Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Вопросы оценки и классификации водных и земельных ресурсов Таджикистана 16
1.1 Аналитический обзор исследоаний о водных и земельных ресурсах Среднеазиатской аридной зоны. 16
1.2 Вопросы методики оценки водных ресурсов в зонах формирования стока 24
1.3 Вопросы оценки эффективности оросительной мелиорации и классификации плодородных земель Таджикистана 37
Глава 2. Особенности и проблемы оросительной мелиорации в Яванской впадине . 49
2.1. Физико-географические, почвенно-мелиоративные характеристики Яванской впадины. 49
2.2. Геолого-гидрологические и фильтрационные характеристики грунтовых отложений впадины. 54
2.3. Модельные исследования взаимодействия системы безнапорно-напорных пластов и работы дренирующих систем в Яванской долине. 74
2.4. Стихия воды, орошение и гидрогеодинамические явления предгорных и межгорных впадин Таджикистана. 82
Глава 3. Гидрогеология Яхсуйской впадины и вопросы рационального использования ее водных ресурсов. 96
3.1. Гидрогеологическая обстановка Яхсуйской впадины. 96
3.2. Динамика и качество подземных водных ресурсов Яхсуйской впадины и перспективы их использования 100
3.3. Иследование влияния наклона системы водоносных горизонтов на продуктивность скважин вертикального дринажа. 106
Глава 4. Вопросы оптимизации комбинированной системы водоснабжения в конусах выноса горных рек . 113
4.1. О критериях оптимальности комбинированной системы орошения и дренажа в предгорно-межгорных впадинах. 113
4.2. О качестве водных ресурсов Таджикистана и мероприятиях по обеспечению населения чистой питьевой водой . 127
Выводы и рекомендации производству. 139
Литература. 143
Приложение 1. 148
Приложение 2. 149
- Вопросы методики оценки водных ресурсов в зонах формирования стока
- Геолого-гидрологические и фильтрационные характеристики грунтовых отложений впадины.
- Динамика и качество подземных водных ресурсов Яхсуйской впадины и перспективы их использования
- О качестве водных ресурсов Таджикистана и мероприятиях по обеспечению населения чистой питьевой водой
Введение к работе
Республика Таджикистан - горная страна, 93 % ее территории занимают горы, которые богаты разнообразными природными ресурсами. Самым бесценным и легко доступным богатством их является экологически чистая природная вода: в горах ежегодно формируется более 60 куб.км. водных ресурсов, что составляет более 65% водных запасов бассейна Аральского моря. Благодаря этим ресурсам в Среднеазиатской аридной зоне освоено более 6 млн. га засушливых земель под орошение, выращиваются ценнейшая техническая культура - хлопчатник, и жизненно необходимые продукты питания. Русловые потоки больших и малых горных рек Таджикистана обладают самым дешевым потенциалом энергии и по возможным запасам гидроэнергетики Таджикистан занимает 2-е место в СНГ после Российской Федерации. При всем этом, площади орошаемых земель Таджикистана весьма ограничены - в настоящее время они составляют около 720 тыс.га. Значительная часть этих площадей сосредоточена в межгорных и предгорных впадинах и в ряде районов, требующих строительство дорогостоящих гидротехнических и ирригационно-мелио-ративных сооружений. Это 7,4 5,2 и 14 километровые туннели-водоводы Вахш-Яван, Яван-Обикиик, Вахш-Дангара, энергетические и водозаборные гидроузлы, мощные насосные станции, много-километровые ирригационные и коллекторно-дренирующие сооружения и т.п..
Историю развития поливного земледелия на просторах Средней Азии в XX столетии можно разделить на два условно отличающиеся этапа.
Первый этап - это период великого "хашара" народов Центральной Азии в 30-40-е годы за хлопковую независимость страны Советов, в результате которого на базе самобытных гидроузлов были построены такие крупнейшие самотечные оросительные системы, как Вахшская - на Южно-Таджикской депрессии, Большая Гиссарская - в Центральном Таджикистане и Большая Ферганская - в Ферганской долине. Благодаря этим уникальным оросительным системам в кратчайшие сроки удалось освоить под орошение сотни тыс. га плодородных земель Среднеазиатской аридной зоны в основном под главнейшую техническую культуру - хлопчатник.
Второй этап - это период экстенсивного расширения площадей орошаемых земель в бассейне Аральского моря путем строительства крупнейших водохранилищ Кайраккумской, Токтогульской и Нурексой ГЭС, позволившие в 50-70-е годы удвоить площади поливных земель в республиках Центральной Азии, в том числе и машинного орошения благодаря дешевой энергии упомянутых ГЭС.
Отправным пунктом ускоренного развития сельскохозяйственного производства в Таджикистане было строительство энергетического и водозаборного гидроузла - комплекса Головной ГЭС на р.Вахш и освоение плодородных земель Вахшской долины в 30—ё годы на Южно-Таджикской депрессии. В реализации этого выдающегося проекта решающую роль сыграл всенародный «хашар» народов Средней Азии. В дальнейшем развитии производства сельхозкультур, в первую очередь высококачественных тонковолокнистых сортов египетского хлопчатника, велика роль Российских ученых [26,17]: известных селекционеров и почвоведов-мелиораторов А.Н.Розанова, М.А.Панкова, В.П.Красичкова, И.Н.Антипова-Каратаева, А.Т.Кирсанова, В.А.Ковда, П.А.Керзума, которые наряду с решением научных проблем хлопководства, уделяли особое внимание подготовке научных кадров, среди которых,' как например, академик А.Н.Максумов - основатель науки о богарном земледелии [37], Б.С.Сан-гинов - известный целекционер тонко- и средневолокнистых сортов хлопчатника и многие другие ведущие ученые и специалисты республики.
