Материал: Месторождения подземных вод в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин

Месторождения подземных вод в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин

Месторождения подземных вод в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин

1. Типизация месторождения подземных вод

Классификация месторождений подземных вод промышленного типа связаны с водоносными горизонтами:

) в пределах современных и погребенных речных долин;

) в артезианских бассейнах;

) в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин;

) в структурах и массивах трещиннокарстовых пород и зонах тектонических нарушений;

) в песчаных массивах пустынь и полупустынь;

) в надморенных и межморенных водноледниковых отложениях;

) в таликовых зонах области распространения многолетнемерзлых пород.

1.1 Общая информация о месторождении подземных вод в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин

В Казахстане и странах ближнего зарубежья имеются крупные горные области и прилегающие к ним предгорные и степные равнинные области (Средняя Азия, Закавказье и др.), где широко развиты подземные воды. В горных областях реки, прорезающие горные хребты, несут с собой массу разнообразного по величине и окатанности обломочного материала.

С выходом рек на равнину или межгорную широкую долину скорость их течения уменьшается и, соответственно, теряется часть энергии, вследствие чего из воды начинает выпадать минеральный материал. Ближе к выходу из гор отлагается более крупный материал, далее от горного ущелья - более мелкий.

Такие рыхлые обломочные отложения заключают в своей толще грунтовые воды, которые питаются частью за счет инфильтрации атмосферных осадков, частью за счет поглощения речных вод, спорадически (чаще весной) протекающих по конусам выноса.

Обычно еще до выхода горной реки из ущелья в речной долине отлагается крупный обломочный материал, который поглощает часть воды горного потока. В крупнообломочном материале вода течет дальше и входит в конус выноса, расположенный уже за пределами ущелья. Здесь река отдает большое количество воды, здесь же происходит питание грунтовой воды сухой дельты атмосферными осадками. По мере удаления от гор питание атмосферными осадками становится все слабее, т. к. происходит смена крупнообломочного материала более мелкозернистым, слагающим конус выноса. Уровень воды в конусе выноса залегает глубоко вблизи гор, по мере удаления, поднимается выше и выше, поэтому грунтовые воды в виде многочисленных источников выходят на поверхность земли.

Необходимо отметить влияние исходного состава поверхностных вод, питающих подземные воды, на формирование степени и характера минерализации последних. Реки имеют снеговое или ледниковое питание с наибольшими расходами в период таяния снежников и ледников. В это время происходит наибольшее поглощение поверхностных вод и превращение их в подземные. Питание атмосферными осадками чаще отмечается в весенне-летний период.

В областях с сухим климатом в предгорных районах накапливаются большие толщи обломочного материала, выносимого реками, небольшими оврагами и сносимого по склонам. По мере накопления обломочного материала отдельные небольшие конусы сливаются в сплошную полосу конусов выноса, формируя наклонные равнины, окаймляющие подножья гор. Мощные континентальные отложения предгорных наклонных равнин являются природными коллекторами огромных запасов грунтовых и артезианских вод.

Запасы формируются за счет поглощения вод поверхностных водотоков, а также инфильтрации атмосферных осадков. В зоне свободного водообмена воды обычно имеют невысокую минерализацию.

Значительные удельные расходы естественных потоков и наличие участков интенсивной разгрузки путем родникового стока или испарением определяет структуру формирования эксплуатационных запасов за счет главным образом естественных ресурсов. Производительность водозаборов в целом достаточно высокая. Для крупных месторождений с высокими фильтрационными свойствами водовмещающих пород и интенсивной естественной разгрузкой подземных вод - 150-200 тыс. м³/сут и более.

В центральных частях артезианских бассейнов крупных межгорных впадин условия формирования месторождений подземных вод аналогичны бассейнам платформенного типа.

