- Why a groundwater model
- The aquifer and the data
- The water balance
- The model and what it shows
- What the model can and cannot do
- Next steps and handover
Ministry of Mining Industry and Geology of the Republic of UzbekistanStatus update · September 2026
Zarafshan Valley Groundwater Model
A regional MODFLOW 6 model of the alluvial aquifer between Ravathoji and Khazara. Where the work stands, what it already shows, and what comes next.
1 Why a groundwater model
One model domain from Ravathoji to Khazara
Finding. The active model covers the valley floor from the Ravathoji hydroworks downstream to Khazara. Bedrock and the northern mountain catchments are outside the model and enter only as boundary inflows.
What it means. Results are regional. The model answers questions at the scale of districts and river reaches, not individual well fields.
2 The aquifer and the data
Five geology zones from MMIG maps
Finding. The Quaternary geology map was vectorised and mapped onto the grid: modern alluvium (Qh), upper and middle Quaternary terraces (QIII, QII), Eopleistocene deposits (QE) and bedrock. Bedrock cells are inactive.
What it means. Aquifer properties are assigned by zone. The zones follow the field mapping of the Zarafshan hydrogeological station, so they can be discussed and corrected with MMIG geologists.
2 The aquifer and the data
Why one layer is enough
Finding. Wells screened in Quaternary deposits and wells screened deeper in Neogene deposits plot on the same head range at every depth: there is no systematic head separation between them. The MMIG cross-sections likewise show continuous alluvium without a regional aquitard.
What it means. A single hydraulic layer is structurally correct for the valley and simpler to calibrate. The aquifer bottom is the largest remaining structural unknown.
2 The aquifer and the data
Hydraulic conductivity by zone
Finding. Transmissivity from the MMIG well registry, filtered to reliable pumping tests, gives the prior conductivity of each zone. Modern alluvium is the most permeable; older terraces and Eopleistocene deposits are tighter.
What it means. These are starting values. Calibration adjusts them, and the sensitivity analysis later shows which zones the observations can actually constrain.
2 The aquifer and the data
The river in the model
Finding. The Zarafshan main stem, with the Oqdaryo and Qaradaryo branches, is traced from mapped river geometry rather than from the terrain, because flow-routing on a flat irrigated plain fails. Channel widths of 40 to 500 m come from satellite cross-sections.
What it means. The river is a routed stream in MODFLOW, not a fixed boundary. Its stage responds to inflow and to groundwater exchange, which is what the study is about.
2 The aquifer and the data
Where the groundwater is observed
Finding. The MMIG well registry, the ZRB monitoring wells and the monthly UGV time series were merged and quality-controlled. Coverage is dense around Samarkand and thin in the western valley.
What it means. Observations are the currency of calibration. Where they are sparse, the model is weakly constrained and results should be read as regional tendencies.
3 The water balance
Irrigated area from satellite
Finding. Landsat irrigation maps for 2016–2020 give the irrigated fraction of every model cell. Irrigation dominates the valley floor and thins toward the terraces.
What it means. This fraction splits recharge and evapotranspiration between irrigated and rain-fed land. It is the single most decisive forcing in the balance.
3 The water balance
Two independent estimates of irrigation water use agree
Finding. Top-down, the Ministry of Water Resources records how much water the canals divert. Bottom-up, satellite evapotranspiration shows how much the fields consume. The two close to within a few percent at district scale.
What it means. Both sources can be trusted in the balance. The difference between diversion and consumption is the water available to recharge the aquifer.
3 The water balance
Recharge and evapotranspiration on the grid
Finding. Precipitation recharge from CHIRPS and irrigation return flow form the recharge array. Crop evapotranspiration, shallow-water-table evaporation and reservoir evaporation form the evapotranspiration array. Both vary month by month over 2010–2024.
What it means. The share of irrigation losses that actually reaches the water table is the key uncertain quantity. The sensitivity analysis confirms this.
3 The water balance
Where groundwater is pumped
Finding. Domestic and industrial pumping is distributed with 100 m population data and Uzbek per-capita norms, then compared with the MMIG abstraction register district by district.
What it means. The population template underestimates urban well fields by an order of magnitude. The current model therefore uses the full permitted abstraction from the register, smoothed within each district.
