О выявлении локальных резервуаров подземных вод равнинного Крыма на основе карт литодинамических потоков

УДК: 911.2

В настоящее время в Крыму существуют проблемы водоснабжения. Составление карт литодинамических потоков центральной и восточной частей равнинного Крыма и дальнейший их анализ позволили выявить дифференцированное расположение локальных артезианских впадин. Получая питание от главного водосборного центра – Крымских гор, по подземным каналам литодинамических потоков происходит сток в области данных впадин. При этом наиболее приемлемыми для использования считаются подземные воды литодинамических потоков-повышений, расположенных в пределах данных впадин. Статистика показывает, что 90 % от общего числа действующих артезианских скважин расположено в пределах потоков (относительных повышений). Данная разработка позволяет решать задачи не только в регионах, испытывающих дефицит воды, но и повсеместно. Основная цель использования метода пластики рельефа – составление таких наглядных карт, которые позволили бы не только специалистам, но и должностным лицам разного ранга использовать их для решения водных проблем и экологической безопасности на территории Крымского полуострова. Использование нескольких, в т.ч. и картографических, методик, позволяет получать более качественную информацию об исследуемой территории, в чем и заключается суть рационального природопользования.

Ключевые слова: картография, артезианские скважины, концепция пластики рельефа, литодинамика, равнинный Крым

Одной из важных современных проблем человечества считается дефицит водных ресурсов. Миллиарды кубометров воды ежегодно используются на удовлетворение потребностей населения: питьё, орошение, предприятия промышленности. Территория Российской Федерации богата как поверхностными, так и подземными пресными водами. Тем не менее, южные регионы страны (Причерноморье, Приазовье, Нижнее Поволжье и Прикаспий) испытывают дефицит воды, особенно в засушливые годы, что видно на примере засухи в Крыму в 2018 году.
Ранее в Крыму эти проблемы решались за счёт использования подземных резервуаров артезианских вод Северного и Центрального Крыма, рек и водохранилищ Горного Крыма, Северо-Крымского канала. Перекрытие вод Северо-Крымского канала (СКК) украинской стороной привело к обострению ситуации.

Следует отметить, что уже с середины 90-х гг. воды СКК использовались малоэффективно. Ввиду отсутствия ремонтных работ ложа основного канала и его ответвлений нарастали проблемы с вторичным засолением земель из-за возросшей фильтрации вод с канала. Параллельно шел рост цен на использование вод СКК, что сказалось на развитии процветавшего ранее сельского хозяйства. Многие сельхозпредприятия вынуждены были отказаться от орошения, а из посевов исключены влагозатратные овощные и фруктовые культуры. Всё это привело к тому, что уже к 2000 г. 60-70 % вод СКК сбрасывались в залив Азовского моря Сиваш, солёность вод которого значительно уменьшилась. Сложившаяся ситуация отрицательно сказалась на биосфере северо-востока Крыма и уровне добычи соли Присивашья.

Нынешнее положение также неоднозначно. С одной стороны, прекращение использования разрушенного ложа канала остановило процессы вторичного засоления, возобновилось естественное формирование почв. С другой стороны, отсутствие воды в СКК привело к нехватке воды в отдельных регионах и крупных населённых пунктах (Керчь, Феодосия, Ялта и др.), невозможности восстановления сельского хозяйства полуострова. Сейчас артезианские воды используются в основном для нужд населения. В промышленности и сельском хозяйстве применяется вода из оросительных систем, заполняемых из естественных и искусственных водоемов. Нередки случаи неконтролируемой добычи межпластовых вод с повышенным содержанием солей, что приводит к снижению урожайности и вторичному засолению почвенного покрова. Такой подход не решает проблему, а только усугубляет.

Решение задач полноценного снабжения населения, сельского хозяйства и промышленности водой требует обстоятельного государственного подхода, в основе которого должны быть современные технологии. Введение целевого точечного использования ресурсов подземных пресных вод должно решить проблемы как локального, так и всероссийского уровня.

