические расчеты..., 1994]:
Аг = Нср (1 — е-аА),
(3)
п 2 кк
п 2 кк „ , „, ,
а=-г-, юеоааи= ,
4^Ь2 4а 1}
где к, Н — средние значения коэффициента фильтрации и мощности водоносного горизонта соответственно, L — линейный размер потока от границы области формирования до зоны разгрузки.
На основании вышеизложенного оценку суммарного питания потока подземных вод на территории АПР по данным режимных наблюдений за их уровнем осуществляли в следующей последовательности:
1) в многолетнем ряду режимных наблюдений выделяли участки независимого спада уровня подземных вод, характеризующиеся параллельными линейными участками графиков 1п(Н?/Н0) — ? (рис. 6), и вычисляли для них среднее за период наблюдений значение коэффициента истощения а;
2) согласно (4) рассчитывали средневзвешенную (для всего участка рассматриваемого потока) водоотдачу на основе полученных значений коэффициента истощения а и данных о проводимости хазаро-хва-лынских отложений (кН) (по материалам опытно-фильтрационных работ);
3) в многолетнем ряду наблюдений выделяли периоды питания подземных вод и оценивали их интенсивность ^сум согласно выражениям (2) и (3) с подсчетом годовой суммы.
где Нср — средний уровень подземных вод в период питания А?, а — коэффициент истощения. Согласно модели Майе—Буссинеска, коэффициент истощения определяется как угловой коэффициент графика 1п (Н? /Н0) — ? для участка независимого спада уровня, где Н0 и Н( — превышение уровня подземных вод над базисом дренирования на момент начала спада и любое последующее время ? соответственно.
Основная сложность оценки питания рассмотренным выше методом заключается в необходимости определить параметр водоотдачи. Его интегральную оценку для всего истощающегося бассейна можно осуществить на основе параметрического выражения коэффициента истощения а [Ковалевский, 1986]:
Рис. 6. График режимных наблюдений за уровнем подземных вод и периоды его независимого спада (пунктир)
Результаты расчетов показывают закономерное увеличение суммарного годового питания в широтном направлении от периферии АПР к границе с Азербайджаном (рис. 7). Такую же закономерность имеют расчетные значения водоотдачи хазаро-хвалын-ских отложений (рис. 7), что отражает общую тенденцию к увеличению мощности и крупности валунно-галечного материала в глубь структуры. Обратная
Рис. 7. Результаты оценки годового суммарного питания, водоотдачи и коэффициента истощения хазаро-хвалынского водоносного комплекса по данным режимных наблюдений за уровнем подземных вод в скважинах
тенденция наблюдается в расчетных значениях коэффициента а (рис. 7), что свидетельствует о замедлении темпа истощения, это связано с увеличением емкостных запасов водоносного горизонта.
Полученный по данным анализа режимных наблюдений расход суммарного питания подземных вод в зоне формирования потока составляет 980,5 тыс. м3/сут, что несколько превышает сумму приходных статей баланса потока, полученных в результате дифференцированных оценок. Эта невязка составляет 63,4 тыс. м3/сут и обусловлена, очевидно, питанием подземных вод за счет конденсационных вод и площадной фильтрации из сети оросительных каналов, что не поддается непосредственному измерению. Суммарный расход этих дополнительных источников питания подземных вод неплохо согласуется с предшествующими оценками (табл. 1).
Балансово-гидрогеодинамическое моделирование подразумевает использование характеристик баланса потока, полученных независимыми методами (в том числе с помощью отдельных моделей процессов питания и разгрузки), в качестве основной информации, определяющей адекватность гидрогеодинамической модели природным условиям [Всеволожский, Гриневский, 2006]. Для территории Самур-Гюльгеры-чайской АПР такое моделирование проводилось для оценки соответствия полученных расчетных показателей баланса подземных вод гидрогеодинамическим характеристикам потока. Расчетная модель захватывает не только дагестанскую часть территории АПР, но и приграничную часть Республики Азербайджан, что позволяет, пользуясь единством гидрогеологических условий, реконструировать баланс потока подземных вод на территории соседнего государства.
Балансово-гидрогеодинамическая модель построена на основе данных разведочных работ, проведенных на этой территории в 70-х гг. прошлого века. Из всех балансовых характеристик потока, в совокупности формирующих комплекс граничных условий модели, только инфильтрационное питание задается на модель в явном виде (граничным условием 2-го рода). Остальные приходные и расходные статьи баланса подземных вод АПР реализуются в виде граничных условий 3-го рода, расход которых рассчитывается в зависимости от положения уровня подземных вод. Это позволяет уточнить балансовые характеристики потока в ходе калибровки модели, которая осуществляется путем сопоставления среднегодовых фактических (по скважинам) и модельных значений уровня подземных вод хазаро-хвалынского водоносного горизонта. При калибровке уточнялись значения предварительно оцененных статей баланса потока — фильтрационные потери из рек и каналов, расходы русловой, родниковой и эвапотранспирационной разгрузки, причем как для всей территории (табл. 3), так и для отдельных участков.