Важной вехой для развития науки почвоведения была организация в 30-е годы Вахшской почвенно-мелиоративной станции в г. Курган-тюбе, которая в последующем стала фундаментальной базой для формирования крупнейшего в республике научно-исследовательского института Почвоведения, в стенах которого до конца своей жизни плодотворно работали П.А.Керзум [29], И. М.Липкинд [35], Л.П.Белякова [26], А.Ф.Бончковский [15] , О.А.Грабовская [29], А.В.Николаев [26], Е.В.Чаповская [23,62,63] и другие [17]. В 1930 г. была организована Вахшская зональная опытная станция по селекции тонковолокнистого хлопчатника, где академик В.П.Красичков и его ученик академик Б.С.Сангинов вывели ряд новых сортов хлопчатника. Их ученики и последователи Ю.А.Акрамов, И.С.Алиев, М.А.Аминджанов, Х.М.Ахмедов, А.Ш.Джалилов, А.А.Сад-риддинов, С.Р.Сангинов М.С.Султанов и другие в НИИПочвоведения, Х.Домуллоджонов [22] и его ученики и последователи в НИИЗемледелия и многие другие ученые успешно работали и продолжают работать в различных направлениях сельскохозяйственной науки, многочисленные труды которых опубликованы в центральных изданиях, а также серийных научных трудах учреждений Академии сельскхозяйственных наук Таджикистана. Опыт и высокий научно-методический уровень работы этих ученых в последующем успешно использовались инженерами-гидротехниками, почвоведами - мелиораторами отраслевых министерств, прежде всего ММВХ и МСХ и их научных и проектных учреждений при освоении засушливых земель Явано-Обикиикскон, Бешкентской, Ташработской, Дангаринской и других впадин и долин.
Следует отметить, что при больших успехах в области селекционных работ темпы ускоренного, экстенсивного расширения поливных земель в жарких засушливых зонах при отсутствии надлежащего производственного опыта в области оросительной мелиорации в последующем привело к засолению, заболачиванию и снижению плодородия земель, а в ряде случаев к выходу плодородных земель из севооборота. Это особенно отразилось при освоении горно-предгорных, межгорных и склоновых земель Таджикистана со сложным рельефом местности, где не была разработана научно-обоснованная технология орошения. В то время, как анализ ситуации в Вахшской долине, еще в 30-е годы показал, что «Засоление почв третьей террасы (Вахшской долины) стало прогрессировать особенно сильно после того, как долина получила огромное количество воды для орошения. С этой водой хозяйство долины ни в строительном, ни в ирригационном отношении, можно сказать, не справилось .... Засоление и заболачивание земель особенно прогрессировало после 1932 г.... основную причину засоления почв Вахшской долины необходимо искать в поднятии уровня грунтовых вод» (И.Н.Ан-типов-Каратаев,1938г. [5]). Как известно, до начала подачи большой воды в Вахшскую долину, согласно данным русского исследователя - инженера Гаевского, посетившего эту долину в начале XX века, уровень грунтовых вод на орошаемых полях был в большинстве случаев не ближе 5 м.
В последующем, в 50-80-ые годы, при освоении необъятной равнины Мирзачуля в Узбекистане, плодородных'земель пустыни Каракум в Туркмении, межгорных степей Яванской, Обикиикской, Бешкентской и других больших и малых впадин в Таджикистане, процесс резкого подъема уровня грунтовых вод был главнейшим фактором в динамике вторичного засоления и заболачивания, снижения плодородия и выхода из севооборота значительных (до 30-40%) вновь орошаемых площадей. В условиях жаркого засушливого климата в летний и осенний периоды, оросительная вода, поступившая в почву выше нормы, как правило, шла на пополнение и подъём грунтовы х вод и в дальнейшем через зону аэрации в чистом виде расходовалась на испарение, оставляя в плодородном слое почво-грунтов токсичные соли. Тщательно поставленные опыты на лизиметрах, а также водно-солевые балансовые методы показывают, что в условиях Вахшской и других долин Средней Азии в зависимости от глубины залегания грунтовых вод и классификации грунтов и почв интенсивность испарения изменяется в значительных пределах. Следует отметить, что если процесс испарения в песке из глубины один метр исчезающе мал, то для глинистых грунтов процесс испарения через капиллярную кайму зоны аэрации почвогрунтов не прекращается и при 5 метровом залегании грунтовых вод. На рис.1, ('стр. 15) отражены опытные данные и теоретические представления исследователей об интенсивности испарения влаги в зависимости от глубины Z (в метрах) залегания уровня грунтовых вод [26,32,46,42,48], а также испарения атмосферных осадков в условиях Срдней Азии в зависимости от абсолютной высоты Н (в км) расположения поверхности горной местности. В частности, здесь учтены данные [25] Курган-Тюбинской метеостанции и Вахшской почвенно-мелиоративной станции, согласно которых «величина испарения с гектара орошаемого поля достигает 12000 и 15000-20000 м7га».
При традиционных способах сплошного и броздкового поливов [36] и отсутствии высокой технологии (капельного, подпочвенного и других видов) увлажнения почвы, основной мерой борьбы с процессами засоления и заболачивания плодородных земель является отвод излишка грунтовых вод и поддержание их уровня в пределах допустимой глубины путем строительства дорогостоящих водоотводящих систем, самым простей-шим из которых является открытая или закрытая система горизонтального дренажа [1-3].
