Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методы интерпретации режимно-балансовых данных и прогноза водосбора подземных вод в речных долина межгорных впадин (на примере Кафирниган-Илякского участка Гиссарской долины)

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Методы интерпретации режимно-балансовых данных и прогноза водосбора подземных вод в речных долина межгорных впадин (на примере Кафирниган-Илякского участка Гиссарской долины)"

гэс? дарственный комитет

I;.,. >А./ОДНОМУ ОБРАЗОВАН-ГС СССР ?:сслссоски:'5 ордаил лглпшл, ордена октябрьской революции :т

0?ДШ£Л ' ."ГУДОЗСГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УК"Г"РСТГГ~Т ИМ£Ш: М. з. ЛОМОНОСОВ л.

Гоопс'л::;<зс::п;' гаагС/льтег : гидрогеологии

Н-г празал рукописи

УДК 555.3.05

КАЛИНИНА 13л?л-ч Аркадьевна

годе интерпретаций ре;:спмно-балансовых данных п

ПРОГНОЗА ВОДООТБОРА ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РЕЧНЫХ ДОЛИНАХ МЕЖГОРНЫХ ВПАДИН (НА примере кафирниган-илякского участка ГИССАРСКОЙ ДОЛИНЫ)

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогическга наук

МОСКВА -1533

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Геодогкчесжого факультета Московского Государственного Университета 1кенл М.В.Ломоносова

Научный руководитель - доктор техшгческнх тук,

профессор Шестоков В.М.

Официальные оппоненты - доктор геолого-мннералогпчесх

паук, Пааковсхкй ''.С. •

кацдндат гсолсгс-;»5нералогиче наук,ст.научн.сотр.Поздняков

Ведущая организация - Всессвзшй научно-исследовата

сккй институт гидрогеологии п инженерной геологии (ВСЕПШГЕ

Заижта диссертации состоится 7*1990 года в /7 аудитории же на заседании Специализированного Совета Д.053.05.27 при Московском Государственном Университет» ьш.Ы.В.Ломоносова по адресу: 119899, ГШ,.г.Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геолоппес кого факультета МГУ, зона ИА", б этаж.

Автореферат разослан _ 1990 годг

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 115399, ГШ, г.Москва, Ленинские гори, ИГУ, Геологический факультет, Ученоь секретарю Специализированного Совета, доктору геолого-укнераас гических наук, профессору Л.С.Гарагуля.

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор геолого-шшералогнчеекпг каук, профессор

Л.С.Гарагуяя

•: •!' ■ -Ц ОЕШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

, •• Актуальность проблемы. Речные долины межгорных впадин пред-•авляют собой наиболее интенсивно осваиваемые территории Сред-¡¡ЙиаШскьго региона, развитие народного хозяйства в пределах (торых требует все более полного использования водных ресурсов, ¡жду тем, практически единственным источником водоснабжения в 'их районах являются подземные воды, приуроченные к аллювиаль-м отложениям речных долин. В связи с этим задачи прогноза во-ютбора подземных вод и обоснования исходных данных приобретают ¡рвоочередное значение. Как показывает опыт существующих иссле-(ваний, на прогнозную балансовую структуру водоотбора подземных д основное влияние оказывает пространственно-временная измен-шость параметров взаимосвязи поверхностных и подземных вод. юсобы ее определения нуждаются в дальнейшем развитии традици-шых и разработке новых методов интерпретации опып -фильтраци-юых наблюдений. Недостаточно разработанными являются также спо->бы учета временной изменчивости параметров взаимосвязи поверх-1стных и подземных вод и других гидродинамических особенностей, юйственных месторождениям подземных сод данного типа в прогноз-ос расчетах. Это обуславливает необходимость создания эффектив-к алгоритмов решения эпигнозных и прогнозных задач.

Целью работы являлась разработка методов определения гео-шьтрационных параметров по ланнда опытно-фильтрационных наблю-¡ний и проведения прогнозных расчетов эксплуатационных запасов |дземных вод в речных долинах межгорных впадин на примере Ка-[рниган-Илякского участка Гиссарской долины.

Задачи, которые необходимо было решить в работе, состояли следующем:

- ЕЬщеление гидродинамических особенностей, характерных для ¡сторождений подземных вод данного типа и обоснование геофильт-щионных схем для решения эпигнозных и прогнозных задач.

- Разработка методов интерпретации опытно-фильтрационных владений на локальной сети наблюдательных скважин в условиях явственного и нарушенного режима подземных вод для определения ¡офильтрационных параметров строения.

- Обоснование геофильтрационной схемы потока подземных вод > данным опытно-фильтрационных наблюде1«й на региональной сети 1блцдательных скважин.

- Создание эффективных алгоритмов решения прогнозной задачи и изучение факторов, оказывающих наибольшее влияние на результат! прогнозных расчетов.

Общая методика выполнения работы включала анализ и обобщеюм фактических и литературных данных, проведение опытно-фильтрационных наблюдений на участках проектируемого и действующего водозаборов, изучение опыта эксплуатации действующего водозабора, обоснование и разработку расчетных алгоритмов и проведение численных экспериментов с использованием ЭВМ.

