Создание информационной системы гидрогеологических процессов г. Ташкента

Джуманов Ж.Х., Мавлонов А.А., Чертков Ю.Т., Джуманов А.Х., Узбекгидрогеология, институт ГИДРОИНГЕО, Республика Узбекистан, Ташкент, тел.: +99871 1624774, E-mail: jamoljon@rambler.ru

Изучение процессов подтопления при инженерно-хозяйственном освоении территории является весьма актуальной задачей. Корректно ее решить помогают методы математического моделирования и современные ГИС-технологий. Они, например, позволяют оценить роль техногенеза в формировании региональных и локальных изменений гидрогеологических и инженерно-геологических условий на территории г. Ташкента, что облегчит принятие оптимальных решений в сфере управления природными ресурсами и контроля экологического состояния окружающей среды.

В последние годы на территории г. Ташкента наблюдается интенсивный подъем уровня грунтовых вод (УГВ), в некоторых местах до 2-7 метров, что усилило процессы подтопления, загрязнения, засоления, привело к деформации зданий и сооружений. Для уточнения причин этого явления необходимо создание математических моделей, адекватно отражающих гидрогеологическая условия на территории города, учитывающих роль метрополитена, водопроводно-канализационной и коллекторно-дренажной сетей, а также влияние перепланировки городской среды (ликвидация естественных дрен — оврагов, саев). Ещё одной актуальной задачей является изучение взаимосвязи техногенных и подземных вод, выявление условий и мест формирования техногенной верховодки.

Учёт всех этих факторов при моделировании геофильтрационных процессов, происходящих на территории г. Ташкента, позволит получить более достоверное представление о режиме подземных вод и выработать рекомендации по снижению негативных последствий.

Город Ташкент расположен в центральной части Средней Азии на сочленении Тяньшанского орогена и Туранской плиты в пределах Приташкентской впадины, правобережной долины р. Чирчик и Чирчик-Келесского водораздела, Полтарацко-Чиназского поднятия (рис. 1, 2.). Подготовка территории к строительству (вертикальная планировка, вскрытие котлованов, прокладка дорог и подземных коммуникаций, строительство линий метрополитена, подземных переходов и дорог) приводит к изменению гидрогеологической обстановки в пределах города.

Город представляет собой многокомпонентную функциональную систему, динамически воздействующую на геологическую среду. Эта система весьма неоднородна, режимообразующие факторы и условия отличаются большой изменчивостью во времени и пространстве. Учет одних факторов подтопления без учета других факторов приводит к заведомо неверным прогнозам. Следовательно, для улучшения мелиоративного состояния застроенной территории требуется полный учет факторов, вызывающих подтопление.

Рис. 2. Карта фактического материала долины р. Чирчик (по материалам ГГП «Узбекгидрогеология», масштаб 1:300 000).

Одним из основных методов для изучения и прогнозирования процесса подтопления служит математическое моделирование гидрогеологических условий территорий города в пределах перспективной административной границы. А для оптимизации и информационного обеспечения научной и производственной деятельности специалистов института ГИДРОИНГЕО, а также для обоснования принятия решений наилучшим образом подходят ГИС-технологии.

Созданный и постепенно наращиваемый информационный массив представлен таблицами, графиками и набором электронных карт в виде базовых слоев ArcView 3. При решении других гидрогеологических задач, таких как оценка эксплуатационных запасов, создается отдельный комплект карт: геофильтрационная, естественных ресурсов, эксплуатационных запасов и т.д. Также собирается дополнительная цифровая информация по гидрогеологическим параметрам и геохимическим показателям.

Информационная система месторождений подземных вод в виде совокупности цифровых карт и базовых информационных таблиц представляет подробную характеристику гидрогеологического района. Она слагается из описи водоносных слоев, имеющихся в этом районе, сведений о запасах и водоотборе, водопотребителях и целях использования подземных вод, их режиме и качестве по всей территории и на водозаборах, техническом состоянии водозаборных сооружений и т.д.

Созданные в ГИС векторные карты позволяют оперативно и в наглядном виде получать гидрогеологическую и гидрологическую информацию (количественную и качественную характеристику водоносного горизонта, паспортные данные скважин и т.д.) по любому участку в пределах г. Ташкента.

Информационная система представлена в виде электронных тематических карт (фактического материала, геологическая, минерализации и загрязнения подземных вод, гидрогеологическая), разрезов и информационных таблиц (сведения по скважинам, загрязнению, водоотбору и др.). Векторные карты составлены в системе координат Гаусса–Крюгера (Пулковская обсерватория, 1942 г.), которая позволяет определять местоположение водопунктов с точностью 5 м.

Грунтовые воды, транзитом поступающие на городскую территорию с северо-востока, получают питание из ирригационной системы Бозсу (Анхор, Калькауз и др., что отображается на карте гидроизогипс и гидрогеологических разрезах в виде ирригационно-грунтовых «бугров»), за счет фильтрационных потерь из подземных коммуникаций и «озёр». Они частично дренируется каналами Каракамыш, ниж. Бозсу, Бурджар, Актепа, Саларом, арыками Чаули, Чорсу и др., что на карте проявляется в виде депрессионных понижений УГВ.

Основной структурно-тектонический план г. Ташкента унаследован от верхнеплиоценового и нижнечетвертичного периодов. Он проявляется в Ташкентском поднятии, разделившем высокие террасы на западный и восточный блоки, и Чирчикской депрессии. Структурами второго порядка являются Чигатайское поднятие и Каракамышский прогиб.