60-70-е годы являются важнейшей социально-экономической вехой в истории гидроэнергетики и поливного земледелия: завершилось строительство каскада водохранилищ ГЭС на pp. Вахш, Сырдарья и Нарын, которые в целом решая задачу об энергетической независимости Таджикистана и Киргизстана, позволили освоить и оросить сотни тысяч гектаров засушливых земель Среднеазиатской аридной зоны. В свою очередь, образование глубоководных водохранилищ ГЭС и сезонное регулирование ими бурных, насыщенных наносами стоков горных рек, например р.Вахш, на нижних бьефах плотины, создавая благоприятные условия для предотвращения ускоренного заиления последующих водоемов, обусловили проявление некоторых вторичных побочных русловых, гидроагрофизических и гидрогеологических явлений в районах, прилегающих к акватории водохранилища Нурекской ГЭС. Одно из них относится к проблеме оросительной мелиорации: в Яванскую, Дангаринскую, часть Вахшской долины и другие прилегающие поля стала поступать очищенная от насосов чистая прозрачная вода, проникающая в грунт способность которой 2-3 раза выше, чем насыщенный наносами бурный поток реки Вахш до регулирования ее стока водохранилищами. Кроме того, в процессе многолетнего накопления, вода в Нурекском водохранилище нагрелась, в среднем на 20-25%, а в осень и в начале зимы ее температура стала в 2-3 раза выше чем температура воды реки Вахш в районе Нурекской ГЭС до ее регулирования. -
Заметим, что в оросительной мелиорации в целях обеспечения сельскохозяйственных культур необходимой влагой в засушливый период, в частности, традиционными сплошными и бороздковыми способами поливов, а также в целях предотвращения плодородных слоев лессовых отложений межгорно-предгорных территорий от водно-ирригационной эрозии [12,27], от просадки и оврагообразования, оползней и засоления проведены значительные теоретические и научно-технические разработки. В этом направлении успешно работали и работают М.А.Аминджанов [4], Х.М.Ахмедов [10], О.К.Комилов [31, Н.К. Нурматов [40], А.Х.Халиков [61] и многие другие [33]. Сбор, анализ и обобщение, а также внедрение этих исследований в производство способствует как развитию самой теории, так и рациональному использованию водных и земельных ресурсов Таджикистана.
В этом плане представляют интерес научно-практические исследования М.А.Саттарова [51, 54] по обобщению фактических данных об изменении наносового содержания и термического режима стока реки Вахш на нижнем бьефе Нурекской плотины и водопропускных туннелях-водоводах Вахш-Дангара и Вахш-Яван. В частности, необходимо внести ряд изменений в нормативные акты по установлению периодов промывки плодородных почв, подверженных вторичному засолению в Явано-Оби-киикской, Дангаринской и определенных районах Вахшской долин. Например, учитывая, что в ноябре-декабре, а также в первой декаде января пока зона аэрации не успела охладиться до нижнего предела, а темпера- тура воды на нижнем бьефе Нурекской плотины и в водопропускном туннеле Вахш-Дангара почти в 3 раза выше, чем температура воды стока р.Вахш до ее регулирования плотиной и находится в пределах 8-10С,то необходимо промывку засоленных земель в упомянутых районах провести в конце ноября, в декабре, и в крайнем случае, в начале января. Эффективность этого предложения можно обосновать тем, что, во-первых, из-за достаточно высокой температуры промывной воды ее растворяющая, следовательно, ее «промывная» способность достаточно высока и тем более в этот период «промывающаяся» среда - почва находится в достаточно «теплом» состоянии. Во-вторых, именно в это время температура воздуха намного ниже, чем температура почвы и промывающей воды, тем самым данное мероприятие обеспечивает сохранение термических ресурсов зоны аэрации и в последующем совместно с атмосферными осадками усиливает интенсивность потоков тепла и фильтрационного потока, что способствует опусканию массы растворенных солей верхних слоев почвы зоны аэрации в более низкие горизонты.
В связи с этим в этих районах, целесообразно отказаться от промывок засоленных почв в феврале-марте, когда температура промывной воды достигает своего минимума, и значительно ниже, чем температура поверхностных слоев почвы. Таким образом, предотвращается процесс повторного насыщения плодородных слоев грунтов зоны аэрации холодной водой, которая играет отрицательную роль и пагубна в самом начале вегетационного периода - в период посадки семян и всхода растений, особенно теплолюбивого тонковолокнистого хлопчатника в предгорно-межгорных районах, где градиент перепада суточной температуры воздуха весьма велик и достигает величины более, чем 0.5. В годы с засушливой весной рационально проведение "вызывных" поливов по коротким бороздам через борозду. Этот ускоренный и краткосрочный способ полива с увлажнением лишь верхних корнеобитаемых слоев почвогрунтов также позволяет сохранить термические ресурсы почвогрунтов зоны аэрации орошаемого массива, и он особенно эффективен в случаях полива прозрачной и свободной от насосов оросительной водой, инфильтрационно-проникающая способность которой достаточно высока.
Управление процессами в области оросительной мелиорации и водной стихии как сели, оползни, оврагообразоваьие и другие явления, а также вопросы рационального использования речных и подземных водных ресурсов в предгорных и межгорных впадинах требуют тщательного анализа и обобщения комплексных гидрологических, геолого-гидрогеологических и почвенно-мелиоративных исследований и на их основе разработки мероприятий по водо- и землесберегающей технологии орошения в горных районах аридных зон, а также эффективного использования пресных подземных водных ресурсов конусов выноса горных рек для питьевого-хозяйственного водоснабжения. Цель и задачи работы. Основной целью работы является: используя методы системного анализа, разработать комплексный способ оценки динамических водных ресурсов горных рек; установить критерии гидроагроклиматического районирования плодородных земель горного региона; изучить особенности оросительной мелиорации в предгорно-межгорных впадинах Таджикистана. Разработать методику прогноза динамики взаимодействия комплекса напорных водоносных горизонтов и способы расчета рационального комбинированного использования поверхностных и подземных водных ресурсов в сфере оросительной мелиорации и сельскохозяйственного водоснабжения. Методика и объект исследований. Объектом исследования являются зоны формирования стока рек Средней Азии, а также плодородные земли межгорных впадин Таджикистана и происходящие в них гидролого-гидрогеологические, почвенно-мелиоративные процессы при освоении их под орошение. Исследования проведены методами статистического и математического моделирования, оценки водных ресурсов методами уравнений водного баланса с учетом отличительных особенностей формирования стока рек в аридных зонах. При расчетах дренажа, а также оценке подземных водных ресурсов и взаимодейсвии комплекса напорных пластов использованы решения модельных задач теории движения грунтовых вод.
