Влияние сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока на формирование эксплуатационных запасов подземных вод приречных месторождений

Маслов, Алексей Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Влияние сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока на формирование эксплуатационных запасов подземных вод приречных месторождений
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Влияние сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока на формирование эксплуатационных запасов подземных вод приречных месторождений"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

Маслов Алексей Анатольевич

ВЛИЯНИЕ СЕЗОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТОКА НА ФОРМИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИРЕЧНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.07 - гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

МОСКВА-2004

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель -

доктор геолого-минералогических наук, профессор Штенгелов Ростислав Степанович

Официальные оппоненты -

доктор геолого-минералогических наук, профессор Язвин Леонид Семенович кандидат геолого-минералогических наук Хордикайнен Матвей Александрович

Ведущая организация -

Федеральное Государственное Унитарное предприятие Московский научно-производственный центр геолого-экологических исследований и

использования недр Геоцентр Москва

Защита состоится «19» ноября 2004 года в 14 ч. 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, аудитория 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ. Автореферат разослан «18» октября 2004 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю Диссертационного совета Д 501.001.30.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Гарагуля Л.С.

2005-4 12411

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проблема обеспечения бесперебойного и качественного хозяйственно-питьевого водоснабжения наиболее остра в районах со сложившейся напряженной системой водопользования - прежде всего, в густонаселенных и промышленно освоенных районах Центральной России, где на первый план выдвигается не только задача поиска новых месторождений, но и проблема совершенствования методики и повышения достоверности прогностических оценок, выполняемых при оценке и переоценке эксплуатационных запасов на разведанных и действующих месторождениях подземных вод. Совершенствование методики оценки, в первую очередь, связано с повышением адекватности используемых расчетных схем, что требует учета всех природных процессов, участвующих в формировании эксплуатационного водоотбора.

Использование до настоящего времени аналитических схем расчетов эксплуатационных запасов, а также жестко схематизированных моделей, разработанных для типовых случаев, не позволяет в полном объеме осуществлять адекватные прогнозные оценки. Применение простых схем расчета обычно оправдывается соображениями «инженерного запаса», размер которого никак не обосновывается и часто неясен. Использование идеологии «инженерного запаса» приводит к неадекватным инженерным решениям и к искажению представлений о водохозяйственном балансе территорий из-за занижения реальных возможностей освоения подземных вод для водоснабжения. Признавая достоинства простых расчетных схем на начальных этапах разведки, требующих рамочных экспертных оценок, нельзя не отметить, что эти схемы именно потому простые, что в них не учитывается все многообразие сложных процессов формирования эксплуатационного водоотбора.

Совершенствованию подлежат, в первую очередь, балансово-гидродинамические расчетные схемы, определяющие связь «дебит-понижение», поскольку все остальные другие обязательные аспекты оценки эксплуатационных запасов являются в значительной степени производными от баланса водоотбора.

Все высказанные соображения особо значимы для месторождений подземных вод (МПВ) в речных долинах как наиболее распространенного природного типа. Среди них особого рассмотрения требуют МПВ в долинах малых рек (до 94% рек России), отличающиеся тесной взаимозависимостью ресурсов подземных и поверхностных вод в границах общих местных водосборов. Эксплуатационный водоотбор на таких месторождениях оказывает значимое влияние на всю водно - балансовую обстановку территории и может приводить к неблагоприятным экологическим последствиям. Сопоставимость речного стока с величиной водоотбора наряду с высокими требованиями обеспеченности подачи воды приводит к тому, что расчетный водоотбор ограничивают статистически жестким

минимумом речного стока. При таком подходе весь объем «излишков» речного стока над расчетной низководной величиной исключается из рассмотрения Очевидно, что такой прогноз неадекватен реальной природной обстановке на участках эксплуатации - как с точки зрения гидрогеодинамического режима работы водозабора, так и в отношении общего водного баланса, проблем формирования качества добываемой воды и геоэкологических последствий эксплуатации.

