База знаний
 

Гидрогеологические условия основных регионов орошения

Под типом гидрогеологических условий понимается комплекс показателей, характеризующих условия и закономерности формирования подземных вод в естественных условиях, ожидаемое влияние мелиораций и состав необходимых мероприятий, обеспечивающих благоприятные гидрогеологические условия.

По степени сложности гидрогеологических условий орошаемые районы Центральной Азии подразделяются на 4 группы:

  1. районы со сравнительно простыми условиями;
  2. районы средней сложности;
  3. сложные районы;
  4. весьма сложные.

На рисунке приведены примеры орогенных и платформенных районов, характеризующихся различной сложностью гидрогеологических условий; показано геоморфологическое положение этих районов.

Орошаемые районы орогенной группы по степени сложности гидрогеологических условий изменяются от простых до весьма сложных. Они характеризуются глубоким залеганием водоупора и участием в составе четвертичных отложений хорошо водопроницаемых гравийно-галечниковых пород (рис.).

Орошаемые районы платформенной группы являются преимущественно среднесложными, сложными и весьма сложными, отличаются сравнительно небольшой глубиной залегания регионального водоупора (дочетвертичного возраста). В составе четвертичных отложений в большинстве районов отсутствуют гравийно-галечниковые породы.

Районы со сравнительно простыми гидрогеологическими условиями характеризуются формированием преимущественно пресных грунтовых вод с устойчиво глубоким залеганием уровня (районы 1-4 на рис.). Эти районы расположены в основном в области питания грунтовых вод, отличаются интенсивной естественной дренированностью Подземный отток здесь полностью компенсирует приходные составляющие баланса грунтовых вод; испарение и транспирация грунтовых вод незначительны или отсутствуют. При этом оттоке обеспечивается автоморфный режим почвообразования, почвы незасоленные (типичные и светлые в большинстве сероземы и др.), и устойчиво хорошее мелиоративное состояние земель. Искусственный дренаж не требуется. Эти земли весьма благоприятны для орошения. К первой группе районов принадлежат также земли естественно-дренированные. Благодаря интенсивному оттоку грунтовые воды, не имеющие напорного питания, несмотря на неглубокое залегание, является устойчиво пресными (районы 5, 8 на рис.). Этому способствует и интенсивный подземный приток, который при значительном оттоке обуславливает хорошую “промытость” отложений, отсутствие в зоне аэрации легкорастворимых солей. Благодаря неглубокому залеганию пресных грунтовых вод поливные культуры покрывают значительную часть своей потребности в воде за счет грунтовых вод. Формирующиеся в этих условиях луговые и лугово-болотные почвы обладают высоким потенциальным плодородием (при условии предупреждения заболачивания почв).

В рассматриваемых условиях, в целом также весьма благоприятных для поливного земледелия, локально проявляется сульфатно-кальциевое и карбонатно-магниевое засоление почв с образованием плотных солевых горизонтов (носящих в Средней Азии название “шох”, “арзык”).

Районы средней сложности включают естественно дренированные земли, в которых при наличии слабого, среднего и сильного напорного питания пресных грунтовых вод необходима борьба с заболачиванием почв, требуется более интенсивный дренаж, чем в районах первой группы (районы 6, 7 на рис.). Ко второй группе отнесены и естественно слабодренированные районы, в которых необходима борьба и со слабым засолением почв, так как грунтовые воды обладают уже повышенной минерализацией (районы 9, 14, а, б, г, д, на рис.).

Районы со сложными гидрогеологическими условиями широко распространены в орошаемой зоне. К ним принадлежат:

  • весьма слабо дренированные земли при отсутствии напорного питания грунтовых вод или слабом и среднем питании пресными напорными водами (районы 9, 13, 14, а, б, на рис.);
  • зоны интенсивного выклинивания подземных вод на конусах выноса, где имеет место сильное и очень сильное напорное питание грунтовых вод (районы 10, 12 на рис.);
  • практически бессточные земли при отсутствии или слабом напорном питании грунтовых вод (районы 14, в, е, 15, а, в, б, г, 18, а, б, на рис.).

В рассматриваемой группе районов, в большинстве отличающихся повышенной или высокой минерализацией грунтовых вод, основной задачей мелиоративных мероприятий является борьба с засолением почв на основе регулирования режима грунтовых вод с помощью интенсивного дренажа.

Районы с весьма сложными гидрогеологическими условиями включают:

  • бессточные земли - беспластовые практически водоупорные (район 16, на рис.);
  • весьма слабо дренированные земли при двухслойном или многослойном строении пласта и наличии среднего или сильного питания грунтовых вод пресными напорными водами (район 11 на рис.);
  • весьма слабо дренированные и бессточные земли при двухслойном или многослойном строении пласта, находящиеся в сложных гидрогеохимических условиях (районы 17, а, б, рис.).