Научная новизна. Дифференцированный подход при оценке водных ресурсов аридных зон, разделяя Центральноазиатский регион на область формирования и область разгрузки и рассеивания стока рек. Разработка методики классификации плодородных земель с учетом локальных особенностей орографии и геолого-гидрогеологических характеристик межгорных впадин. Применение новых формул теории фильтрации для расчета параметров горизонтального и скважин вертикального дренажей в долинах со слабоводопроницаемыми грунтами и напорным комплексом водоносных горизонтов, а также разработка методики комбинированной системы орошения и водоснабжения в конусах выноса горных рек. Теоретическая и практическая значимость работы в дифференцированном подходе при анализе, определении и разработке методов оценки и классификации динамических и статических водных ресурсов Среднеазиатской аридной зоны; в разработке балансового метода оценки атмосферных осадков и их испарения в труднодоступных бассейнах горных рек; в разработке критерия оценки эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель и гидроагроклиматического районирования земель предгорно-межгорных впадин; в разработке методики комбинированного использования речных и подземных вод для орошения и питьевого водоснабжения; в использовании методики теории фильтрации при расчете дренажа на массивах со слабопроницаемыми грунтами, при изучении взаимодействия напорных горизонтов межгорных впадин Таджикистана.
Результаты диссертации могут быть использованы научными и проектными учреждениями при оценке стока горных рек и при решении народнохозяйственных задач в сферах орошения и водоснабжения. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Разработка альтернативных способов оценки водных ресурсов и методики оценки величины осадков в труднодоступных площадях водосбора горных рек на основе уравнения водного баланса. Дифференцированный подход при определении понятий динамических и статических водных запасов аридных территорий путем разделения их на область формирования стока и на область интенсивной разгрузки и рассеивания.
Разработка критерия оценки эколого-мелиоративного состояния плодородных земель и гидроагроклиматического районирования орошаемых площадей межгорных и предгорных впадин.
Оценка мелиоративного состояния орошаемых земель Яванской долины. Применение задач теории фильтрации при изучении ' динамики взаимодействия напорных пластов и для расчета дренажа в орошаемых массивах Яванской впадины со слабоводопроницаемыми грунтами.
Применение модельных задач геофильтрации для оценки и расчете водных ресурсов Яхсуйской впадины в целях использования напорных пресных вод для орошения и водоснабжения.
Анализ и оценка качества водных ресурсов конусов выноса горных рек для обеспечения населения чистой водой путем разработки методики расчета комбинированного использования речных и подземных вод.
Апробация работы. Результаты работы по мере их получения докладывались на семинарах Отдела математической реологии и фильт-рации и на Ученом совете Института математики АН Республики Таджикистан, на Межреспубликанских совещаниях в Ташкенте, Бишкеке (1996), на Республиканской и Международной научных конференциях по моделированию (1998) и "Водные ресурсы и водохозяйственные проблемы" (1999) г. Душанбе. н, _4— \ \ ^ ч х-^Вахш ?~зСур*:і!Імрьи Д-у Заранн он D~-> Мургаі »-6 Долина о- ъ3**0*
Еі т.м'/га
Рис 1. Динамика испарения воды в зависимости от глубины залегания грунтовых вод и от абсолютной высоты поверхности земли
Вопросы методики оценки водных ресурсов в зонах формирования стока
Как было показано выше оценка водных ресурсов Центральной Азии в основном опирается на данные исследователей-гидрологов конца XIX и начала XX веков и из года в год, до настоящего времени, кочуют в работах специалистов разного профиля. Все специалисты согласны с тем, что круглогодичные водные ресурсы региона формируются в ее горной части в результате глобального круговорота воды на Земном шаре.
Круговорот воды на Земле [56] неповторимые природные условия с уникальным вертикальным разнообразием климатических характеристик зональности, где пустынные просторы примыкают к сети речных долин и субтропическим межгорным впадинам, и далее вплоть до условий арктических почвообразований. В соответствии с геодинамической характеристикой вращения Земли и движением атмосферных потоков над её поверхностью с Запада на Восток над Средней Азией воздушными массами проносится некоторое количество атмосферной влаги Мирового океана. Согласно приближенным расчетам [20] величина этой влаги достигает более 1600 км /год, и если принять данные [65], то 1/10 часть этой подвижной влаги превращаясь в облака, оседает в виде дождя, снега и конденционной влаги на поверхность горной части ЦА, формируя тем самым отмеченные выше 170 км3/год водные ресурсы. Однако, как показал анализ таблиц 1.1 - 1.2 общая оценка всех водных ресурсов бассейна Аральского моря, выполненная в [19], есть не что иное как некоторая модификация данных исследований ученых начала века и, в т.ч. и работ В.Л.Щульца перед началом экстенсивного расширения поливных земель в регионе. Очевидно, данная оценка нуждается в уточнении по следующим двум основным причинам. Во-первых, за последние 50 лет орошаемая площадь региона возросла от 4,6 млн.га в 1960 г. до 8 млн.га 1998 г., а акватория Арала сократилась от 6,45 до 3 млн.га, что привело к коренной переориентации площадей интенсивного испарения влаги - Аральское море и переувлажненная зона Приаралья перестали быть полигоном интенсивного испарения и транспирации. По балансовым расчетам 50-х годов [65] с акватории Арала испарилось около 60 км воды в год, ныне испарение сократилось более чем в 2 раза. Полигоном испарения стала вся орошаемая территория региона, причем этот полигон вплотную подошел к горно-предгорным районам. В частности, если в начале 50-х годов с орошаемых земель Таджикистана (около 350 тыс. га) на суммарное испарение расходовалось около 4 км , то в настоящее время эта величина дошла до 9 км , причем лишь из сильно проветриваемой акватории Кайраккумского водохранилища (52 тыс. га) и прилегающих к нему земель в год испаряется более 1 км3 пресной воды.