Научная новизна работы: I. Разработаны эффективные алгоритм определения пространственно-временной изменчивости параметров взаимосвязи подземных и поверхностных вод и оценки других геофшп трационных параметров по данным опытно-фильтрационных наблюдений на локальной (линейной) и площадной сети наблюдательных скважин; 2. Сформулированы представления о строении русловшс отложений с пониженными фильтрационными свойствами и предложен способ обоснования временной изменчивости параметров взаимосвязи подземных и поверхностных вод в прогнозных расчетах; 3. Разработана система прогнозных геофильтрационных моделей, позволяющих учесть практически все гидродинамические особенности, присущие месторождениям подземных вод рассматриваемого типа, и показана область их применения для прогноза водоотбора подземных вод.

Практическая значимость работы состоит в том, что для речных долин горных рек (по типизации Б.В.Боревского), рассмотренных на примере Кафирниган-Илякского участка Гиссарской долины, разработаны способы интерпретации опытно-фильтрационных наблюдений и про ведения прогнозных расчетов, которые могут быть использованы для решения эпигнозных и прогнозных задач в аналогичных условиях. Выводы, сделанные относительно организации и постановки опытно-фильтрационных наблюдений и значимости геофильтрационных параметров для оценки эксплуатационных запасов подземных вод,могут служить основой для определения целевой направленности разведочных работ.

Реализация результатов. Полученные в работе результаты и выводы вошли в научный отчет Южно-Таджикской партии кафедры гидрогеологии Геологического факультета ИГУ и были использованы Южной гидрогеологической экспедицией ПО "Таджикгеология" при обосновали эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения г.Душанбе и их защите в ГКЗ СССР. Разработанное программы нашли применение в Гомельском Университете, Московском Геологоразведочном Ин-

ституте.

Аппробация работы: основные положения диссертации изложены в 5 печатных работах. Результаты исследований докладывались на 2-ом Всесоюзном научном совещании "Моделирование и прогнозирование изменений природных условий при перераспределении водных ресурсов" (Новосибирск, К1.6), на 13, 14, 15 и 16 конференциях молодых ученых Геологического факультета МГУ (Москва, 1986, 1987, 1988, 1989), на научном семинаре кафедры гидрогеологии МГУ (Москва, 1988). Основные положения работы вошли также в научные отчеты Ежно-Таджикской партии кафедры гидрогеологии Геологического факультета МГУ (1987, 1990).

Объем работы: диссертационная работа состоит из введения, .4 глав, выводов и приложения. Содержит 150 страниц машинописного текста, 19 таблиц, 44 рисунка. Список литературы включает 116 наименований.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, профессору В.М.Шестакову за помощь в выборе направления работы, постоянное внимание и поддержку, а также признателен доц. Р.С.Штенгелову, ст.н.сотр. И.К.Невечеря, ст.н.сотр. Р.М.Никитину, ы.н.с. В.Л.Веселовой за полезные консультации и помощь при подготовке работы.

Большое значение для автора имело сотрудничество со специалистами Южной гидрогеологиче -ой экспедиции ПО "Таджикгеологкя", которые оказали помощь автору в исследованиях и сборе полевых материалов, положенных в основу диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается геолого-гидрогеологические условия Кафирниган-Илякского участка Гиссарской долины (Южный Таджикистан) и ставятся основные задачи исследований.

Район работ (средняя часть Гиссарской долины) представляет собой микробассейн, границами которого с севера и юга являются слабопроницаемые лессовидные суглинки второй надпойменной террасы среднечетвертичного возраста, с востока и запада - поперечные долине Андыгенское и Кафирниганско-Душанбинское поднятия. Долина имеет небольшую ширину, значительный уклон с востока на запад. Подземные воды приурочены к мощной толще (до 500 и и более) ва-лунно-галечниковых отложений четвертичного ьозраста аллювиального генезиса, которые снизу вверх по разрезу представлены Кулябским ( Qr ), Илякским ( Qij ), Душанбинским ( Qb) и Амударьинским

( 13^.) комплексами, имеющими неодинаковое распространение в плане. Геофильтрационная схематизация этих отложений, в связи с их значительной мощностью и однотипным составом, может быть проведена только на основе совместного анализа геолого-литологического, геоэлектрического строения и результатов опытно-фильтрационного опробования.

Представления о геофильтрационном строении разреза, полученные таким образом, сводятся к следующему. Фильтрационные свойства водовмещающих отложений являются неоднородными, что проявляется в наличии слоев, имеющих различные коэффициенты фильтрации. Границы между этими слоями в общих чертах совпадают с границами между разновозрастными четвертичными-отложениями. Можно вццелить два типа разреза, которые различаются геофильтрационным строением верхнего 100-метрового интервала.

Разрез первого типа может быть представлен в виде 2-слойной схемы. Значения горизонтальных коэффициентов фильтрации 1-го слоя (интервал 0-100 м) лежат в диапазоне 60-80 м/сут. Значения вертикальных коэффициентов фильтрации составляют 30-35 м/сут (интервал 0-40 м) и 15-20 м/сут (интервал 40-100 м). Анизотропия фильтрационных свойств может быть связана, по-видимому, с наличием прослоев и линз конгломератов на карбонатном цементе в толце валунно-галечниковых отложений, закономерностей распределения которых по глубине на имеющемся материале установить невозможно. Надежные данные о фильтрационных свойствах 2-го слоя (интервал 100-500 м) практически отсутствуют. По предварительным оценкам, значения его коэффициентов фильтрации изменяются от I до 10 м/сут.