Районы последней группы требуют для борьбы с засолением почв применения наиболее интенсивного дренажа, промывных поливов с использованием химических мелиорантов (в случае содового или содово-сульфатного засоления почв) и т.д. Если в районах с простыми гидрогеологическими условиями при глубоком залегании грунтовых вод затраты на дренаж вообще не требуются, то в рассматриваемой группе районов капитальные вложения в строительство дренажа достигают 2-3 тыс. долларов. и более на 1 га орошаемых земель. Соответственно велики и ежегодные эксплуатационные затраты на дренаж.

Одним из важных гидрогеологических показателей орошаемых территорий является естественная дренированность земель. Ее показателем является потенциальная величина подземного оттока грунтовых вод (выражаемая в миллиметрах слоя воды, или в м3/га в год или величины естественного дренажного модуля «л/с/га»).

Естественная дренированность массива определяется его геологическим строением, геоморфологическими условиями, рельефом, связью грунтовых вод с поверхностными водотоками и водоемами - как естественными, так и искусственными, связью грунтовых вод с напорными водами. Эти факторы находят свое отображение в геофильтрационных схемах орошаемого или осушаемого массива.

По характеру геологического строения в общем случае возможны следующие геофильтрационные схемы: 1) однопластовая (однослойная и двухслойная), 2) двухпластовая, 3) многопластовая и 4) водоупорная.

При геофильтрационной схематизации для количественной характеристики параметров пластов целесообразно использовать следующие количественные показатели.

Фильтрационные свойства пластов с точки зрения условий работы горизонтальных дрен: благоприятные условия - коэффициент фильтрации более 0.5 м/сут, промежуточные - 0.1-0.5 и неблагоприятные - менее 0.1 м/сут.

На основе анализа работы дрен в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0.1 м/сут целесообразна дифференциация их на следующие группы: от 0.1 до 0.01 м/сут - низкой водопроницаемости, от 0.01 до 0.001 м/сут - весьма низкой и менее 0.001 м/сут - крайне низкой водопроницаемости, создающей исключительно неблагоприятные условия для работы дрен. В то же время с уменьшением водопроницаемости грунтов сокращаются потери на фильтрацию из оросительных каналов.

Для оценки эффективности работы вертикального дренажа и эксплуатационных водозаборов подземных вод и общих гидрогеологических условий массива одним из основных параметров является водопроводимость отложений. При двухслойной или многослойной схеме строения пласта следует оценивать водопроводимость более проницаемого слоя или свиты пластов по следующим градациям: менее 100 м2/сут (как неблагоприятная); 100-200; 200-500; 500-1000; свыше 1000 м2/сут. С повышением водопроводимости условия работы водозаборов и эффективность вертикального дренажа, при равенстве других условий, улучшаются.

Важный фактор геофильтрационной схематизации - наличие и характер связи грунтовых вод с нижележащим межпластовым водоносным горизонтом. В этом плане следует различать: 1) районы формирования грунтовых вод и 2) районы формирования единых водоносных комплексов грунтовых и напорных или субнапорных вод. При превышении пьезометрического уровня над уровнем грунтовых вод и наличии восходящего перетекания напорных вод в грунтовые воды целесообразно различать площади земель: слабого напорного питания - до 100 мм в год; среднего - от 100 до 200; сильного - от 200 до 300; очень сильного - более 300 мм в год.

Естественная дренированность зависит от рассмотренных факторов, а также от типов граничных условий геофильтрационных потоков.

По степени естественной дренированности земель применительно к орошаемым районам выделен ряд гидродинамических зон, характеризующихся различным подземным оттоком грунтовых вод, установленным по сравнению с величиной ирригационного питания грунтовых вод.

На основе воднобалансовых исследований установлено, что в орошаемых районах пустынной и полупустынной зон при существующих КПД оросительных систем и поверхностном самотечном орошении ирригационное питание грунтовых вод в среднем составляет 300-600 мм/год.