3 The water balance
Inflow from the northern tributaries
Finding. Oqsoy, Tusunsoy and Qorasuv are ungauged. Their runoff was transferred from 85 gauged analogue basins in the Amu Darya region and checked against a published estimate for Tusunsoy.
What it means. These tributaries enter the model as groundwater inflow along the northern edge, not as surface streams, because most of their water infiltrates on the fans.
3 The water balance
What actually enters the river below Ravathoji
Finding. The river boundary uses the measured discharge to the Koradaryo, the flow that remains after all canal diversions at Ravathoji. Using the gross Ravathoji flow would count canal water twice, once in the river and once as irrigation recharge.
What it means. The river in the model starts with roughly a third of the Ravathoji flow. Canal water reaches the aquifer through the recharge arrays instead.
3 The water balance
Closing the valley water balance
Finding. River inflow, precipitation, tributaries and canal water on one side; evapotranspiration, pumping, reservoir evaporation and outflow at Khazara on the other. The residual constrains net groundwater recharge, the quantity the model cannot observe directly.
What it means. Every flux entering MODFLOW is traceable to a data source and to this balance. That is the foundation the model rests on.
4 The model
How the model is assembled
Finding. Each MODFLOW 6 package carries one process: grid and properties, recharge, evapotranspiration, wells, the routed river, reservoirs as head-dependent boundaries, fixed heads at the valley ends and, in the transient model, storage.
What it means. The package set is deliberate and documented. Alternatives such as an unsaturated-zone package or drains were tested and rejected for stated reasons.
4 The model
The simulated groundwater surface
Finding. The steady-state model, driven by 2010–2024 mean forcing, reproduces the regional gradient from about 900 m near Ravathoji to about 330 m at Khazara and converges in under a second. Against the 381 quality-controlled targets the uncalibrated model has a mean error of −7 m and a root-mean-square error of 30 m.
What it means. Fast runs make systematic testing possible: thousands of parameter combinations and dozens of conceptual scenarios have already been run.
4 The model
Which assumptions matter most
Finding. A global sensitivity analysis with 5 000 model runs, of which 3 091 converged, ranked seventeen parameters. The conductivity of the upper terrace, the shallow-groundwater evaporation rate, precipitation recharge, aquifer thickness and the conductivity of the middle terrace control the misfit. River-bed conductance, boundary heads, bedrock conductivity and Manning roughness barely matter for heads.
What it means. About half of the candidate parameters can be set aside before calibration. No parameter combination brings the mean absolute error below roughly 15 m, which points at structure rather than parameters. Head observations alone cannot constrain the river parameters; that needs discharge data.
4 The model
Calibration: the honest state
Finding. Ensemble calibration with PEST++ tightens the posterior fit within the ensemble: mean absolute error 17 m against 19 m for the prior. Re-running the best parameter set in the full model gives 27 m, worse than the uncalibrated baseline. The parameters that fit best in the ensemble do not transfer.
What it means. The remaining error is structural: uniform thickness, zone-uniform conductivity, observation quality and river-reach geometry. Fixing these matters more than further parameter tuning.
4 The model
Current candidate: what full pumping does to the fit
With the full registry pumping and local return flows the model still converges, but the fit deteriorates from the April model. The deterioration is local and diagnostic.
- 381 targets: mean error −16 m, RMSE 37 m, against −7 m and 30 m for the April model
- Within 10 km of Samarkand the candidate lowers heads by 31 m on average; the observed 2010–2024 means show no such cone
- Simulated river outflow at Khazara 54 m³/s against an observed 23 m³/s; the excess is drain return fed by the gross-loss recharge, not the pumping loop
- Global conductivity and river-bed multipliers do not recover the fit
Measured 14 September 2026 from scratch/ss_rapid_v1_kdown_sfr_connectivity/scenario_metrics.csv and the Iteration 3 diagnosis in GAPS.md §5; the Khazara target is read from the water-balance ledger.
4 The model
Fifteen years, month by month
Finding. The transient model runs all 180 monthly periods without dry cells and with a mass-balance error below 0.02 percent. Against 15 491 monthly observations after a two-year spin-up the mean absolute error is 9.5 m. Multi-year levels are reproduced at some wells and offset by several metres at others; the seasonal swing is too small at most.