Этот тип промышленных месторождений подземных вод описываемой группы встречается в бассейнах напорных, вод, формирующихся в предгорной зоне в рыхлообломочных песчано-галечниковых образованиях конусов выноса. Этот тип месторождений характерен для предгорных зон некоторых горноскладчатых областей и встречается, главным образом, в Средней Азии, Казахстане и на Кавказе. В последние годы месторождение описываемого, типа было обнаружено в Восточной Сибири в долине р. Чары. Впервые гидрогеологические условия бассейнов напорных вод в конусах выноса были изучены и описаны в Средней Азии О.К. Ланге.

При выходе крупных речных долин из горных районов на предгорную равнину поверхностные потоки формируют мощные толщи рыхлых аллювиально-пролювиальных образований. В разрезе эти отложения представлены переслаиванием песчано-галечниковых отложений и суглинков (глин). Эта фильтрационная неоднородность в вертикальном разрезе определяет более целенаправленную постановку поисково-разведочных работ. Неоднородность механического состава пролювиальных толщ, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении создает условия для формирования в центральной и периферийной частях площади конусов выноса подземных вод напорного типа. В бассейне обычно присутствует несколько напорных водоносных горизонтов, имеющих одну общую область питания. В условиях формирования подземных вод на площади конусов выноса четко выражена горизонтальная гидрогеологическая зональность. В вершине конуса выноса, непосредственно примыкающей к краевой части горного сооружения, находятся область питания и зона глубокого залегания уровня грунтовых вод (до 80 м, реже до 120 м). Аллювиально-пролювиальные отложения представлены здесь преимущественно хорошо проницаемыми галечниковыми образованиями.

Схема гидрогеологической зональности конусов выноса (по В.А. Гейнцу)

1 - отложения древнего конуса выноса (ташкентский комплекс); 2 - отложения современного конуса выноса (голодностепскнй комплекс); 3 - конгломераты глинистые; 4 - суглинки, глины; 5 - аллювиальные отложения главной реки (региональная дрена); 6 - родниковый сток; 7 - естественная разгрузка подземных вод в форме испарения; 8-питание; 9 - уровень грунтовых вод; 10 - напоры; 11 - аллювиальные отложения. Зоны: I - регионального стока; II - формирования напора и естественной разгрузки (подзоны разгрузки: Па - открытой, 116 - русловой, Пв - интенсивной родниковой); III - питания и транзитного стока.

Вторая зона, расположенная примерно в центральной части конуса выноса, характеризуется расчленением единого потока подземных вод на несколько этажно залегающих галечниковых, хорошо проницаемых горизонтов, в которых воды по мере погружения приобретают избыточный гидростатический напор. Общая мощность пролювиальных отложений, в этой части может достигать 500 и более метров.

В гидрогеологическом отношении она характеризуется формированием напорного режима и естественной разгрузкой подземных вод. На этом довольно широком фронте фильтрационного потока четко выделяются три подзоны: Па - подзона интенсивной родниковой разгрузки, хорошо выраженная по площади в виде веерообразной поверхности; Пб - подзона русловой естественной разгрузки подземных вод на участках, где многочисленные современные русла реки (в дельтовой части) пропиливают слой слабопроницаемых покровных суглинков и обнажают водовмещающие галечниковые образования; ІІв - подзона скрытой разгрузки, проявляющейся в виде вертикального стока подземных вод' и их интенсивного испарения. В подзонах Па и 116 обычно формируются довольно крупные родники с суммарными расходами от 2 до 15 м³/с. Такие мощные родники указывают на большую регулировочную емкость водоносных галечников, а также на значительные эксплуатационные возможности описываемого типа месторождений подземных вод.