Исходя из этого установлены следующие 5 зон:

  1. естественно интенсивно дренированная с потенциальной величиной подземного оттока свыше 500 мм/год, т.е. более ирригационного питания в любых климатических условиях и при любых способах орошения и технике полива;
  2. дренированная - отток 300-500 мм/год, что примерно соответствует ирригационному питанию грунтовых вод в пустынных и полупустынных районах и превышает питание в степных районах;
  3. слабодренированная - отток 150-300 мм/год, т.е. меньше ирригационного питания в полупустынных и пустынных районах и соответствует верхнему пределу питания в степных районах;
  4. весьма слабо дренированная - отток 50-150 мм/год, т.е. значительно меньше питания в пустынных и полупустынных районах и примерно близок к нижней границе питания грунтовых вод в степных условиях;
  5. практически бессточная - отток менее 50 мм/год, т.е. весьма значительно меньше ирригационного питания грунтовых вод в любых климатических условиях.

С уменьшением подземного оттока при неглубоком залегании грунтовых вод возрастает расход их на испарение и транспирацию, что приводит к росту минерализации грунтовых вод и соленакоплению в почвах и породах зоны аэрации.

Характеристика геоморфологических условий площадей распространения выделенных гидродинамических зон, свойственных им глубин залегания и минерализации грунтовых вод, а также роли грунтовых вод в процессах почвообразования дана в табл.

Орошаемые земли могут быть расположены во всех зонах естественной дренированности. Однако всего лишь около 20 % земель существующего и перспективного орошения характеризуются интенсивной естественной дренированностью, которой свойственно устойчиво глубокое залегание грунтовых вод и потому искусственное дренирование земель не требуется. Сколько же занимает естественно-дренированная зона со свойственными ей устойчиво пресными грунтовыми водами, где дренаж может потребоваться для борьбы с заболачиванием почв.

Три последующие гидродинамические зоны - низкой естественной дренированности - занимают примерно 60% земель существующего и проектируемого орошения. Дренаж здесь необходимым в настоящее время или потребуется в перспективе для борьбы со вторичным засолением, заболачиванием и осолонцеванием орошаемых почв или для предупреждения этих процессов.

Крупные орошаемые оазисы могут характеризоваться наличием нескольких гидродинамических зон. Однако могут быть оазисы и с однородной дренированностью.

При значительной мощности покровного слабопроницаемого слоя (свыше 10-15 м), подстилаемого хорошо проницаемыми отложениями, следует раздельно оценивать естественную дренированность этого слоя. Она зависит от его фильтрационных свойств, водопроводимости хорошо проницаемого подстилающего слоя и соотношения уровней подземных вод в том и другом слоях. Это соотношение может изменяться во времени, соответственно увеличивая или уменьшая дренированность покровного пласта, что учитывается в прогнозах.

В отличие от орошаемых массивов, которые характеризуются различной естественной дренированностью, районы развития переувлажненных почв, требующих осушения, в области достаточного увлажнения находятся только в зонах низкой дренированности. Важнейшим показателем естественной дренированности в гумидной зоне является глубина залегания грунтовых вод - с учетом ее сезонных, годовых и многолетних изменений.

Глубина залегания, минерализация, режим и баланс грунтовых вод. Характеристика глубин залегания и минерализации грунтовых вод в разных климатических условиях и при разной естественной дренированности земель приведена в табл. В зависимости от того или иного сочетания климатических и гидродинамических условий по минерализации грунтовые воды изменяются от ультрапресных до рассолов - с сухим остатком до 200-300 г/л и более. Широкий диапазон изменений глубин залегания грунтовых вод был отмечен выше. Как глубина залегания, так и минерализация и химический состав грунтовых вод подвержены сезонным, годовым и многолетним изменениям, описываемым определенными закономерностями режима.

Режим и баланс грунтовых вод на орошаемых и осушенных землях формируются в результате взаимодействия природных и хозяйственных факторов. Анализу особенностей этих важных показателей гидрогеологических условий посвящен второй раздел учебника.

Общие гидрогеохимические условия. В пределах каждой климатической и гидродинамической зоны возможно наличие одного или нескольких локальных факторов, осложняющих природную гидрогеохимическую обстановку. К этим факторам относится наличие:

  • современного или реликтового морского засоления пород и грунтовых вод;
  • соленосных коренных пород, процессов денудации их и аккумуляции продуктов этой денудации;
  • подпитывания грунтовых вод высокоминерализованными напорными водами;
  • повышенной щелочности грунтовых вод, вызывающей содовое засоление почв;
  • грязевых вулканов и соляно-купольной тектоники.

Сложность геохимической обстановки проявляется в повышенных запасах солей в грунтовых водах, водовмещающей толще и в породах зоны аэрации, что осложняет мелиорацию земель.

В рассмотренных гидрогеохимических условиях минерализованные грунтовые воды или воды с повышенной щелочностью могут формироваться в любых климатических зонах. Однако наибольшего развития соленакопление достигает при сочетании сложных геохимических условий с бессточностью территории и аридностью климата.