Таблица 3
Сопоставление расходных и приходных статей баланса подземных вод дагестанской части АПР по предварительным оценкам и по результатам моделирования
Статья баланса Расход, тыс. м3/сут
по предварительным данным по результатам моделирования разница
Приходные статьи баланса
Приток по долинам рек 50,4 49,8 -0,6 (1,2%)
Инфильтрация атмосферных осадков 74,3 140,0 2,3 (1,7%)
Инфильтрация конденсационных и ирригационных вод 63,4
Фильтрация из каналов 157,2 166,0 8,8 (5,6%)
Фильтрация из рек 635,2 684,2 49 (7,7%)
Итого 980,5 1040,0 59,5 (6,1%)
Суммарное питание 980,5
Расходные статьи баланса
Сток в море 27,0 32,9 5,9 (21,9%)
Родниковая разгрузка 186,7 218,0 31,3 (16,8%)
Скрытая и русловая разгрузка 174,7 182,2 7,5 (4,3%)
Эвапотранспирация 174,7 182,2 7,5 (4,3%)
Водоотбор 5,5 5,5 0
Итого 867,8 895,0 27,2 (3,1%)
Результаты моделирования показывают, что в целом суммарные модельные расходы приходных и расходных статей баланса подземных вод незначительно отличаются от расходов, полученных при их дифференцированных оценках, — относительная разница для большинства статей не превышает 7%. Макси-
мальная разница получена для суммарных расходов разгрузкой в море и эвапотранспирацией (21,9 и 16,8% соответственно) (табл. 3). Это объясняется тем, что, во-первых, на модели точнее отражена фильтрационная неоднородность пород, что сказывается на расходе разгрузки в Каспийское море, а во-вторых, детальнее учитываются различия в глубине залегания уровня грунтовых вод на площади зоны выклинивания потока при моделировании разгрузки эвапотранспирацией.
Обратим внимание на то, что на дагестанской части Самур-Гюльгерычайской АПР баланс потока не является замкнутым: сумма питания превышает суммарную разгрузку на 145 тыс. м3/сут (табл. 3). Это означает, что часть потока, сформировавшегося на дагестанской территории, разгружается на площади АПР, находящейся в Республике Азербайджан. Результаты моделирования, проведенного с учетом азербайджанской части АПР, показывают, что формирование потока подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР во многом происходит на территории Южного Дагестана (табл. 4). Доля «собственного» питания на азербайджанской части АПР составляет 62,6% от суммарного расхода разгрузки потока на территории Азербайджана; при этом основное питание подземных вод здесь происходит за счет фильтрационных потерь из Самур-Апшеронского канала, отводящего воды р. Са-мур, основная площадь водосбора которого находится на территории России. В общем балансе Самур-Гюль-герычайской АПР доля питания подземных вод на территории Азербайджана составляет лишь 19,5%, а доля разгружающегося потока — 31% (табл. 4).
Предварительные прогнозные оценки вариантов использования ресурсов подземных вод Самур-Гюль-герычайской АПР, проведенные на основе разработанной балансово-гидрогеодинамической модели территории, показали принципиальную возможность эксплуатации подземных вод для удовлетворения во-
Таблица 4
Приходные статьи баланса, тыс. м3/сут Расходные статьи баланса, тыс. м3/сут
Статья баланса Дагестан Азербайджан Сумма Статья баланса Дагестан Азербайджан Сумма
Приток по долинам 49,8 — 50,4 Сток в море 32,9 38,2 71,1
Инфильтрация атмосферных осадков, конденсационных и ирригационных вод 140,0 67,9 207,9 Родниковая разгрузка 218,0 86,2 304,2
Скрытая и русловая разгрузка 456,4 190,4 646,8
Фильтрация из каналов 166,0 184,3 350,3 Эвапотранс-пирация 182,2 87,9 270,1
Фильтрация из рек 684,2 — 684,2 Водоотбор 5,5 — 5,5
Итого 1040,0 (80,5%) 252,2 (19,5%) 1292,2 (100%) Итого 895,0 (69,0%) 402,7 (31,0%) 1297,7 (100%)
Баланс подземных вод Самур-Польгерычайской аллювиально-пролювиальной равнины
допотребности г. Дербент без значимых последствий для территории СПК. Обоснованная в ходе балансовых исследований зависимость эвапотранспирации от глубины залегания уровня грунтовых вод (рис. 5) позволяет подобрать такое расположение водозаборного сооружения, при котором прогнозные понижения уровня подземных вод на территории Самурского леса не приведут к существенному сокращению эва-потранспирации, а значит, не вызовут деградацию лесного массива.