К настоящему времени в научной литературе сформированы общие представления о принципиальных различиях условий формирования эксплуатационных запасов на приречных МПВ в зависимости от режима граничного условия на реке. Известно, что в случае сохранения подпертого режима фильтрации при работе водозабора схема берегового регулирования, хотя и в измененном количественном виде, сохраняется. Однако, при постоянном или периодическом возникновении свободного режима фильтрации под рекой, процесс берегового регулирования становится в балансовом смысле «асимметричным». Результатом этой асимметрии является возможность образования «сезонных запасов», величина и балансовая обеспеченность которых в значительной мере определяется характером сезонной изменчивости (динамичности) поверхностного и подземного стока.

Актуальность проблемы определяется необходимостью совершенствования методик прогнозных расчетов водозаборов в связи с повышением доли использования подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении. Только на основе теоретически обоснованных представлений об особенностях балансово-гидродинамических процессов формирования эксплуатационного водоотбора в условиях динамичного изменения стоковых характеристик можно совершенствовать практику разведки и оценки эксплуатационных запасов подземных вод, в том числе и в аспекте комплексного использования ресурсов подземных и поверхностных вод.

Целью настоящей работы является детальное количественное изучение б ал ансово-гидро геодинамических механизмов влияния сезонной изменчивости стоковых процессов на формирование эксплуатационных запасов месторождений подземных вод в долинах малых рек.

Основные задачи исследования состояли в следующем:

• Изучение балансовых и гидрогеодинамических особенностей процессов формирования эксплуатационного водоотбора на МПВ в долинах малых рек в условиях сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока. Доказательство возможности формирования сезонных запасов при условии периодического или постоянного существования нелинейного режима взаимосвязи подземных и поверхностных вод

• Оценка параметрической области существования свободного и подпертого режима фильтрации подземных вод под рекой для широкого природного диапазона геофильтрационных параметров и граничных условий. Факторно-диапазонное

'О >»цл . '.

'я?

описание условий существования нелинейного режима взаимосвязи подземных и поверхностных вод для типовой расчетной схемы МПВ в долинах малых рек.

• Изучение факторов формирования сезонных запасов подземных вод. Исследование закономерностей сезонной изменчивости элементов стока и их влияния на функциональную связь «дебит-понижение». Разработка критериев временной дискретизации изменчивого поверхностного и подземного стока при построении геогидрологических моделей месторождений.

• Разработка критериев и диагностических признаков формирования сезонных запасов на эксплуатируемых месторождениях и рекомендаций по проведению разведочных работ и организации мониторинга, с целью повышения достоверности гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод.

Методы исследований. Работа выполнена методами численного эксперимента с использованием гидрогеодинамического и геогидрологического моделирования для типовых расчетных схем и конкретных объектов (СевероДонецкая группа месторождений подземных вод). Изучение параметрической области существования свободного и подпертого режима фильтрации под рекой базируется на методике рационального планирования эксперимента (в форме разведочного моделирования).

Научная новизна. Доказана возможность формирования ограниченно-активного типа балансовой структуры эксплуатационного водоотбора на одно- и двуслойной расчетных схемах МПВ в долинах малых рек.

Для однослойной расчетной схемы определен диапазон значений фильтрационных свойств водовмещающих отложений и параметров конструкции водозаборного сооружения, в котором существуют наиболее благоприятные условия формирования сезонных запасов подземных вод

Выявлены диагностические признаки формирования сезонных запасов подземных вод - в первую очередь, резкое возрастание годовой амплитуды колебаний уровней подземных вод при работе водозаборов.

Установлен факт утраты функциональной связи между величиной водоотбора и ущербом речному стоку на участке свободного режима фильтрации под рекой при работе водозабора.

Практическая ценность работы. Доказана возможность обоснованного повышения прогнозной производительности водозаборов за счет включения функции изменчивости стоковых процессов в расчетную схему месторождения (до 30% и более).