Разрез второго типа может быть представлен в виде 3-слойной схемы. Мощность 1-го слоя при этом сокращается до 40-50 м. В интервале 40-100 м выделяется дополнитель?!ый слой с горизонтальными коэффициентами фильтрации 30-40 м/сут. Вертикальные коэффициенты фильтрации верхней 100-метровой части разреза остаются такими же, как и в случае первого типа.

Плановая неоднородность водовмещающих отложений проявляется в наличии зон с повышенной проводимостью (6000-8000 ы2/сут) в осевой части долины, что связано с особенностями ее тектонического строения. Зоны с пониженными значениями проводимости (1500 м2/сут) расположены в прибортовых частях, в которых наблюдается сокращение мощностей четвертичных отложений и увеличение содержания глинистых частиц в составе валунно-галечникового материала.

Отсутствие выраженных слабопроницаемых слоев в разрезе, со-

поставимые значения коэффициентов фильтрации различных его интервалов и наличие дифференциации напоров с глубиной только в зонз резкой деформации потока вблизи несозчркекных водотоков и водозаборных скважин позволяют рассматривать водовмещающие отложения как единый водоносный горизонт.

Основным источником питания подземных вод являются поверхностные воды реки Кафирниган. Разгрузка потока происходит в реку Кафирниган и ее левый приток реку Иляк в нижнем их течении и частично за счет испарения. Поток подземных вод интенсивно взаимодействует с потоком поверхностных вод вдоль русел этих рек, причем характер, направленность и интенсивность процессов взаимодействия сменяется по их длине, участки разгрузки чередуются с участками поглощения речного стока (И.О.Фиделям). В таких условиях можно ожидать существенной неоднородности русловых обложений и, следовательно, параметров взаимосвязи поверхностных и подземных вод на различных участках рек. При этом по данным гидрометрии уверенно могут быть оценены только суммарные величины питания и разгрузки по рекам.

.Многолетняя изменчивость гидродинамического режима подземных вод может считаться незначительной. Во внутригодовсм разрезе он является существенно нестационарным. Наибольшее распространение имеет смешанный тип режима, который формируется под воздействием сразу нескольких факторов: г' рологических, ирригационных и климатических. Специфической чертой режима в прибрежной зоне реки Кафирниган является превышение подъемов уровней подземных вод над соответствующими изменениями уровней в реке, которые наблюдаются как в естественных, ¡гак и нарушенных эксплуатацией условиях. Это явление может быть связано с изменением пропускной способности ложа реки, которая увеличивается в паводок и уменьшается в меженный период. Для русла реки Кафирниган характерна, кроме того, ежегодная миграция, сопровождающаяся активной переработкой русловых отложений.

На западе и на востоке рассматриваемого района находятся 2 действующих водозабора подземных вод (Кафирниганский и Итокский), которые работают в квазистгционарном режиме. В период зимней межени, .в результате уменьшения пропускной способности русла реки Кафирниган происходит снижение уровней подземных вод в зоне расположения этих водозаборов, сопровождающееся отрывом депрессион-ной воронки от подошвы слабопроницаемого слоя под рекой, и частичная сработка емкостных запасов. В паводковый период в связи с

увеличением пропускной способности русла, наблюдается подъем уровней и восполнение емкостных запасов. Амплитуда внутригодовых колебаний уровней составляет 6-10 м.

Таким образом, на Кафирниган-Илякском участке Гиссарской долины проявляются практически все особенности, характерные для месторождений подземных вод речных долин горных рек, выделенных в отдельный подтип Б.В.Боревским (1986). К этим особенностям-относятся: существование единого горизонта безнапорных подземных вод в мощной толще валунно-галечниковых отложений, пространственная неоднородность фильтрационных свойств водовмещающих отложений, пространственно-временная изменчивость параметров взаимосвязи поверхностных и подземных вод, различная структура потока (2-мерная или 3-мерная) в различных его областях.

Предварительная геофильтрационная схематизация природных условий позволила обосновать постановку задач опытно-фильтрационных наблюдений (ОФН) и прогнозных исследований на месторождениях подземных вод данного подтипа.

Во второй главе работы рассматриваются вопросы интерпретации ОФН на локальной (линейной) сети наблюдательных скважин для участков с нарушенным эксплуатацией и естественным режимом подземных вод. Такое подразделение обусловлено различиями в моделях процесса и способах решения эпигнозных задач в тех и других условиях. Кроме того, на участках нарушенного режима основное внимание было уделено оценке изменчивости параметров взаимосвязи поверхностных и подземных вод, на участках естественного режима -их пространственной неоднородности в зоне расположения проектируемого водозабора.

Условия нарушенного режима были рассмотрены на примере действующего Итокского берегового водозабора подземных вод. В результате было показано, что режим подземных вод определяется, в основном, притоком речных вод и характером водоотбора, влияние которого распространяется и на противоположный берег реки Кафирниган. Значительные амплитуды колебаний связаны с изменением пропускной способности ее ложа и режима фильтрации речных вод в течение года. При относительно равномерной работе водозаборных скважин поток имеет профильную, при резко неравномерной - пространственную структуру.

Параметры геофильтрационного строения верхней части разреза могут быть получены в результате обработки специально организованных кратковременных наблюдений за запуском и остановкой одной

ь...

из эксплуатационных скважин. Для этого может быть принята схема осесимметричной фильтрации и использованы существующие алгоритмы интерпретации опытных откачек в аналогичных условиях.