В то же время результаты имитационного моделирования ожидаемой эксплуатации подземных вод скважинами 3-й очереди Бакводопровода, расположенными в непосредственной близости от границы с Республикой Дагестан, показывают гораздо более негативное влияние на территорию СПК. Масштабы планируемой эксплуатации подземных вод на приграничной территории Республики Азербайджан существенно превышают ресурсы подземных вод, формирующиеся в пределах азербайджанской части АПР. Имитационные расчеты показывают, что водоотбор 3-й очереди Бакводопровода будет обеспечен ресурсами подземных вод, разгружающихся в пределах азербайджанской части АПР, только на 60—65%, а остальная часть водоотбора формируется за счет перехвата разгрузки потока на территории Дагестана, что повлечет критическое понижение уровня грунтовых вод на площади Самурского леса. Таким образом, проведенные исследования баланса подземных вод Самур-Гюль-герычайской АПР дают количественную основу для урегулирования проблемы трансграничного использования ресурсов подземных вод на межгосударственном уровне.
Заключение. На примере изучения баланса подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР продемонстрирован комплексный подход к оценке его составляющих как на основе прямых водно-балансовых расчетов, так и с применением методов моделирования. Построение моделей отдельных процессов формирования и разгрузки потока подземных вод, количественная ха-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Брусиловский С.А., Куделин Б.И., Кирейчева Л.В., Яшин В.М. Подземный сток в Каспийское море на участке побережья от г. Махачкалы до р. Кусарчай // Комплексные исследования Каспийского моря. Вып. 1. М.: Изд-во МГУ, 1970.
Биндеман Н.Н., Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М.: Недра, 1970.
Всеволожский В.А., Гриневский С.О. Оценка естественных ресурсов подземных вод с использованием балансово-гидрогеодинамических моделей // Вод. ресурсы. 2006. Т. 33, № 4. С. 410—416.
Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ / Под ред. Р.С. Штенгелова. М.: Изд-во МГУ, 1994.
Джамалов Р.Г., Зекцер И.С., Месхетели А.В. Подземный сток в моря и Мировой океан. М.: Наука, 1977.
рактеристика которых по данным непосредственных наблюдений чрезвычайно затруднена, весьма эффективно для оценки их роли в общей структуре баланса подземных вод. Достоверность и адекватность количественных балансовых показателей, полученных на основе численного моделирования некоторых наиболее сложных процессов питания и разгрузки, целесообразно обосновывать на базе проведения балансово-гидрогеодинамического моделирования всего потока подземных вод в целом, при котором элементы баланса потока взаимоувязываются с его гидрогеодина-мической структурой.
Применение такого комплексного подхода к оценке баланса подземных вод Самур-Гюльгерычайской АПР позволило получить новые, существенно уточненные количественные характеристики ресурсов подземных вод этой территории, что позволяет решать важные проблемы рационального и экологически приемлемого их использования. Балансово-гидрогеоди-намическое моделирование, проведенное на основе количественных оценок элементов баланса потока, позволило реконструировать условия его формирования на приграничной территории Республики Азербайджан, что может стать необходимой количественной основой для урегулирования спорных вопросов трансграничного использования ресурсов подземных вод.
Особо подчеркнем, что проблемы урегулирования использования трансграничных ресурсов подземных вод, особенно для таких экологически значимых территорий, можно решать только на основе данных комплексного гидрогеологического мониторинга. Учитывая перспективную актуальность этих проблем, на таких территориях требуется не только сохранение существующей сети мониторинга, но и ее развитие в рамках создания специальных гидрогеологических полигонов, на которых можно отрабатывать методические подходы к решению задач экологически приемлемого и трансграничного использования ресурсов подземных вод.
Ковалевский В.С. Исследования режима подземных вод в связи с их эксплуатацией. М.: Недра, 1986.
Листенгартен В.А. Формирование ресурсов подземных вод аллювиально-пролювиальных равнин. Баку: Элм, 1987.
Поздняков С.П., Преображенская А.Е. Оценка эвапо-транспирационной разгрузки подземных вод при помощи численного моделирования // Геоэкология. 2009. (В печати).
Шестаков В.М., Поздняков С.П. Геогидрология. М.: Академкнига, 2003.
Simunek J., Genuchten M. Th. van, Sejna M. The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. Version 3.0. // Preprint Depart. of Environ. Sci. Univ. of California Riverside. Riverside, California, 2005.
Поступила в редакцию 23.12.2008
Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра гидрогеологии: С.О. Гриневский — доцент, канд. геол.-минер. н., e-mail: [email protected] А.Е. Преображенская — аспирантка, e-mail: [email protected]
ГУП РЦ «Дагестангеомониторинг»: С.А. Юрченко — зам. директора, e-mail: [email protected]