Материалы и методы исследования

В основе исследований – картографический способ отображения и анализа явных и скрытых форм земной поверхности – метод пластики рельефа.

Одной из задач метода является визуализация динамических процессов в литосфере и содержащихся в ней подземных вод. Достигается это преобразованием горизонталей топокарт в потоки, потоковые структуры и системы. По мере применения в различных отраслях науки (почвоведение, геология, тектоника, геофизика, гидрогеология, геоэкология, военное дело) и промышленности способ становится концепцией, объединяющий технологию и анализ полученных материалов. Концепция разработана картографической группой ИБП РАН под руководством профессора И.Н. Степанова [7, 8]. Её рождению и становлению способствовал научно-исторический опыт предыдущих поколений [9] и [5].

Парадигма концепции такова: Земля не является идеальным шаром, а земная поверхность представляет собой комплекс неровностей в виде выпуклостей и вогнутостей, постоянно присутствуют перепады высот и глубин. Это ведет к возникновению между ними гравитационных связей. Именно литодинамические потоки, по мнению авторов, отражают эти связи, являясь одновременно и связующим звеном между разновысотными формами Земли, и каналами перемещения твердого и жидкого вещества. Так осуществляется динамика вещества и, одновременно, поддерживается равновесие в распределении масс горных пород земной поверхности в плане и профиле. Литодинамические потоки покрывают всю современную поверхность земной коры, образуя глобальную систему, каркас. Следует отметить, что на топографических картах мы наблюдаем только верхнюю часть каркаса, «корни» которого уходят на глубину нескольких километров, взаимодействуя с аналогичными каркасами прошлых геологических эпох.

Основой литодинамических потоков являются изолинии высот и глубин. На них выделяются точки максимальной положительной, максимальной отрицательной и нулевой кривизны. Когерентное соединение друг с другом точек одинаковой кривизны отражает процессы геодинамики: орографические линии, линии овражно-балочной сети, границы между выпуклыми и вогнутыми телами, образующими потоки, структуры и системы. На рис. 1 показан пример извлечения информации из отдельно взятой горизонтали.

Рис. 1. Технология создания литодинамического потока путем преобразования горизонталей топографической карты (А) сначала в геометрические линии (В), а затем – в выпукло-вогнутую дифференцированную модель изображения земной поверхности.

Условные обозначения: 1 – горизонталь; 2 – точка максимальной положительной кривизны; 3 – точки максимальной отрицательной кривизны, 4 – точки нулевой кривизны; 5 – выпуклое тело литодинамического потока; 6 – область отрицательной кривизны; 7 – морфоизографа (линия нулевой кривизны); 8 – линии максимальной положительной и максимальной отрицательной кривизны.

В 2009 году профессором И.Н. Степановым [6] было высказано предположение о взаимосвязи между литодинамическими потоками и потоками водоносных горизонтов, которые перемещаются не сплошным фронтом, а по определенным каналам, согласно неоднородности рисунка земной поверхности, градиента высот и проницаемости пород. Наиболее перспективными считаем области современных и древних речных наносов, в пределах которых сформировались подрусловые потоки подземных вод.

Известно, что валы и гряды дельтовых и русловых (меандровых) наносов состоят большей частью из песчаных, более лёгких, отложений, перекрытых толщей молодых пород, тем самым представляя собой резервуары для подземных вод. В течение длительного периода времени реки меняли направление, пересыхали, а сами наносы перекрывались толщами неаллювиальных пород. Тем не менее, при сохранении водоупорных горизонтов положение резервуаров также неизменно, что делает их потенциальными источниками хозяйственного использования. При этом максимальное содержание воды должно быть в пределах главного русла и зоне разгрузки реки – дельтовых структурах. Здесь может быть сконцентрировано 30 и более процентов объема поверхностного водотока.