What it means. The model can already be used to ask how levels respond to a wet or dry year at regional scale. The muted seasonal amplitude points at the storage parameters, which the steady-state model cannot see.
4 The model
Seasonal amplitude points at specific yield
Finding. Five hundred transient runs varied the specific yield of each zone together with conductivity and recharge; 480 converged. The specific yields of the modern alluvium and the two Quaternary terraces control the seasonal amplitude. The best run cuts the young-alluvial amplitude error from 0.39 to 0.23 m, about forty percent, with lower specific yield than the literature values.
What it means. Literature specific yields are too high for this valley. The transient information constrains parameters the steady-state model cannot see, which is why the next calibration must be joint.
4 The model
Where the river gains and where it loses
Finding. Over the fifteen simulated years the river is a net gaining stream for most of the year: groundwater discharges to the Zarafshan in autumn and winter, and the river loses water to the aquifer during the summer irrigation peak when canal water raises the water table.
What it means. This seasonal reversal is the headline quantity for management. Its magnitude is still uncertain because it is constrained by heads only and because some river reaches are longer than one cell; discharge at Khazara is the missing check.
- Зачем нужна модель подземных вод
- Водоносный горизонт и данные
- Водный баланс
- Модель и что она показывает
- Что модель может и чего пока не может
- Дальнейшие шаги и передача
Министерство горно-промышленной отрасли и геологии Республики УзбекистанОтчёт о состоянии работ · сентябрь 2026
Модель подземных вод долины Зарафшана
Региональная модель MODFLOW 6 аллювиального водоносного горизонта между Раватходжи и Хазарой. Где мы находимся, что модель уже показывает и что будет дальше.
1 Зачем нужна модель
Одна область модели от Раватходжи до Хазары
Вывод. Активная область модели охватывает дно долины от гидроузла Раватходжи вниз по течению до Хазары. Коренные породы и северные горные водосборы находятся вне модели и входят только как граничные притоки.
Что это значит. Результаты региональные. Модель отвечает на вопросы масштаба районов и участков реки, а не отдельных водозаборов.
2 Водоносный горизонт и данные
Пять геологических зон по картам MMIG
Вывод. Карта четвертичной геологии векторизована и перенесена на сетку: современный аллювий (Qh), верхне- и среднечетвертичные террасы (QIII, QII), эоплейстоценовые отложения (QE) и коренные породы. Ячейки коренных пород неактивны.
Что это значит. Свойства горизонта задаются по зонам. Зоны следуют полевому картированию Зарафшанской гидрогеологической станции, поэтому их можно обсуждать и уточнять с геологами MMIG.
2 Водоносный горизонт и данные
Почему достаточно одного слоя
Вывод. Скважины, вскрывающие четвертичные отложения, и более глубокие скважины в неогеновых отложениях ложатся в один диапазон уровней на любой глубине: систематического расслоения напоров между ними нет. Разрезы MMIG также показывают сплошной аллювий без регионального водоупора.
Что это значит. Один гидравлический слой структурно верен для долины и проще в калибровке. Подошва горизонта остаётся крупнейшей структурной неопределённостью.
2 Водоносный горизонт и данные
Коэффициент фильтрации по зонам
Вывод. Водопроводимость из реестра скважин MMIG, отфильтрованная по надёжным откачкам, даёт априорный коэффициент фильтрации каждой зоны. Современный аллювий наиболее проницаем; старые террасы и эоплейстоцен — плотнее.
Что это значит. Это стартовые значения. Калибровка их корректирует, а анализ чувствительности показывает, какие зоны наблюдения действительно способны ограничить.
2 Водоносный горизонт и данные
Река в модели
Вывод. Основное русло Зарафшана с рукавами Окдарьё и Карадарьё прослежено по картографической геометрии, а не по рельефу, поскольку трассировка стока на плоской орошаемой равнине не работает. Ширина русла от 40 до 500 м взята по спутниковым створам.
Что это значит. Река в MODFLOW — маршрутизируемый поток, а не фиксированная граница. Её уровень реагирует на приток и на обмен с подземными водами, что и является предметом исследования.
2 Водоносный горизонт и данные
Где наблюдаются подземные воды
Вывод. Реестр скважин MMIG, наблюдательные скважины ZRB и месячные ряды УГВ объединены и прошли контроль качества. Покрытие плотное вокруг Самарканда и редкое в западной части долины.