Основное внимание на этапе геофильтрационной схематизации было уделено изучению строения верхней части русловых отложений, от которого зависит механизм изменения их проницаемости. Для этого был проведен качественный и количественный анализ гранулометрического состава заполнителя валунно-галечниковых отложений, отобранных в шурфах, пройденных по двум профилям, перпендикулярным урезу реки. Оказалось, что верхняя часть отложений реки Кафир-ниган характеризуется пониженными фильтрационными свойствами, неоднородными в плане и разрезе. Пониженная проницаемость объясняется наличием глинистых, пылеватых и тонкозернистых частиц с размером менее 0,1 мм, неоднородность фильтрационных с. >йств - различной интенсивностью их накопления в основном русле реки и ее отдельных рукавах и протоках. В верхнем интервале разреза наблюдается также чередование прослоев с существенно различными коэффициентами фильтрации. Общая вертикальная проницаемость этого интервала определяется наличием слабопроницаемых прослоев с низкими коэффициентами фильтрации (менее I м/сут). Механизм изменения проницаемости может быть связан с размывом слабопроницаемых прослоев в паводок и образование новых таких прослоев в меженный период. Слоистое строение русловых отложений свидетельствует, по-видимому, о том, что их образование происходит в результате заиливания.

В рассматриваемых условиях принципиальным вопросом является определение расчетных значений параметров взаимосвязи поверхностных и подземных вод, к которым относятся коэффициент фильтрации ( К0 ) и мощность ( т,) русловых отложений с пониженными фильтрационными свойствами, коэффициент их перетока (по В.М.Шестакову), который представляет собой отношение Ке/т0.

Оценить мощность относительно слабопроницаемого слоя по наблюдениям за уровнями подземных и поверхностных вод практически невозможно. Это связано с тем, что на снижение уровней в после-паводковый период основное влияние оказывает уменьшение пропускной способности русла реки, отрыв депрессионной воронки происходит постепенно, а не сразу по всей ее ширине, поэтому определить момент наступления свободного режима фильтрации достаточно трудно. В связи с этим в результате решения эпигнозной задачи могут быть получены только значения коэффициента перетока.

Проведенные исследования показали, что для обработки длительных наблюдений в периоды относительно стабильной работы водозабора может быть использована профильная модель стационарной фильтрации. Эффективный алгоритм решения прямой задачи длд этой модели на основе численно-аналитических решений, позволяет осуществлять автоматический подбор коэффициента перетока в различные периоды времени. Пространственную модель фильтрации рекомендуется использовать только в периоды существенно неравномерной работы эксплуатационных екзажин.

На точность определения коэффициента перетока практически не оказывают влияния геофильтрационные параметры нижней части разреза, поэтому специальная их оценка по данным кратковременных наблюдений может не проводиться.

Русло реки задается полной шириной, неизменной во времени, без учета реального расположения отдельных ее рукавов. Полученные значения коэффициента перетока для реки, заданной таким образом, являются усредненными при использовании данных наблюдений на обоих берегах реки. Временная изменчивость коэффициента перетока отражает при этом как изменения проницаемости русловых отложений, так и изменение сечения реки. Как уже отмечалось выше, оценить реальную мощность слабопршицаемого слоя под рекой практически невозможно. На основе временной изменчивости, полученной для коэффициента перетока, на профильной модели нестационарной фильтрации может быть подобрано только ее минимально возможное значение, при котором сработка емкостных.запасов в меженный пери-' од будет полностью компенсироваться в паводковый период, аналогично тому, как это наблюдается в существующих условиях.

В результате интерпретации длительных наблюдений на Итокском водозаборе была получена временная изменчивость коэффициента перетока для 4-летнего периода на двух наблюдательных участках. Различия в значениях коэффициентов перетока на этих участках практически исчезают при использовании данных наблюдений на обоих берегах реки. Минимальные в течение года значения характеризуются относительной стабильностью, максимальные - существенно отличаются. Среднемесячные значения коэффициента перетока хорошо корре-лируются со среднемесячными величинами расходов реки. При этом наблюдаются различные зависимости коэффициентов перетока от расходов реки в период спада и подъема уровней. Это свидетельствует о том, что причины его изменчивости в эти периоды также различны. Можно, по-видимому, предположить, что при спаде уровней основную

роль играет уменьшение иириш рскк, при подьеке - процесс переработки руслоЕЫх отложений.

Условия естественного режима были расскотрл:*: нп. участке разведки проектируемого водозабора, расположением б нескольких километрах ниже по теченгаэ реяи Кафирниган от í'tckckopo водозабора. Для сценки значений коэффициента перетока на этом участке была обоснована возможность использования кратковременных наблюдений за микроколебаниями уровней в реке и водоносном горизонте, которые фиксируются в летний период и связаны с внутрисуточными колебаниями речного стока. Характер этих мгкроколебаний определяется только условиями взаимосвязи подзем) ш: вод с водотоком, коэффициент перетока экранирующих отложений которых может считаться неизменнш для непродолжительного периода проведения опыта. Амплитуда колебаний составляет 10-15 см, период - I сут. Особенностями данной задачи являются: неоднородное слоистое строение водовмеца-юцгос отложений в разрезе, профильная структура потока и периодический характер граничной функции, которая может быть представлена следующим .образом: Н(ЛО = .Яо- Sin n-t/TS ),гдз Hf.lt"iрозань реки, , - амплитуда и период колзбакп:'.