1.3 Структурное положение конусов выноса

Гидрогеологические условия соответствуют особенностям структурного положения конусов выноса. В теле конусов выноса описываемой группы развит единый мощный поток подземных вод со свободным зеркалом, с общим уклоном от гор к равнине и на отдельных участках - в стороны от русел рек (Малая Алматинка). Глубина залегания подземных вод колеблется от 200 М в их вершинах до нескольких метров по периферии. На расстоянии 16-20 Км От горного массива единая водоносная толща галечника, мощность которой на конусах выноса превышает 500 М, Разделена слоями суглинков на ряд этажи расположенных напорных водоносных горизонтов с пьезометрическим уровнем, лежащим выше поверхности земли. Уменьшение общей мощности рыхлых четвертичных отложении на равнине, появление мелкоземов и увеличение мощности суглинистых слоев значительно сокращают живое сечение потока, в результате чего создается подпор подземных вод конусов выноса. Часть потока выклинивается, образуя многочисленные источники, речки типа карасу, сазы и заболоченности. В нижних частях конусов выноса, где еще существует открытое зеркало, установлены вертикальные токи и ‘разгрузка вод глубокой циркуляции в верхние слои обводненной толщи. Вертикальная разгрузка подземных вод четвертичных отложений отмечается и за пределами конусов выноса - на предгорной наклонной равнине.

Детальные гидрогеологические исследования позволили установить определенную закономерность в изменении гидрогеологических параметров по площади и в вертикальном разрезе. Максимальная водообильность и водоотдача пород характерна для зоны подпора, занимающей нижнюю треть конусов выноса выше по потоку от зоны выклинивания. Здесь коэффициенты фильтрации колеблются от 28 до 100 М/сутки, Коэффициенты водоотдачи 0,2-0,3. Удельные дебиты скважин достигают 30-40 Л/сек. Фактические дебиты 100-200 Л/сек При понижениях на 4-5 М.

В сторону равнины и к вершинам конусов выноса водообильность пород уменьшается. На равнине (зона выклинивания) коэффициенты фильтрации не превышают 15-20 М/сутки. Удельные дебиты скважин 1,5-3 Л/сек, Фактические-50-70 Л/сек При понижениях на 30-40 М. В вершинах конусов выноса удельные дебиты скважин 1-3 Л/сек. В вертикальном разрезе максимальная водообильность характерна для верхней (100-150 М) Обводненной толщи. Ниже 150 М благодаря слабой цементации и уплотнению пород водообильность снижается. Коэффициенты фильтрации уменьшаются до 10-15 М/сутки, Удельные дебиты скважин не превышают 1,5-3 Л/сек.

Гидравлический уклон зеркала подземных вод по периферии конусов выноса колеблется в значительных пределах и составляет в среднем от 0,0028 на Малом Алматинском до 0,0074 на Большом Алматинской конусах выноса. Расход потока для верхней части обводненной толщи мощностью 150 М равен 268 Л/сек На 1 Км фронта на Алматинских и 220 Л/сек На 1 Км фронта потока на Талгарском конусах выноса. Общие вековые ресурсы исчисляются в 57,4 Км³.

Воды конусов выноса Алматинской группы обладают низкой минерализацией и устойчивым химическим составом, как по площади распространения, так и в вертикальном разрезе. Отмечается некоторое уменьшение минерализации с глубиной и аномальное повышение минерализации подземных вод на конусе выноса р. Малой Алматинки вблизи контакта с отложениями нижнечетвертичного и неогенового возраста. В общем, преобладают пресные гидрокарбонатные кальциевые воды с минерализацией 0,2-0,3 Г/л. Из микрокомпонентов обнаружены кремнекислота (6-14 Мг/л) И фтор (0,04-0,6 Мг/л).

1.4 Питание подземных вод конусов выноса

В проблеме формирования подземных вод конусов выноса наряду с геологическими факторами, определяющими параметры основного коллектора, наиболее важными являются вопросы питания. Хотя мнение о том, что основные объемы воды в конусы выноса поступают путем инфильтрации из поверхностных водотоков, а подземный сток со стороны горного массива имеет подчиненное значение, общепринятое (Ахмедсафин, 1948, 1964; Григоренко, 1954; Каплинский, 1960; Гейнц, 1958), отдельные исследователи несколько расходятся в количественной оценке последнего. В.Л. Шульц (1948), В.А. Гейнц (1958), М.И. Каплинский и др. считают величину подземного стока ничтожной и пренебрегают ей. Некоторые исследователи (Решеткина, 1959) придают ей существенное значение. А.Г. Голубь (1954-1961) при составлении балансового уравнения для конусов выноса Малой и Большой Алматинок объединил в балансовый участок горный склон, предгорную ступень и конусы выноса и получил, таким образом, величину «глубокой инфильтрации» для всего балансового участка, не определяя величины подземного стока с горного района в конусы выноса.