Во-вторых, расширение площадей орошения за счет засушливых степей привело к внутригодовому изменению элементов климата (температуры и влажности воздуха, скорости ветра и т.д.) в этих районах, например, после обводнения Яванской впадины октябрь, ноябрь и декабрь месяцы стали теплее на 6%, 19% и 30%, соответственно, (по сравнению с периодом до обводнения), а лето - чуть прохладнее и влажнее. Такие внутригодовые локальные изменения произошли как в Ферганской долине, так и в Голодной, Каршинской и Бухарской степях, а также в обширной зоне обводнения Каракумского канала. По-видимому, в совокупности множество соседствующих локальных изменений элементов климата с существенной переориентацией площадей суммарного испарения так или иначе сказалось в целом и на климате [56, 59] и на круговороте влаги во всем регионе и, следовательно, на стоке зон формирования. Этим, в частности, можно объяснить факты медленного сокращения площадей вековых ледников и многолетних снежников в горах Центральной Азии, которые в начале 50-х годов занимали 1,75 млн. га площади горных территорий. На рис. 1.2 изображен график изменения водных ресурсов пяти республик ЦА за период от 1921 по 1985 годы, статический анализ который показал, что за период с 1953 по 1985 г. во всех этих республиках без исключения произошло уменьшение водных ресурсов на 5-6%, т.е. если принять суммарный объём водных ресурсов 170 км3 , то водные ресурсы региона уменьшились на 9-Ю км за 30 лет.
Определение понятий статических и динамических водных ресурсов. Как правило, водные ресурсы страны или региона делят на статические и динамические запасы. Однако сравнение географических и геолого-гидрогеологических характеристик (орография, климатические факторы, качество водных ресурсов и др.) горной части (область формирования стока) и равнинной части (область рассеивания стока) региона показывает их существенное различие и при определении статических и динамических водных ресурсов целесообразно их исследовать раздельно. К статическим водным запасам зон формирования стока аридных территорий относят суммарный объем воды, содержащийся на протяжении достаточно длительного времени в ледниках и многолетних снежниках, в горных озерах и подземных пластах данного горного региона (страны). Статические водные запасы [57] Таджикистана весьма внушительны, и по объёму они почти в 10 раз превышают годичные динамические водные ресурсы края. Основные запасы сосредоточены в 8492 ледниках и 1300 горных озерах, суммарный объём воды которых оценивается величиной около 550 км . Из них около 45 км сосредоточено в горных озерах, среди которых находится пресноводные завальные озера как, например, Сарезское (16 км ), Яшилькуль (0,5 км ) и др. Суммарная площадь источников статических водных запасов занимает около 6,5 % территории республики и равна почти 920 тыс. га, из которых на долю ледников приходится около 847 тыс. га.
Геолого-гидрологические и фильтрационные характеристики грунтовых отложений впадины.
Яванская долина расположена между горными хребтами Рангон и Каратау и заполнена аккумулятивными отложениями различного генезиса. Засоленность четвертичных пород долины явилось следствием засоленности коренных пород. Взаимосвязь и транспортировка солей с окружающих долину гор осуществляется с помощью родников и рек, верховья которых находятся в горах, в районе напорных вод, формирующихся в предгорной зоне. Так,например, родник Шур-Дара приурочен к соляному куполу юрского возраста. Наиболее древними породами, слагающими хребты, окружающие долину, являются верхнеюрские отложения хр.Каратау, представленные терригенно-гипсово-соленосными отложениями, образующими солянокупольную структуру. Хребты сложены гипсами, глинами, алевролитом, песчанниками, известняками, конгломератами, содержащими растворимые соли, что явилось одной из основных причин засоления четвертичных отложений. Нижнечетвертичные отложения (Кулябская свита) погребены в юго-западной части Яванской долины. Их мощность более 150 м. Верхнечетвертичные отложения заполняют переуглубленные участки долины нерасчленены современными образованиями. Мощность аллювиально-пролювиальных отложений позднечетвертично-современного возраста достигает несколько сот метров, увеличиваясь по направлению к осевой линии и на юг. Пробуренная в средней части долины скажина глубиной в 600 метров не вышла из этих отложений. Днище Яванской долины соответствует уровню V-й террасы долины р.Вахш - одной из основных рек Юго-Западного Таджикистана. Выше основной V-й надпойменной террасы в долине выделяется несколько узких фрагментарных террас, образованных эрози-онно-аккумулятивной деятельностью р.Явансу и ее притоков.
Яванская долина в геоморфологическом отношении и по литологи-ческому составу в поперечном разрезе четко подразделяется на две части. От подножия гор начинается крутопокатая и волнистая часть, состоящая из слившихся между собой в единый подборный слой: конусов выноса. По направлению к центральной части долины волнистый шлейф сменяется слабопокатой равниной.