Что это значит. Наблюдения — валюта калибровки. Там, где их мало, модель слабо ограничена, и результаты следует читать как региональные тенденции.
3 Водный баланс
Орошаемая площадь по спутнику
Вывод. Карты орошения Landsat за 2016–2020 гг. дают долю орошаемой площади каждой ячейки. Орошение преобладает на дне долины и редеет к террасам.
Что это значит. Эта доля делит питание и испарение между орошаемыми и богарными землями. Это самый решающий фактор в балансе.
3 Водный баланс
Две независимые оценки водопотребления орошения совпадают
Вывод. Сверху вниз: Министерство водного хозяйства фиксирует, сколько воды отводят каналы. Снизу вверх: спутниковое испарение показывает, сколько потребляют поля. На уровне районов оценки сходятся с точностью до нескольких процентов.
Что это значит. Обоим источникам можно доверять в балансе. Разница между водозабором и потреблением — это вода, доступная для питания горизонта.
3 Водный баланс
Питание и испарение на сетке
Вывод. Инфильтрация осадков по CHIRPS и возвратные воды орошения образуют массив питания. Испарение культур, испарение с неглубоких грунтовых вод и с водохранилищ образуют массив испарения. Оба меняются помесячно за 2010–2024 гг.
Что это значит. Доля потерь орошения, реально достигающая зеркала грунтовых вод, — ключевая неопределённая величина. Анализ чувствительности это подтверждает.
3 Водный баланс
Где откачиваются подземные воды
Вывод. Хозяйственно-питьевой и промышленный водоотбор распределён по данным о населении с шагом 100 м и узбекским нормам на душу, затем сопоставлен с реестром водоотбора MMIG по районам.
Что это значит. Шаблон по населению занижает городские водозаборы на порядок. Поэтому текущая модель использует полный разрешённый водоотбор из реестра, сглаженный внутри каждого района.
3 Водный баланс
Приток северных притоков
Вывод. Оксой, Тусунсой и Карасу не имеют гидропостов. Их сток перенесён с 85 гидрометрически изученных бассейнов-аналогов Амударьинского региона и проверен по опубликованной оценке для Тусунсоя.
Что это значит. Эти притоки входят в модель как подземный приток вдоль северного края, а не как поверхностные потоки, поскольку большая часть их воды инфильтруется на конусах выноса.
3 Водный баланс
Что реально поступает в реку ниже Раватходжи
Вывод. Граница реки задаётся измеренным сбросом в Карадарью — стоком, остающимся после всех отводов в каналы у Раватходжи. Использование валового стока Раватходжи учитывало бы воду каналов дважды: в реке и как питание от орошения.
Что это значит. Река в модели начинается примерно с трети стока Раватходжи. Вода каналов поступает в горизонт через массивы питания.
3 Водный баланс
Замыкание водного баланса долины
Вывод. Приток реки, осадки, притоки и вода каналов с одной стороны; испарение, водоотбор, испарение с водохранилищ и сток у Хазары — с другой. Остаток ограничивает чистое питание подземных вод — величину, которую модель не наблюдает напрямую.
Что это значит. Каждый поток, входящий в MODFLOW, прослеживается до источника данных и до этого баланса. На этом основании стоит модель.
4 Модель
Как собрана модель
Вывод. Каждый пакет MODFLOW 6 отвечает за один процесс: сетка и свойства, питание, испарение, скважины, маршрутизируемая река, водохранилища как граница с зависимостью от напора, фиксированные напоры на концах долины и, в нестационарной модели, ёмкость.
Что это значит. Набор пакетов выбран осознанно и задокументирован. Альтернативы, такие как пакет зоны аэрации или дрены, были проверены и отклонены по изложенным причинам.
4 Модель
Расчётная поверхность подземных вод
Вывод. Стационарная модель при среднем воздействии 2010–2024 гг. воспроизводит региональный уклон примерно от 900 м у Раватходжи до примерно 330 м у Хазары и сходится менее чем за секунду. По 381 проверенной цели некалиброванная модель имеет среднюю ошибку −7 м и среднеквадратичную ошибку 30 м.
Что это значит. Быстрые расчёты делают возможным систематическое тестирование: уже выполнены тысячи комбинаций параметров и десятки концептуальных сценариев.