Ранее авторами была создана литодинамическая модель восточной части Крыма и прилегающей акватории Азовского и Чёрного морей, по которой на региональном уровне были выделены перспективные районы поиска воды в пределах древних русел и дельт рек северной и северо-восточной частей Крыма, на дне Азовского и Черного морей [1]. В текущей работе проведена детализация поисков по картам более крупного масштаба. Основными материалами стали топографические карты Крымского полуострова и прилегающих акваторий Азовского и Чёрного морей М 1:100 000.

Результаты исследования и их обсуждение

В связи с возникновением проблем водоснабжения Крыма в 2015 году была создана литодинамическая модель восточной части Крыма и прилегающей акватории Азовского и Чёрного морей, [1]. Анализ карты пластики рельефа позволил выявить перспективные области регионального уровня. В основе выводов – динамика рек равнинного Крыма, обнаружение следов их присутствия в виде потоков-отложений. С течением времени реки неоднократно меняли свое местоположение. Оставляя после себя русловые и дельтовые наносы, они образовывали протяженные выпуклые формы рельефа (потоки), которые отражали распределение вещества в гравитационном поле Земли. Ввиду того, что вещество всегда стремится в области впадин, где формируются области аккумуляции (аттракторы), тела-потоки литодинамических структур и систем всегда ориентированы в данном направлении, что позволяет проследить движение вещества от начальной точки к конечной. При этом внутри самих систем могут формироваться промежуточные аттракторы, образуя сеть локальных артезианских впадин. Неотъемлемой частью литодинамических структур являются места разветвления потоков – точки бифуркации. Здесь происходит замедление движения водных потоков внутри литодинамических тел.

В артезианских бассейнах равнинного Крыма находится до 75% эксплуатационных запасов пресных вод полуострова. Распространенные здесь напорные водоносные горизонты приурочены к меловым, палеогеновым и неогеновым отложениям. Основной областью их питания являются предгорья, где они выходят на дневную поверхность или перекрываются маломощным слоем более молодых образований. В частности, для неогенового водоносного горизонта условия питания наиболее благоприятны на участках предгорий, где эти отложения обнажаются в руслах рек Альмы, Качи, Зуи, Бурульчи, Биюк-Карасу, Кучук-Карасу и других, или же залегают под хорошо проницаемыми аллювиальными осадками.

Беря начало в Крымских горах, литодинамические системы северо-восточной части равнинного Крыма простираются на север, северо-запад и северо-восток. В горах, где выпадает наибольшее на Крымском полуострове количество осадков, в связи с широким распространением трещиноватых и закарстованных известняков, на склонах известняковых массивов горного Крыма происходит интенсивное поглощение вод постоянных и временных водотоков. Карстовые вместилища яйлинских массивов разгружаются преимущественно в виде нисходящих источников, питающих большую часть поверхностных и подземных рек полуострова [3]. По литодинамическим потокам подземные воды мигрируют на север, северо-запад и северо-восток, питая ряд разобщенных малых артезианских бассейнов.

Для проверки предварительных выводов требовалось детальное изучение перспективных потоковых районов с нанесением уже известных продуктивных скважин. Цель работы – выявление локальных артезианских бассейнов как дополнительного источника водоснабжения населения и промышленности Республики Крым. По топокартам М 1:100 000 создана модель литодинамических потоков северо-восточного Крыма, которые были выделены в следующие литодинамические системы: I–Гвардейско-Джанкойская; II–Белогорско-Нижнегорская; III–Карабияйлинская; IV–Кучук-Карасу; V–Демерджияйлинская; VI–Чатырлыкская; VII–Днепровская (рис. 2).

Рис. 2. Карта литодинамических потоковых систем Восточного и Центрального Крыма. М 1:100 000.

Условные обозначения: литодинамические системы: 1 – Гвардейско-Джанкойская (I), 2 – Белогорско-Нижнегорская (II), 3 – Карабияйлинская (III), 4 – Кучук-Карасу (IV), 5 – Демерджияйлинская (V), 6 – Чатырлыкская (VI), 7 – Днепровская (VII); 8 – вектор направленности выпуклостей-потоков.