В среднечетвертичное время основные структуры дробились на мелкие купола и прогибы. Складчатые дислокации на границы средне – и вехнечетвертичного времени изменили структурный план. Ташкентское поднятие «поглотило» прогиб того же названия, а Чирчикская депрессия расширилась к северо-западу за счет поглощения Чирчикского поднятия.

На основе анализа геологического и тектонического строения, гидрогеологических условий и гидродинамической структуры геофильтрационного потока были выделены следующие водонапорные и водообменные системы:

а) Бозсуйская искусственная водонапорная система четвертичного водоносного комплекса («эксплуатационный горизонт»);

б) Чиланзарско – Юнусабадская техногенная водообменная система (в лессовидных покровных породах), взаимодействующая с Бозсуйской водонапорной системой путем вертикального водообмена;

в) Чирчикская природно-техногенная водонапорная система в отложениях современной долины реки Чирчик;

г) Взаимодействующая Чирчик – Бозсуйская водонапорно-дренирующая система.

Схема гидрологического районирования территории представлена на рис. 3.

Гидрогеологическое районирование гидродинамической структуры города проводилось на основе пространственного ГИС-анализа. С учетом геологического и тектонического строения было выделено несколько зон: 1) западный склон Ташкентского поднятия; 2) юго-восточный склон Ташкентского поднятия – долины Бурджара, Чаули, Салара; 3) северо-западный склон Ташкентского поднятия. Восточная граница третьей зоны проходит по Бозсу до головной части канала Кечкурук, южная ограничивается водоразделом (Чигатайское поднятие), северо-западная – долиной Каракамыша.

Нами рассмотрено движение грунтовых вод в системе, отражающей неоднородный безнапорный водоносный горизонт. Снизу он подстилается произвольным негоризонтальным водоупором, сверху — свободной поверхностью. Последняя формируется за счет инфильтрации поливных вод, потерь и утечек из подземных коммуникаций, процессом взаимодействия с поверхностными водами (каналы, реки), за счет испарения и под воздействием водоотбора. Область исследования представлена в виде растра, шаг сетки выбран равным 250м.

Площади малопроницаемых фаций в зоне аэрации на территории Ташкента вероятно обуславливают формирование техногенной верховодки. Она формируется при начальном градиенте фильтрации J_o=f(K_в, h; m_в), где К_в — коэффициент фильтрации, m_в — мощность мелкоземов, h — слой воды над относительным водоупором или возможная мощность верховодки. При H?4/3m_вJ_o водообмен между покровными мелкоземами и подстилающими отложениями весьма мал или практически отсутствует (относительный водоупор), поэтому и формируется верховодка.

За основу для выделения гидродинамических районов были приняты следующие признаки:

а) завершенность (условная) гидрогеологического процесса – питания, оттока, дренирования (однородный балансовый район). Она обусловлена следующими признаками (критериями и показателями): геологическим строением (распространение однородных фациально-литологических комплексов: аллювиальных, аллювиально-пролювиальных, пролювиальных и др.); особенностью геологического разреза: одно-двухслойные, проницаемые или малопроницаемые и др.;

б) тектоническое строение;

в) гидрогеологические условиями (гидрография, водохозяйственные условия, развитие водонапорных и водообменных систем).

Выделены следующие гидродинамические районы (структуры):

1. Чирчикский (подземные воды современной аллювиальной долины Q_II—IV – высокопроницаемая, однослойная водонапорная система);
2. Причирчикский (аллювиальные отложения, погребенные под мощным 15-40 -метровым слоем лессовидных пород — двухслойная водонапорная система Палеочирчика);
3. Юнусабадский (водоносный комплекс верхнеплиоценовых, нижнечетвертичных и среднечетвертичных отложений — воды спорадического распространения);
4. Центральный (водоносный комплекс среднечетвертичных аллювиально-пролювиальных неоднородных отложений);
5. Каракамышский (водоносный комплекс аллювиально-пролювиальных верхнечетвертичных неоднородных отложений);
6. Чиланзарский (водоносный комплекс верхнечетвертичных аллювиально-пролювиальных неоднородных отложений).

В схематичном виде гидрогеологические условия территории показаны на карте (рис. 4). Границы гидродинамических районов проходят по Причирчикскому, Ташкентскому, Чигатайскому поднятиям (валам) и гидравлическим границам (каналам Бозсу, Калькауз, Анхор, проходящим по водоразделам).

Анализ гидродинамической структуры позволил выделить основные факторы подтопления г. Ташкента: а) расходы оросительной (транзитной) сети; б) площадные инфильтрационные потери и утечки из подземных коммуникаций (водоводы теплотрассы, канализация); в) снижение естественной дренированности (засыпка овражно-балочной системы при планировке городской территории); г) водность р. Чирчик (подпорно-дренирующая роль долины); д) недостаточная мощность искусственного дренажа (вертикального и горизонтального, q_др»1.0 л/с га); е) подпор ГВ трассой метрополитена.

В последующем гидрогеологические параметры и баланс будут уточняться как по дополнительной информации, так и по результатам математического моделирования.

Работа выполнялась при поддержке Фонда научных исследований Центра науки и технологии (ЦНиТ) при Кабинете Министров Республики Узбекистан.