4 Модель
Какие допущения важнее всего
Вывод. Глобальный анализ чувствительности на 5 000 запусках модели, из которых сошлись 3 091, ранжировал семнадцать параметров. Невязку определяют коэффициент фильтрации верхней террасы, интенсивность испарения с неглубоких грунтовых вод, инфильтрация осадков, мощность горизонта и коэффициент фильтрации средней террасы. Проводимость русла, граничные напоры, проводимость коренных пород и шероховатость Маннинга почти не влияют на уровни.
Что это значит. Около половины параметров-кандидатов можно исключить до калибровки. Ни одна комбинация параметров не снижает среднюю абсолютную ошибку ниже примерно 15 м, что указывает на структуру, а не на параметры. Одни наблюдения уровней не могут ограничить параметры реки; для этого нужны данные о расходах.
4 Модель
Калибровка: честное состояние
Вывод. Ансамблевая калибровка PEST++ улучшает апостериорное соответствие внутри ансамбля: средняя абсолютная ошибка 17 м против 19 м для априорного ансамбля. Повторный расчёт лучшего набора параметров в полной модели даёт 27 м — хуже некалиброванной базы. Параметры, лучшие в ансамбле, не переносятся.
Что это значит. Оставшаяся ошибка структурна: одинаковая мощность, однородная проводимость зон, качество наблюдений и геометрия участков реки. Их исправление важнее дальнейшего подбора параметров.
4 Модель
Текущий кандидат: что полный водоотбор делает с соответствием
При полном водоотборе из реестра и локальных возвратных водах модель по-прежнему сходится, но соответствие ухудшается относительно апрельской модели. Ухудшение локально и диагностично.
- 381 цель: средняя ошибка −16 м, RMSE 37 м против −7 м и 30 м у апрельской модели
- В радиусе 10 км от Самарканда кандидат понижает уровни в среднем на 31 м; наблюдённые средние 2010–2024 гг. такой воронки не показывают
- Расчётный сток реки у Хазары 54 м³/с против наблюдённых 23 м³/с; избыток — дренажный возврат, питаемый валовыми потерями, а не контур водоотбора
- Глобальные множители проводимости и русла не восстанавливают соответствие
Измерено 14 сентября 2026 г. по scratch/ss_rapid_v1_kdown_sfr_connectivity/scenario_metrics.csv и диагнозу итерации 3 в GAPS.md §5; цель у Хазары взята из ведомости водного баланса.
4 Модель
Пятнадцать лет, месяц за месяцем
Вывод. Нестационарная модель проходит все 180 месячных периодов без осушенных ячеек и с ошибкой баланса ниже 0,02 процента. По 15 491 месячному наблюдению после двухлетней раскрутки средняя абсолютная ошибка 9,5 м. Многолетние уровни воспроизводятся в одних скважинах и смещены на несколько метров в других; сезонный размах в большинстве занижен.
Что это значит. Модель уже можно использовать для вопроса, как уровни реагируют на влажный или сухой год в региональном масштабе. Заниженная сезонная амплитуда указывает на параметры ёмкости, невидимые для стационарной модели.
4 Модель
Сезонная амплитуда указывает на водоотдачу
Вывод. Пятьсот нестационарных запусков варьировали водоотдачу каждой зоны вместе с проводимостью и питанием; сошлись 480. Сезонной амплитудой управляет водоотдача современного аллювия и двух четвертичных террас. Лучший запуск снижает ошибку амплитуды молодого аллювия с 0,39 до 0,23 м, примерно на сорок процентов, при меньшей водоотдаче, чем в литературе.
Что это значит. Литературные значения водоотдачи завышены для этой долины. Нестационарная информация ограничивает параметры, невидимые для стационарной модели, поэтому следующая калибровка должна быть совместной.
4 Модель
Где река получает воду и где теряет
Вывод. За пятнадцать расчётных лет река большую часть года получает воду: подземные воды разгружаются в Зарафшан осенью и зимой, а летом, в пик орошения, когда вода каналов поднимает уровень грунтовых вод, река теряет воду в горизонт.
Что это значит. Это сезонное обращение — ключевая величина для управления. Её масштаб пока неопределён, поскольку она ограничена только уровнями и поскольку некоторые участки реки длиннее одной ячейки; расход у Хазары — недостающая проверка.