На исследуемой территории расположены Северо-Сивашский и Белогорский артезианские бассейны. Их ложем служат прогибы земной коры, в которых были образованы литодинамические системы равнинного Крыма. Активное участие в их формировании играет ранее полноводная река Салгир. Ее древние аллювиальные отложения, ныне перекрытые более современными, в последующем стали резервуарами пресных вод. Ранее было высказано предположение о веерообразном расположении палеорусел Салгира с северо-запада на северо-восток [2, 4]. Следы своего присутствия река должна была оставить в виде отложений, которые нашли свое отражение на топографических картах. Но чтение топокарт равнинных территорий дает только общее представление о характере происходивших ранее процессов, ограничивает обзор в местах разреженности горизонталей.

В то же время карты пластики рельефа упростили чтение рельефа, выявили динамику геологического вещества в пространстве и времени, наглядно подтвердили ранее высказанные предположения о миграции Салгира. Наиболее ярко это отражено в рисунке Гвардейско-Джанкойской системы. От п. Гвардейское до пгт Октябрьское система напоминает своим видом основной ствол. Через десять километров в сторону пгт Красногвардейское, в точке бифуркации, система начинает «распускаться», образуя веерообразную дельту, занимающую по площади весь Джанкойский район и части Нижнегорского и Красногвардейского районов.

С самого начала освоения засушливых территорий равнинного Крыма для ведения хозяйства использовались подземные воды колодцев, водокачек, а позднее артезианских скважин. Все они были нанесены на карту литодинамических систем и дифференцированы по принципу своего расположения относительно потоков-повышений. Всего в пределы рабочей области карты попало 958 вододобывающих объектов. Анализ показал, что значительная часть скважин расположена в пределах литодинамических потоков – 859 (89,7%), в пределах понижений – 99 скважин или 10,3 %. Фрагмент карты показан на рис. 3.

Рис. 3. Фрагмент карты расположения артезианских скважин в пределах Гвардейско-Джанкойской литодинамической системы. М 1:100 000.
Условные обозначения: 1 – Гвардейско-Джанкойская литодинамическая система (I), 2 – артезианские скважины.

В пределах потоков-повышений плотность пород значительно выше, чем в соседних понижениях, что обеспечивает сохранность водоносных горизонтов. Важно отметить, что литодинамические потоки имеют глубинные корни, простирание которых зависит от масштаба исходной карты. В данном случае (1:100 000) глубина основания потоков залегает на глубинах 1-2 км, а глубина зеркала пресных артезианских вод в данном районе Крыма – 100-300 м. Таким образом, наблюдается соответствие условиям прогноза. Определенная часть скважин расположена в пределах понижений (10%), но недостаток информации о химическом составе воды в них не дает оснований однозначно считать их эталонными или, напротив, низкокачественными. Известно только, что в нескольких скважинах в Джанкойском районе в пределах понижений был получен приток воды с содержанием сероводорода. Также был проведен анализ местоположения скважин внутри потоковых структур и систем. Установлено, что 335 скважин от общего количества расположены в центральной части широких и протяженных потоков первого порядка (водоразделах) или в зонах их бифуркации (разветвления). 623 скважины размещены в пределах боковых ответвлений – потоках второго и третьего порядка. При этом перспективными можно считать потоки всех трех уровней. Зачастую малоамплитудные поверхности водоразделов заняты пашнями, а вода подводилась к ним по канавам и второстепенным ответвлениям Северо-Крымского канала. Но при необходимости данные области потенциально могли быть использованы под бурение продуктивных скважин.

Отметим факт расположения 534 скважин близко к понижениям, на краях потоков. Одной из причин такой ситуации является расположение населённых пунктов, которые приурочены к долинам рек, пересыхающим балкам. Здесь же происходило бурение скважин. Второй причиной является образование в пределах систем естественных литологических барьеров, что вело к аккумуляции пресных вод и формированию незначительных по размерам артезианских бассейнов – рис. 4.