. Решение прямой задачи было получено в виде Si = Cli(X)- Sin

где Ct¿(x) - амплитуда колебаний понижений ( S¿ ), if¿.(x) - время запаздывания между прохо\ .-¡ниш максимальных (минимальных) понижений уровней в реке ив L -ом слое водоносного горизонта в точке, расположенной на расстоянии X от уреза реки. Для нахождения значений Ск(х) и используется конечное преобразование Фурье исходной системы дифференциальных уравнений и численно-аналитический метод ее реаения. Преимуществами данного подхода являются: отсутствие погрешностей конечно-разностной аппроксимации в направлении X и высокая скорость счета. Разработанный эффективный алгоритм решения прямой задачи позволяет осуществлять автоматический подбор неизвестных параметров на основе минимизации среднеквадратичного отклонения вычисленных значений CLi(x) от наблюдаемых.

В результате серии тестов для типичного геофильтрационного строения разреза было показано, что для достоверной оценки значений коэффициента перетока ( jCo ) его поиск должен проводиться совместно с коэффициентом гравитационной емкости ( JU ), погрешности в определении которого оказывают существенное влияние на решение обратной задачи.

В случае неоднородного строения верхней части разреза при отсутствии данных о коэффициентах фильтрации верхнего, наиболее водообильного интервала (К^), с допустимой точностью могут быть определены только соотношения /и / к, и / ,

Кроме того, в результате интерпретации рассматриваемых наблюдений могут быть оценены значения коэффициентов фильтрации нижней части разреза или прослоев с пониженными фильтрационными свойствами, расположенных в верхней его части.

Для повышения точности определения искомых значений геофильтрационных параметров были даны рекомендации по размещению наблюдательных скважин.

Разработанный метод решения эпигнозной задачи в данной постановке позволил оценить значения коэффициента перетока, гравитационной емкости и коэффициента фильтрации нижней части разреза на участке проектируемого водозабора и сделать выв с,, о сходном геофильтрационном строении этого участка и Итокского водозабора.

В третьей главе работы была рассмотрена задача интерпретации ОФН на площадной сети наблюдательных скважин, необходимых для оценки пространственной изменчивости коэффициентов перетока экранирующих отложений рек Кафирниган и Иляк и обоснования геофильтрационной схемы потока подземных вод в пределах всей исследуемой территории.

Сложный характер нестационарного гидродинамического режима подземных вод (особенно в прибрежной зоне рек) и наличие по крайней мере нескольких факторов в его формировании делает возможным решение данной задачи только в стационарной постановке в периоды относительной стабилизации уровней во время зимней межени или в среднегодовом разрезе. Учитывая значительные размеры рассматриваемой территории по сравнению.с мощностью водовмещаицих отложений,, может быть принята схема планового потока. В связи с существенной плановой неоднородностью геофильтрационных параметров для решения прямой задачи был выбран неявный метод переменных направлений.

Для решения обратной задачи были исследованы возможности численно-аналитического поиска минимума функции качества, которая была определена как сумма квадратов отклонений вычисленных значений напоров от экспериментальных во всех наблюдательных точках. Изменения напоров относительно изменений неизвестных- параметров были представлены в веде линейной зависимости.

Эпигнозная задача была разбита на 2 этапа. На 1-ом этапе искались участки рек, неоднородные по интенсивности питания ижи

разгрузки, и соответствующие величины расходов, для чего использовались данные о меженном положении уровней подземных вод. Данная постановка позволила применить метод функций влияния для автоматического поиска неизвестных расходов, обосновать положение границ между зонами с различными их значениями вдоль русел рек, исключить ошибки, связанные с погрешностями в задании условий водотоков на модели. Исходя из найденных значений расходов рассчиг -ваются значения параметра л Ь .

* Для оценки значений коэффициентов перетока экранирующих отложений рек было проведено сопоставление рассчитанных по известной аналитической формуле и численно зависимости д Ь ( у о ) и даны рекомендации по их применению в случае рассматриваемого неоднородного слоистого строения разреза.

На 2-ом этапе неизвестной являлась интенсивность среднегодового результирующего инфильтрационного питания потока, для поиска которой использовался аналогичный подход и данные о среднегодовом положении уровней подземных вод.

В качестве способа оценки достоверности результатов решения был предложен анализ чувствительности модели к изменению основных гидродинамических параметров и характера распределения вычисленных значений напоров от наблюдаемых.

Основными результатами интерпретации ОФН на Кафирниган-Иляк-ском участке Гиссарской долины являются следующие:

- Вдоль русел рек Кафирниган и Иляк были вьщелены зоны, неоднородные по интенсивности питания и разгрузки, определены величины соответствующих расходов и коэффициентов перетока экранирующего слоя. При этом оказалось, что для коэффициентов перетока реки Кафирниган характерна существенная неоднородность, связанная с различным распределением глинистого материала в верхней части русловых отложений и гидрологическим режимом реки на отдельных ее участках. Проницаемость русловых отложений реки Иляк значительно ниже и меняется незначительно, уменьшаясь только в самом нижнем

ее течении, где река меняет свое направление и начинает сильно ме-авдрировать. Отсутствие пространственной изменчивости коэффициента перетока реки Иляк объясняется, по-видимому, едиными условиями формирования слабопроницаемого слоя и однотипным характером русла практически на всем его протяжении, низкие значения - существенной заглиниаированностьв верхней частя разреза, характерной для прибортовнх участков дожхнн.

- ВВД> уточнено значение суммарной проводимости водовмецав-

цих отложений в самой большой по площади из выделенных зон и отмечены участки притока подземных вод со стороны горного обрамления долины.