В пределах крутопокатой части предгорной равнины на севере долины, как по мощности, так и по площади распространения, доминируют пролювиальные галечниковые и щебнисто-галечниковые отложения, выходящие в верхней части конусов выноса непосредственно на поверхность. С переходом в плоскоравнинную часть на галечниках залегает увеличивающийся покров мелкозема: супесей, суглинков, глин. Галечники, имея резко подчиненное значение в этом разрезе, залегают в виде погребенных маломощных слоев и руслообразных залежей. 2.2.2 Гидрогеологическая и фильтрационная характеристика грунтовых отложений. К среднечетвертично-современным отложениям Яванской долины приурочен водоносный комплекс, представленный напорными и грунтовыми водами. Анализ материалов гидрогеологических изысканий показывает, что напорные горизонты образуют весьма сложную, неоднородную систему водоносных пластов, как по мощности и глубине залегания, так и по размещению их в толще мелкозема. Областью питания водоносых горизонтов в северной части долины являются конуса выноса. В этом районе вода в напорные горизонты инфильтруется за счет атмосферных осадков, как непосредственно выпадающих над открытой частью обломочных пород, так и стекающих с горных склонов, а также, в меньшей степени, питание подземных вод осуществляется за счет воды, теряющейся на фильтрацию из русел маловодных рек Явансу, Даганасу. Галечниковые горизонты мощностью от 1 -2 до 20-27 м направлены на юг и выклиниваются в районы слияния рек Явансу - Даганасу, являющимся зоной разгрузки напорных вод. Гидрогеологами выделено четыре основных горизонта галечников, кровли которых залегают на глубине 5-10 м, 50-70 м, 70-90 м, 70-117 м. В отдельных участках напор в галечниках в "статическом" состоянии до строительства вертикальных дрен в зоне находился выше дневной поверхности земли.
Геологические и гидрогеологические изыскания, выполненные в процессе обоснования проекта дренажа Таджикской комплексной экспедиции Московского института Гидроводхоз и разведка подземных вод, проведенная Курган-Тюбинской гидрогеологической партией Управления геологии Таджикистана в северной части Яванской долины выявили в основном четыре горизонта галечников, залегающих до глубины 100-130м. В этой системе горизонтов значения градиентов гидравлического напора в среднем равны 0,01-0,02. Большой объем и уникальность материалов гидрогеологических изысканий, выполненных в течение 1964 -1971 г.г. (за этот период в северной части долины на площади 10000 га было пробурено более 100 глубинных разведочных и эксплуатационных скважин) и исследования [52,2)] позволяют наглядно представить общую геологическую и гидрогеологическую картину водонасыщенности пород и создать определенные модельные приближения фильтрационных явлений в системе напорных пластов в сочетании с безнапорным горизонтом покровной толщи мелкозема, мощность которого достигает 100-130 и более метров. (Рис 2.2-2.4).
Некоторое обобщение результатов инженерно-гидрогеологических изысканий и их основные количественные характеристики гидравлического взаимодействия напорных горизонтов между собой и с безнапорным пластом, отражены в таблице 2.1. Приведем их краткий анализ.
Прежде всего, расчеты показывают, что в статическом состоянии восходящий и нисходящие токи подземных вод из одного водоносного пласта в другой через глинистые пласты происходят при определенных значениях гидравлического напора, величина которых изменяется в интервале 0,04 - 0,12. Отсюда следует, что оптимальным условием для существования гидравлической взаимосвязи водоносных пластов, в частности первого водоносного горизонта с безнапорным ( в Яванской долине безнапорный пласт представлен средними и тяжелыми, а также лессовыдными суглинками) является статически установленное различие между напорами взаимосвязанных горизонтов.
Динамика и качество подземных водных ресурсов Яхсуйской впадины и перспективы их использования
Для развития на перспективу водоемких производств, таких как поливное земледелие и коммунально-бытовое водоснабжение, при высоких темпах роста населения в Среднеазиатской аридной зоне, ресурсов поверхностных вод недостаточно. В связи с этим возникает необходимость более широкого привлечения динамических, а в маловодные годы и статических запасов подземных водных ресурсов региона. С другой стороны, в районах, где технология полива несовершенна, а подземный отток грунто-вых вод необеспечен, борьба с явлениями заболачивания и засоления требует непрерывного снижения уровня грунтовых вод путем откачек излишка воды с помощью скважин вертикального дренажа. Решение обеих этих задач возможно лишь в том случае, когда орошаемая территория подстилается мощными водоносными горизонтами. К таким районам относятся наземные дельты pp. Вахш, Кафирниган, Пяндж и их притоки, в том числе и Яхсуйская впадина.
Верхний ярус - северная часть Яхсуйской впадины относится к зоне формирования (питания) подземного потока за счет фильтрационных потерь поверхностного стока р. Яхсу и инфильтрации местных осадков. Отличительными особенностями этой зоны являются высокие фильтрационные свойства горных пород, слабонеоднородное по вертикали строение гидрогеологического разреза и высокая динамичность оттока подземных вод за ее пределы.
При этом, если коэффициент недостатка насыщения горных пород этих отложений считать минимальным и в среднем принять равным 0.26, мощность квазиоднородного грунта - 350м, ширину зоны - 11км, то нетрудно определить объем пустот зоны формирования: 0,35км х 11км х 40км х 0,26 = 40,04 км3. Аналогично, можно установить гравитационную подвижность подземного потока Qrp за пределы зоны. Если принять коэффициент фильтрации к = 20м/сутки, уклон водоносного горизонта /=0.01, то получим: Qrp = 0,35км х 0,02 км/сутки х 0,01 х 365,25 х 11км = 0,281 км3/год или 8,9 м3/с. Аналогично, при к= 35м/сут и / = 0,007 имеем: Qrp = 0,344 км3/год или 10,9 м3/ с.