Рис. 4. Фрагмент карты прогнозных артезианских микробассейнов в пределах литодинамических потоковых систем Равнинного Крыма. М 1:100 000.
Условные обозначения: 1 – Гвардейско-Джанкойская литодинамическая система (I); 2 – артезианские скважины; 3 – артезианские бассейны

Анализ карты показал, что все литодинамические системы северо-восточного Крыма имеют высокий потенциал для поиска подземных пресных вод. Из них наиболее перспективной следует считать Гвардейско-Джанкойскую, форма которой идентична разветвленной структуре речных дельт.

Внутри системы отметим следующие элементы:
- стержневые части, как основные каналы стока подземных вод;
- области бифуркации – участки замедления водного потока;
- зоны аттракторов – как артезианские впадины.

С учетом перечисленных условий в пределах системы были выделены прогнозные области (рис. 5), по подземным каналам которых вода продолжает течь с Крымских гор.

Рис. 5. Фрагмент прогнозной карты расположения перспективных потоков в пределах литодинамических потоковых систем Равнинного Крыма. М 1:100 000.
Условные обозначения: 1 – Гвардейско-Джанкойская литодинамическая система (I), 2 – артезианские скважины, 3 – перспективные области.

Как видно из карты (рис. 5), практически все продуктивные скважины уже расположены в пределах перспективных участков литодинамических потоков. Ввиду исключения нагрузки на эксплуатирующиеся артезианские локальные бассейны и преждевременной выработки их ресурсов считаем целесообразным бурение дополнительных скважин только на удаленных друг от друга дистанциях. Прирост их числа может составить 10-20% от общего количества единиц вододобычи. Обращаем также внимание на концевые части литодинамических потоков в прибрежной части. Здесь происходит естественная разгрузка подземных вод в Сиваш и, далее, сквозь Арабатскую стрелку, в Азовское море.

Частично разгрузка происходит на уровне вод с повышенным содержанием солей, поддерживая баланс между двумя резервуарами. Но в течение года бывают периоды (поздней осенью и зимой), когда сток пресных вод бывает избыточным. Именно эти воды можно использовать в хозяйственных нуждах. Добыча их должна быть контролируемой, с сохранением вышеупомянутого баланса. Хранение воды может быть в искусственных, как закрытых, так и открытых, резервуарах, из которых она может транспортироваться для сельскохозяйственных и промышленных нужд в любое время года. Пример расположения таких скважин показан на рис. 6.

Рис. 6. Пример расположения скважин перехвата вод естественной разгрузки. М 1:100 000.
Условные обозначения: 1 – Гвардейско-Джанкойская литодинамическая система (I), 2 – артезианские скважины, 3 – перспективные области; 4 - скважины перехвата вод естественной разгрузки.

Выводы

Использование метода пластики рельефа позволяет по-новому взглянуть на информационный потенциал топографических карт. Преобразование статического образа рельефа в динамический наглядно демонстрирует потоковые свойства земной поверхности, геологических и, соответственно, водоносных горизонтов. Подход позволяет выделить границы между литодинамическими системами, их элементы как части древних речных систем, которые обладают высокими перспективами поиска подземных пресных резервуаров. Литодинамические потоки своим направлением указывают на локальные артезианские бассейны. Анализ положения артезианских скважин относительно литодинамических потоков подтвердил высказанные ранее предположения о более качественном составе пресных вод в пределах повышений (90 %).

Данная работа, несмотря на то, что подводит итоги промежуточных исследований, может быть использована на начальном уровне поиска перспективных участков и бурении новых скважин пресной воды. Карты рис. 4 и рис. 5 могут служить отправной точкой для продолжения исследований запасов пресных вод равнинного Крыма, как основного центра водоснабжения всего Крыма. В настоящий момент недостаточно внимания уделяется запасам пресных подземных вод акватории Азовского моря. Водонасыщенные потоковые системы суши имеют своё продолжение и на дне акватории. Известны случаи естественного истекания подземных вод в районах выклинивания водосодержащих пород на побережье залива Азовского моря – Сиваш. Контролируемый перехват водных потоков и использование их для нужд населения и сельского хозяйства решат многие проблемы водоснабжения. Для получения высокоточного прогноза требуется дополнительный анализ карт более крупного масштаба и информации отчетов гидрогеологических партий.