- В областях с низкой плотностью распределения наблюдательных сквп' г.н было'обосновано среднегодовое и меженное положение уровней потока подземных вод.

- Были определены величины среднегодового результирующего инфильтрационного питания атмосферными осадками и за счет орошения и фильтрации из ирригационной сети, которые оказались существенно различными для зон, расположенных севернее реки Кафирниган, южнее реки Иляк и в междуречьи этих рек.

В четвертой главе работы рассматриваются вопросы обоснования геофильтрационной схемы потока для прогноза водоотбора подземных вод, методы прогнозного моделирования, учитывающие гидродинамические особенности месторождений данного типа, и значимость геофильтрационных параметров с точки зрения решения прогнозной задачи.

Основное внимание на этапе геофильтрационной схематизации было уделено обоснованию временной изменчивое, и коэффициента перетока экранирующих отложений реки Кафирниган на весь расчетный срок эксплуатации. Анализ внутригодового и многолетнего распределения расходов реки, полученные представления о взаимосвязи стоковых ее характеристик с величинами коэффициентов перетока и строении русловых отложений с пониженными фильтрационными свойствами ..изволили сделать вывод о том, что для функции,определяющей временную изменчивость коэффициента перетока, можно выделить период повторяемости, равный I году. Изменения коэффициента перетока в течение года обусловлены в большей степени изменением проницаемости слабопроницаемого слоя под рекой, в меньшей степени - изменением его мощности.

Решение прогнозной задачи в условиях, типичных для речных долин горных рек, рассмотренных на примере Кафирниган-Илякского участка Гиссарской долины, может быть проведено с использованием двух подходов. Первый подход состоит в создании единой пространственной модели неоднородного в плане и разрезе потока подземных вод с переменными во времени внутренними граничными условиями, второй - в разработке системы гидродинамических моделей, которые позволяют учесть с разной степенью необходимой детальности всю . совокупность существующих условий. Область применения первого подхода весьма ограничена в связи со сложностью численной реализации пространственных моделей с переменными во времени параметрами

взаимосвязи поверхностных и подземных вод и их информационного обеспечения. Эффективность Еторого подхода обусловлена тем, что при рассмотрении каждой входящей в систему модели используются возможности упрощения геофильтрационной схемы без потери информации. Основаниями для такого упрощения являются: локальный характер пространственной структуры потока (только в зоне расположения несовершенного ряда водозаборных скважин и водотока), определи. -цая роль временной изменчивости перетока экранирующих отложений реки на формирование внутригодовой структуры эксплуатационных запасов подземных вод.

Дифференцированный подход к решению прогнозной задачи позволяет оценить влияние кяздого фактора в отдельности на результаты ее решения, использование более простых схем - сократить время счета, что особенно важно при рассмотрении большого количества альтернативных вариантов.

Разработанная система включает модели плановой, танейной, профильной и пространственной (пласт - полоса) фильтрации.

В качестве осноеной прогнозной модели, позволяющей учесть плановую неоднородность гидродинамических параметров, различные внутренние и внешние граничные условия при прогнозе среднегодовых понижений на линии водозаборных скважин и в пределах всей рассматриваемой территории, рекомендуется использовать плановую модель нестационарной фильтрации с предложенным В.М.Иестаковым введением обобщенной системы сопротивлений, учитывающих деформация потока вблизи водотока и ряда несовершенных скважин. Значения сопротивлений, входящих в систему, рассчитываются при неоднородном геофильтрационном строении водовмещающих отложений в разрезе на вспомогательных-моделях профильной стационарной фильтрации. Это позволяет расчленить расходы, поступающие непосредственно из реки и с различных ее берегов к линии водозаборных,скважин. Возможность учета на плановой модели с врезкой неоднородного слоистого строения и задания в одном блоке линии скважин и водотока была доказана в результате тестовых расчетов..

Среднегодовое значение коэффициента перетока экранирующих отложений реки в зоне расположения водозабора, которое используется в прогнозных расчетах на плановой модели, определяется на линейной модели фильтрации. Среднегодовым значением считается при этом такое, при котором среднегодовые понижения на линии водозаборных скважин, полученные с учетом и без учета внутригодовой изменчивости коэффициента перетока, практически совпадает.

Для определения максимальных и минимальных понижений на ли- • нии водозаборных скважин в течение года при достижении квазистационарного режима фильтрации и оценки изменений в гидродинамическом режиме подземных вод в зоне влияния водозаборного сооружения (локальный прогноз) разработана профильная нестационарная модель фильтрации, учитывающая внутригодовую изменчивость коэффициента перетока экрана реки. Для перехода от плановой модели к профильной используется среднегодовой удельный приток речных вод к линии водозаборных скважин ( ). Он может быть рассчитан в результате сопоставления этих моделей по соотношению:

1 = $т/>: С / п)>

где qTр. - удельный расход водозабора, <5ЛС » Sac - средние понижения на линии несовершенных скважин, полученные на плановой и профильной моделях соответственно.

Дополнительные понижения в эксплуатационных скважинах, вызванные их гидродинамическим несовершенством и дискретным расположением, . рассчитываются на пространственной модели фильтрации для изолированной полосы, включающей одну скважину. При этом учитывается взаимодействие зон резкой деформации потока вблизи реки и водозаборного ряда. Как показали тестовые расчеты, определение дополнительных понижений без учета влияния реки приводит к их завышению в 1,5-3 раза в зависимости от параметров геофильтраци-нного строения разреза.