Отметим, что полученная здесь расчетным путем величина 8,9 м7с подземного потока с высокой точностью (отклонение - 2,2%) равняется величине фильтрационных потерь 8,7 м /с из русла р. Яхсу и ирригационных систем этой зоны, установленную систематическими опытными измерениями в 1979-1983гг. специалистами Гидрогеологической экспедиции Управления геологии Таджикистана и учеными Кафедры гидрогеологии Московского госуниверситета [64]. В таблице 3.1 приведены величины фильтрационных потерь Q(], в зависимости от расхода Qp р.Яхсу за три периода: январь-февраль; март-май и июнь-декабрь. 46000га х 10000 х 0.550м х 1/3 = 0.084 км3/год, что составляет около 30-40% динамических запасов зоны формирования. Следовательно, суммарно, динамические ресурсы зоны составляют более 0.359 - 0.418 км3 в год, это в пределах зоны формирования.
Серединная часть литологической зоны Яхсуйского конуса выноса, с общей мощностью 200-250м и региональной выдержанностью, состоит из трех водоносных горизонтов из песчано-галечных отложений, относительно обособленных друг от друга слабоводопроницаемыми суглинистыми отложениями. Мощность верхнего (Амударинского) водоносного пласта изменяется от 30м до 60м, мощность серединного (Дюшамбинского) водоносного пласта - от 20м до 60м, мощность третьего (Илякского) пласта - от 25м до 60м.
Протяженность этой части впадины 35км, ширина - 10-12км с уклоном поверхности от 0.012 до 0.007, причем установлено увеличение суглинистых и уменьшение песчано-галечных отложений по направлению от вершины дельты к периферии. По данным гидрогеологов эта зона является зоной выклинивания или разгрузки подземных вод, поступающих из зоны формирования, т. е. с северной предгорной части впадины. Чтобы установить ориентировано объем разгрузки определим величину динамической подвижности подземных вод через эту зону. Расчет проведен отдельно для каждого из трех водоносных пластов, принимая средние значения уклонов, мощностей и коэффициентов как водоносных, так и слабопроницаемых пластов, и как принято в гидравлике подземных вод, движение в хорошо проницаемых пластах считаем горизонтальным, для 2-го пласта - 0.040км х 0.015км/сут. х 11км х 365.25 = 0.024 км /год; для 3-го пласта - 0.042км х 0.015км/сут. х 11км х 365.25 = 0.025 км в год. Суммируя их, получим: 0.076 км3 /год, а при к =30м/сут. — 0.15 км3 в год.
Следовательно, возможность бокового оттока подземных вод через серединную зону намного меньше, чем величина притока со стороны верхней зоны формирования; избыток составляет не менее 0,205 км /год (0,129км /год) или 6 ,49 м /с. (4,08 м /с). Таким образом , для предотвращения засоления плодородных земель серединной зоны требуется отвод этих вод при помощи дренирующих сооружений.
Заметим , что нижней краевой зоне Яхсуйской наземной дельты присуще все общие закономерности структурного сложения ее серединной части с соответствующими гидрогеологическими условиями и геофиль-трационными характеристиками.
О качестве водных ресурсов Таджикистана и мероприятиях по обеспечению населения чистой питьевой водой
Следует подчеркнуть, что к концу 1999 г., согласно прогноза фонда народонаселения ООН, население Центральной Азии достигнет предела 55 млн. человек и если опираться на данные о водных ресурсах ЦА, то на душу одного человека региона приходится не менее 3091 м речной воды в год или 8,5 м в сутки, что в 1.3 раза превышает нормативы, принятые для нужд каждого жителя США [76, 77], где только для коммунально-бытовых нужд человека установлена самая максимальная в мире норма - 800 л в сутки. Следовательно, пока народам Центральной Азии не угрожает недостаток воды. Однако, из-за того, что ресурсы природной воды формируются в горах и они занимают лишь около 25% общей территории региона, происходит неравномерное распределение чистой [25] горной питьевой воды. В частности, в зонах разгрузки и интенсивного использования, в равнинных городах и населенных пунктах, особенно Приаралье, ощущается острый недостаток питьевой воды. Поэтому оценку качества речной воды, целесообразно проводить раздельно, как для зоны формирования, так и для зоны разгрузки и интенсивного потребления.
Водные ресурсы, формирующиеся в горах Таджикистана по качеству относятся к I-II классу чистоты. В зоне формирования, где отсутствуют объекты антропогенного происхождения, по пути движения русловой и особенно подвижный подрусловой поток насыщается минеральными частицами горных пород, которые, растворяясь, повышают минеральный состав чистой природной воды. Обычно в зависимости от химического состава грунтов площадей водосбора и пористых отложений горных пород, воды горных рек, озер и водонасыщенных пород классифицируют на гидрокарбонатные (pp. Зарафшан, Кафирниган, Оби -Хингоу, Варзоб, Памир и др.), сульфатные (pp. Муксу, Сурхоб, Вахш и др.) и натриевые формации. Концентрация загрязняющих веществ в этих реках не достигает уровня высокого загрязнения - 10 ПДК. В частности, из-за незасоленности почвы и горных пород, реки формирующиеся на южных склонах Гиссарского хребта относятся к категории высокой чистоты.
Например, в период половодья минерализация воды р. Кафирниган в районе г. Кафирниган 0,1 г/л, а период межени, когда доля подземного питания значительна, она доходит лишь до 0,2 г/л. В целом, минерализация воды рек в центральной и южной территории (р. Зарафшан, Кафирниган, Вахш, Пяндж) Таджикистана находится в пределах 0,1-0,4 г/л, а на Северном Таджикистане средняя минерализация воды р. Сырдарьи до поступления в Кайраккумское водохранилище и на выходе из него находится в пределах 1,15-1,07г/л. Детальный анализ гидрохимии поверхностных вод (рек и озер) Таджикистана выполнена в коллективном труде ученых под руководством акад. Д.Н.Пачаджанова [44,45].