Общая схема процессов водообмена в Илийской впадине проста. Горные районы, окаймляющие впадину, получают большое количество атмосферных осадков и являются областями формирования поверхностного и подземного стока, поступающего во впадину. Последние наряду с атмосферными осадками и конденсационными водами на территории впадины составляют приходную часть общего водного баланса рассматриваемого региона: расход влаги осуществляется путем поверхностного стока, испарения и транспирации растениями. Подземный отток из впадины возможен по долине р. Или, но величина его ничтожна (не более 42 М³/сутки, По данным Г.М. Леонова).

Особую роль в формировании подземных вод межгорной впадины играют ее бортовые участки, сложенные мощной толщей рыхлых, хорошо водопроницаемых пролювиально-аллювиальных отложений конусов выноса горных рек. Поглощая значительную часть поверхностного стока, поступающего с горного обрамления впадины, значительное количество ирригационных вод и атмосферных осадков и являясь мощными коллекторами подземных вод, они во многом определяют питание и формирование подземных вод всей впадины.

2. Разведка, освоение и эксплуатация месторождений данного типа

Месторождения пресных подземных вод в предгорных конусах выноса являются уникальными природными объектами. В процессе исследовательских работ на месторождениях подземных вод в предгорьях были отмечены целый ряд интересных особенностей и природных закономерностей, свойственных данному типу месторождений. Опытные работы в нескольких десятках водозаборных скважин, вскрывающих водоносную толщу трех крупных предгорных конусов выноса, показали, что указанные особенности требуют определенного подхода к процессу разведки, освоения и эксплуатации месторождений данного типа.

Основной проблемой при вводе в эксплуатацию водозаборных скважин стал значительный вынос взвешенных частиц. Некоторые скважины давали на самоизливе мутную или грязную воду, непригодную для использования в целях водоснабжения. Дебит «грязных» скважин составлял от 10 до 50 л/с, вынос твердого песчано-глинистого материала нередко достигал 0,4 м³/сут, в отдельные моменты, повышаясь до нескольких кубометров в сутки. При откачках при помощи насоса вынос песчаного материала мог превышать 10 м³/уст, что создавало угрозу потери устойчивости эксплуатационной колонны и обрушения скважины. Ранее на месторождении отмечались случаи потери скважин в результате просадки грунта, приводившие к образованию небольших техногенных озер с дебитом самоизлива до нескольких десятков литров в секунду.

Опыт четырех месяцев полевых работ по освоению и тестированию водозаборных скважин на участке месторождения позволил обозначить два взаимосвязанных негативных фактора, ограничивающих эксплуатационные возможности скважин:

. Суффозионный вынос взвешенных песчаных частиц.

Во избежание существенного выноса песчаных частиц было предложено проводить опытные откачки плавно, без резких пусков и остановок насоса. Практика работ показала, что соблюдение плавного режима работы позволяет благополучно осваивать водозаборные скважины и получать по ним дебиты чистой воды в 1,5 2,5 раза превышающие дебиты самоизлива. Отклонение от указанной методики работ, вызванное желанием ускоренного получения результата (проектного дебита в 70 л/с), либо вызванное неравномерной пульсирующей работой водоподъемного оборудования и частыми остановками, неизменно приводило к негативным последствиям. Вода, откачиваемая из скважины, становилась грязной и не очищалась длительное время. Имели место случаи, когда работы по некоторым скважинам пришлось приостановить из-за критического выноса песчаного материала.