Анализ значимости геофильтрационных параметров с использованием разработанной системы моделей показал, что для повышения надежности прогнозных расчетов в рамках субрегиональных моделей изучение геофильтрационного строения в зоне расположения водозабора должно быть направлено в первую очередь на оценку суммарной проводимости водовмецащих отложений и проводимости эксплуатируемого интервала. Для повышения надежности прогнозных расчетов в рамках локальных моделей основные исследования должны быть ориентированы на определение мощности слабопроницаемого слоя под рекой и расчетных значений гравитационной водоотдачи. При этом имеется в виду, что ведущая .роль пространственно-временной изменчивости значений коэффициента перетока и в том и другом случае достаточно очевидна.

Проведенные исследования показали, что в рассматриваемых условиях прогнозные величины расходов, поступающих к линии водозаборных скважин с одной стороны и к урезу противоположного берега реки, с другой стороны, практически не зависят от параметров reo-

фильтрационного строения разреза. Дополнительные понижения в водозаборных скважинах определяются только проводимостью эксплуатируемого интервала и являются постоянными во времени. При этом поправка на дискретное расположение скважин хорошо описывается известным аналитическим выражением (ряд совершенных скважин у границы 3-го рода), поправка на несовершенство с допустимой точностью может быть получена только на пространственной модели.

Таким образом, можно рекомендовать следующий упрощенный алгоритм решения прогнозной задачи. Плановая модель фильтрации используется один раз для определения прогнозных среднегодовых значений расходов, поступающих к линии водозаборных скважин. Основной объем расчетов выполняется на профильной модели нестационарной фильтрации для альтернативных вариантов геофильтрационного строения разреза, в результате чего определяются минимальные и максимальные понижения на линии скважин. Расчеты на пространственной модели фильтрации проводятся также один раз для сценки поправки на несовершенство эксплуатационной сквэ- -ны. Поправка на дискретное расположение для различных вариантов расстановки скважин рассчитывается аналитически.

В приложении приводятся:численно-аналитическое решение прямой задачи профильной стационарной фильтрации в неоднородном слоистом потоке с заданной несовершенной линией водозаборных скважин и несовершенным водотоком; численно-аналитическое решение прямой задачи профильной квазистационарной фильтрации в неоднородном слоистом потоке с периодическим изменением уровней несовершенного водотока; численное решение пространственной задачи фильтрации для полосы, включающей одну эксплуатационную скважину, с использованием конечного косинус-преобразования Фурье.

Разработанные методы решения прогнозной задачи были опробованы при оценке эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения города Душанбе.

ВЫВОДЫ

I. На рассматриваемом объекте исследований (Кафирниган-Иляк-ский участок Гиссарской долины) проявляются практически все гидродинамические особенности, характерные для месторождений подземных вод речных долин горных рек (по Б.В.Боревскому, 1986): наличие единого водоносного горизонта грунтовых вод в мощной толще аллювиальных валунно-галечниковых отложений четвертичного возраста, пространственная неоднородность фильтрационных свойств водовмеща-щих отложений, пространственно-временная изменчивость параметров

взаимосвязи поверхностных и подземных вод, существенно нестационарный режим подземных вод во внутригодовом разрезе, пространственная структура потока вблизи нчсовзрланаих водотоков и водозаборных сооружений.

Эти особенности определяют целевую направленность, постановку и методы интерпретации опытно-фильтрационных наблюдений и способы решения прогнозных задач. Принципиальное значение имеет определение пространственно-временной изменчивости параметров взаимосвязи поверхностных и подземных вод, которая оказывает основное влияние на формирование эксплуатационных запасов подземных вод месторождений данного подтипа. К этим параметрам относятся: коэффициент фильтрации и мощность русловых отложений с пониженными фильтрационными свойствами и их отношение (коэффициент перетока).

2. Временная изменчивость коэффициента перетока, экранирующих отложений водотока может быть получена только по данным специально организованных опытно-фильтрационных наблюдений на действующих водозаборах, включающих кратковременные наблюдения за уроьнями подземных вод при включении или отключении одной иэ эксплуатационных скважин и длительные наблюдения за уровнями подземных вод на обоих берегах реки, уровнями в реке и расходом водоот-бора.

Кратковременные ОФН позволяют определить параметры геофильт-_.ационного строения разреза верхней, наиболее водообильной части водовмещапцих отложений, длительные ОФН - осредненные по всей ширине реки значения коэффициентов перетока экранирующих отложений, которые могут рассматриваться в качестве расчетных при решении прогнозных задач. Временная изменчивость коэффициента перетока, полученная таким образом, отражает как изменения проницаемости русловых отложений, так и изменения сечения реки. ОФН данного типа позволяют оценить только минимально возможную мощность русловых отложений с пониженной проницаемостью. Методы определения реальной их мощности нуждаются в дальнейшей разработке.

3. Для обоснования пространственной изменчивости коэффициента перетока на отдельных "участках (локальная сеть наблюдательных скважин) могут быть использованы данные кратковременных ОФН за микроколебаниями уровней подземных и поверхностных вод, дополняющих комплекс ОФР. Эти наблюдения позволяют оценить значения коэффициента перетока, гравитационной водоотдачи, горизонтальных коэффициентов фильтрации нижней или вертикальных коэффициентов

фильтрации верхней части разреза. Способы интерпретации длительных ОФН в условиях естественного гидродинамического режима не рассматривались и должны стать предметом будущих разработок.