Предложенная в статье концепция пластики рельефа является инновационной в российской науке и уникальной в мировой практике. Ее использование позволяет производить поисково-разведочные работы с наименьшими экономическими затратами, оптимизируя процесс добычи стратегически важных ресурсов. Такой подход можно назвать и экологически оптимальным – точечное бурение скважин наносит природе значительно меньший урон. Опыт использования карт пластики рельефа может стать полезным и для других регионов России или мира, где испытывается острый дефицит водообеспечения.

Литература:
1. Баранов И.П., Степанова В.И. Возможности решения проблемы водоснабжения Крыма за счет подземных вод на дне Азовского и Черного морей. Вода Magazine, 2016. №3(103). 32–37 с.
2. Львова Е.В. Равнины Крыма. Научно-популярный очерк. Симферополь: Таврия. 1982. 32 с.
3. Подгородецкий П.Д. Крым: Природа. Справочное издание. Симферополь: Таврия. 1988. 192 с.
4. Слудский A.Ф. Древние долины реки Салгир. Изв. Крым. отд. геогр. общ-ва СССР. 1953. Выпуск 2. 31-38 с.
5. Соболевский П.К. Современная горная геометрия. Социалистическая реконструкция и наука, 1932. Выпуск 7. 42–78 с.
6. Степанов И.Н., Баранов И.П., Степанова В.И. Использование карт пластики рельефа при оперативном поиске пресных питьевых и технических подземных вод. Вода Magazine, 2011 №1(41), С. 24-26.
7. Степанов И.Н. Методика составления серии среднемасштабных тематических карт «Природно-мелиоративная и сельскохозяйственная оценка срединного региона СССР». Материалы Всесоюзной конференции «Оценка природно-мелиоративных условий и прогноз их изменений. Пущино», 1977. 23–93 с.
8. Степанов И.Н. Теория пластики рельефа и новые тематические карты. М.: Наука, 2006. 230 с.
9. Maxwell J.C. On hills and dales. Philosophical Magazine. Ser. 4. 1870. Vol. 40. No 269 (Dec. 1870), 421–427 p.

About identification of local reservoirs of underground waters of the flat part of the Crimea on the basis of maps of lithodynamic flows

 Тhere are water supply problems in Crimea. Mapping of lithodynamic flows in the Central and Eastern parts of the Plain Crimea and further analysis of them revealed the differentiated location of local artesian depressions. Receiving power from the main catchment center – the Crimean mountains, underground channels of lithodynamic flows flow in the area of these depressions. At the same time, the most suitable for use are considered to be underground waters of lithodynamic flows-elevations located within these depressions. Statistics show that 90% of the total number of active artesian wells are located within the flows (relative increases). This development makes it possible to solve problems not only in regions experiencing water shortages, but also everywhere. Such maps are of strategic importance in human economic activity and rational use of water resources. The main goal of the concept of relief plasticity is to create such visual maps that would allow not only specialists, but also officials of different ranks to use them to solve water problems and environmental safety on the territory of the Crimean Peninsula. The use of multiple, including and cartographic methods, allows you to get better information about the studied territory, which is the essence of rational.

Keywords: cartography, artesian wells, the concept of the plastic of the relief, lithodynamics, Plain Crimea

Igor P. Baranov, Institute for Biological Instrumentation of RAS - a separate division of FITZ PNC RAS, Russia, Moscow region, Pushchino, Institutscaja, 7, Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Vera I. Stepanova, Institute for Biological Instrumentation of RAS - a separate division of FITZ PNC RAS, Russia, Moscow region, Pushchino, Institutscaja, 7, Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.