В середине 90-х годов, в результате военных столкновений и других объективных причин, экономика республики катастрофически расстроилась, что сказалось и на водном хозяйстве: резко спала технологическая дисциплина в эксплуатационных организациях, что сразу отразилось на водоподаче и водопотреблении. При этом детали и оборудования насосных станций, обслуживающих 287 тыс. га. площади машинного орошения, давно отслужили свои сроки. Коллекторно-дренажная сеть почти не эксплуатируется, произошло заиление и зарастание открытых коллекторов. Это привело к подъему уровня грунтовых вод и увеличению площадей с плохим мелиоративным состоянием.
В 1994 году 68 тыс. га. земель находилось в неудовлетворительном состоянии, а более 100 тыс. га земель - сильно засолены. В 1994г. суммарный водозабор всех отраслей экономики составлял 14500 млн.м , а использование - 12030 млн.м . Потери в водопроводящей сети в 1994 г. по сравнению с 1990 годом увеличились на 220 млн.м и это в то время, когда практически простаивает промышленность и на 70 тыс. га сократились орошаемые площади, а урожай по основной культуре -хлопку упал на 30% (в 1995 г.-на 50%), не говоря уже о других культурах. Отсталая, научно необоснованная, технология полива не позволяет снижать потери воды на орошаемых землях. В связи с отсутствием водоотводящих и дренирующих сооружений мелиоративное состояние как староорошаемых, так и новоорошаемых земель республики удручающее, из общей коллкторно-дренажной сети (1148 км) в 1998 году в крайне неудовлетворительном состоянии находится 4225 км. Основные их массивы находятся и в Северном и в Южном Таджикистане. В межгорных впадинах как, например, в Бешкентской, Яванской долинах быстрый подъём и высокое состояние минерализованных грунтовых вод привело в образованию зон экологического бедствия хозяйственно освоенных новых территорий. Такой процесс происходит не только в этих долинах. Например, площадь земель с уровнем грунтовых вод от 0 до 1 м в 1999 году увеличилась на 5399 га по сравнению с 1998 г.. Наряду с районами Южного Таджикистана сюда следует отнести Исфара-Лякканскую долину, где орошается более 10 тыс. га земель, размещено девять населенных пунктов и часть города Исфара. Здесь земли постепенно выходят из сельскохозяйственного оборота, все населенные пункты подтоплены, во дворах бьют ключи. Погибли ценнейшие урючные деревья, на приусадебных участках стало невозможно выращивать овощи.
Особое место среди проблем, вызванных водохозяйственной деятельностью, эксплутация Кайраккумского водохранилища, территория вокруг акватории которого густо населена. Изменение режима работы водоема после распада СССР привело к консервации и поддержанию высокого уровня грунтовых вод прилегающих территорий и подтоплению населенных пунктов, деградации орошаемых земель. Если раньше, зимой, водохранилище опоржнялось и вокруг него образовывалась емкость, свободная от подземных вод, которая практически, все лето заполнялась инфильтратом от орошения и, тем самым, на обширной территории устанавливался относительно благоприятный мелиоративный фон, то теперь, уже несколько лет подряд, этот положительный эффект отсутствует.
В целом, в настоящее время по республике подтоплено более 180 населенных пунктов, а в периоды сезонного подъема уровня грунтовых вод их число возрастает до 400. Эти зоны являются одновременно очагами эпидемиологических болезней, вспышки которых наблюдаются ежегодно. В связи с этим Правительство Республики разработало Национальную политику и широкомасштабную программу борьбы с диарийными болезнями (острые желудочно-кишечными расстройствами) в Таджикистане.
Большую озабоченность вызывает хозяйственная зона, обслуживаемая водами реки Кафирниган. В Гиссарской (зона Душанбе-Турсунзаде) и Нижне-кафирниганской долинах ощущается дефицит водных ресурсов в объеме 520 млн.м . Летом низовья таких внутренних водотоков, как реки Варзоб, Иляк, Хонако, Каратог, Ширкент и Кафирниган обезвоживаются и превращаются в рассадник кишечно-желудочных заболеваний, вплоть до холеры. Нехватка качественной питьевой воды чувствуется даже в городе Душанбе - столице государства. В связи с нехваткой воды в этих зонах давно прекратились вводы новых земель под орошение.
Геологические, климатические и геодинамические условия межгорных, горных и предгорных зон Таджикистана весьма благоприятны для проявления водной эрозии, оползневых и обвальных явлений. Такие крупнейшие оползни как Усойский (1911), Хаитский (1949) и Шарора (1989) произошли в результате сильных сейсмических толчков. Однако многие оползни и обвалы связаны с наличием мощной толщи четвертичных отложений (здесь первостепенное значение имеют лессы) и выпадением обильных продолжительных ливневых осадков в зимневесенние периоды. Активизация экзогенных процессов, оползней, обвалов и оврагообразования во многом связана с антропогенным воздействием на природу, в частности, строительством водохранилищ, каналов и дорог в горно-предгорных районах, а также интенсивным освоением под орошение грунтовых отложений более высоких горных террас. Например, изучение водно-физических свойств периферийных грунтовых отложений Яванской впадины показало, что через 12-15 лет после полного освоения засушливых земель степи под орошение, влажность прилегающих неорошаемых грунтовых отложений увеличилась на 8-13%, что привело к значительному снижению структурной прочности и относительной устойчивости верхних грунтовых отложений на склонах предгорий с наклонным скальным основанием.