4. Для оценки возможностей дальнейшего развития водоотбора подземных вод в пределах всей долины и обоснования положения гид-роизогипс потока в областях с низкой плотностью распределения наблюдательных скважин необходима схема пространственной неоднородности коэффициента перетока экранирующих отложений основных водотоков. Такая схема может быть получена в результате интерпретации 0£Н на площадной сети наблюдательных скважин с использованием данных балансовых исследований по рекам на базе геофильтрационной модели всего изучаемого района. Открытыми при этом остаются вопросы, касающиеся количественных критериев оценки достоверности результатов эпигнозного моделирования.

5. Для обоснования временной изменчивости параметров взаимосвязи поверхностных и подземных вод на весь расчетный срок эксплуатации необходимо изучение строения еле проницаемого слоя под рекой. Для этого могут быть использовав данные гранулометрического состава заполнителя валунно-галечниковых отложений и их удельных электрических сопротивлений. Прогноз временной изменчивости коэффициента перетока экранирующих отложений может быть построен на основе анализа взаимосвязи его значений со стоковыми характеристиками реки.

6. В рассматриваемых условиях верхняя часть русловых отложений сформировалась, по-видимому, в результате заиливания и представляет собой чередование слоев с существенно различными коэффициентами фильтрации. Наличие слабопроницаемых прослоев обуславливает их пониженную вертикальную проницаемость, которая различна для отложений основного русла реки и ее отдельных рукавов и проток. Плановая неоднородность русловых отложений связана с условиями формирования заиленного слоя на участках с различными гидрологическими характеристинами реки. Механизм изменения проницаемости русловых отложений связан, вероятно,- с размывом слабопроницаемых прослоев, расположенных в самой верхней части разреза. Внут-ригодовые изменения коэффициента перетока в большей степени обусловлены изменением коэффициента фильтрации, в меньшей степени -мощности слабопроницаемого слоя под рекой. Функция, определяющая временную изменчивость коэффициента перетока, характеризуется периодом повторяемости, равным I году. Полученные представления

о строении русловых отложений требуют более четких доказательств.

7. Для прогноза водоотбора подземных вод в условиях речных долин горных рек рекомендуется использовать геофильтрационные модели разной структуры, которые позволяют,с одной стороны, учесть все особенности протекания процесса фильтрации, с другой стороны - существенно повысить скорость расчетов и оценить влияние на результаты решения каждого фактора в отдельности. Прогноз среднегодового распределения понижений в пределах всей рассматриваемой территории проводится при этом на плановой модели фильтрации с пространственной врезкой в зоне расположения водозабора, что позволяет учесть неоднородное строение разреза, несовершенство линии скважин и реки. Прогноз максимальных и минимальных понижений на линии скважин и амплитуды их внутригодовых колебаний проводится на локальной модели профильной фильтрации, учитывающей временную изменчивость параметров взаимосвязи поверхностных и подземных вод. Дополнительные понижения в самих эксплуатационных скважинах рассчитываются на локальной модели пространственной фильтрации.

8. Наибольшее вл:!яние на результаты прогноза в рамках субрегиональной модели оказывает пространственная неоднородность коэффициента перетока и суммарная проводимость водовмещающих'отложений в зоне расположения водозабора, в рамках локальной модели - временная изменчивость коэффициента перетока, мощность русловых отложений с пониженной проницаемостью, гравитационная емкость водовмещающих отложений. На изучение этих параметров должно быть направлено основное внимание при организации разведочных работ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Определение параметра взаимосвязи поверхностных и подземных вод по данным режимных наблюдений на участке действующего водозабора, Таджикистан. - В сб.: Гидрогеол. Материалы ХШ науч. . конф. мол.ученых геол. фак. МГУ, Москва, 4-7 апр. 1986, М., 1986, (Рукопись депонирована в ВИНИТИ 20.04.87 Деп. 2744-В87), с.57-75. (В соавторстве с И.В.Авилиной).

2. Геофильтрационное моделирование береговых водозаборов в речных долинах. - В сб.: Моделирование и прогнозирование изменений природных условий при перераспределении водных ресурсов. Тезисы докладов ко второму Всесоюзному научному совещанию, 11-13 февраля, 1987, Новосибирск, с.61. (В соавторстве с В.М.Шестако-вым).

3. Решение пространственной задачи для ряда несовершенных скважин у реки с использованием интегрального преобразования Фурье. - В сб.: Гидрогеол. Материалы Х1У науч.конф. мол.ученых

геол.фак.МГУ, Москва, 27 марта 1987, М., 1987. (Рукопись депонирована в ВИНИТИ 25.06.87 Деп. 4634-В87), с. 12-21.

4. Определение параметра взаимосвязи поверхностных и подземных вод в случае нестационарных граничных условий. - В сб.: Гид-рогеол. Материалы ХУ науч.ковф. мол. ученых геол.фак. МГУ, Москва, 4 алр. 1988, М., 1988. (Рукопись депонирована в ВИНИТИ 03.08.88 Деп. 6247-В88), с. 4-18.

5. Вопросы оценки инфильтрационного питания и обоснования режимной сети для стационарного планового потока. - В сб.: Гид-рогеол. Материалы ХУ1 науч.конф. мол. ученых геол.фак. МГУ, Москва, 10 апр.1989, Ы., 1989. (В печати).