Учет изменчивости стоковых процессов существенно повышает достоверность прогнозных оценок режима работы водозаборов, формирования качества добываемой воды и геоэкологического воздействия водоотбора

Применение разработанного диагностического критерия - относительной амплитуды колебания уровней подземных вод - позволяет диагностировать условия ограниченно-активного типа балансовой структуры эксплуатационного водоотбора (БСВ) по данным обычной программы режимных наблюдений (объектного мониторинга) в районе действующих водозаборов.

Экспериментально доказанная возможность использования типового внутригодового распределения стока рек, построенного методом компоновки гидрологических величин, позволяет на первых этапах работ использовать в расчетных схемах МПВ систематизированные гидрологические данные.

Апробация работы. Результаты исследований доложены автором на: IV Международном конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК (Москва

2000); V Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва,

2001); Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2000» (Москва, 2000) и «Ломоносов-2001» (Москва, 2001); совместном расширенном семинаре ГП «Белгородгеомониторинг» и МУЛ «Горводоканал» г. Белгород (Белгород, 2001); II конференции пользователей и партнеров «Геолинка» (Москва, 2001); научном семинаре кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения общим объемом £ У/стр , из них4.90текста, включает 5 таблиц и 56 рисунков, список литературы содержит 115 наименований.

Благодарности Автор благодарен и глубоко признателен научному руководителю, идеологу работы д г -м н. проф Р.С Штенгелову за плодотворное сотрудничество и всемерную поддержку при подготовке диссертации Искреннюю признательность автор приносит коллективу кафедры гидрогеологии МГУ, коллективу компании Геолинк Консалтинг, в особенности, A.A. Рошалю и И.С. Пашковскому за неоценимую помощь, многочисленные обсуждения и консультации и создание всех необходимых условий при подготовке диссертации

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность повышения достоверности гидрогеологических прогнозов при эксплуатации подземных вод, формулируются цели и задачи исследования.

ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РЕЧНЫХ ДОЛИНАХ

В главе дается развернутая характеристика МПВ в речных долинах, выделяются отличительные признаки месторождений в долинах малых рек. Рассматриваются сложившиеся представления о естественном и нарушенном гидродинамическом режиме таких месторождений, особенностях формирования

эксплуатационных запасов (ЭЗ) и их балансовой структуре, а также механизмы взаимодействия подземных и поверхностных вод.

При описании балансовой структуры эксплуатационного водоотбора показана предпочтительность использования разностной формы балансового уравнения по сравнению с полным уравнением и коэффициентами использования. Баланс эксплуатационного водоотбора рассматривается как композиция емкостных и ресурсных (существующих, привлекаемых и создаваемых) составляющих. Их соотношение (от полного отсутствия до абсолютного преобладания) регулируется сложным сочетанием многочисленных и разнообразных факторов, из которых важнейшими являются:

- общебалансовые - существование и обеспеченная интенсивность сложившегося и потенциального инфильтрационного питания, удельные величины емкостных запасов подземных вод, существование и балансовая обеспеченность «питающих» границ потока (водотоки, водоёмы, смежные водоносные горизонты);

- параметрические - фильтрационные сопротивления в плане (между водозабором и питающими границами) и в разрезе водоносной системы (между водоносными пластами), пропускная способность и конкретное фильтрационное строение отложений, экранирующих водотоки и водоёмы, допустимые понижения уровней;

- технические, т.е. «внешние» нормативные и технологические ограничения - проектная производительность и расчётный срок функционирования водозабора, расположение и схема сооружения в плане, степень несовершенства водозаборных скважин и др.

Типизацию БСВ предлагается проводить по признаку её активности, т.е. по тенденции (направленности) развития во времени при длительном функционировании водозабора. На начальных этапах водоотбор объекгавно, независимо от типа месторождения, практически полностью обеспечивается только сработкой емкостных запасов Проявление «ресурсных» компонент в структуре нарушенного баланса происходит, во-первых, лишь через некоторое и весьма различное время, во-вторых - с разным темпом и, наконец, до разных относительных значений Эти аспекты и характеризуют тип активности БСВ

Генетически способность БСВ к перестройке во времени связана с проявлением функциональной связи между понижениями уровней (пространственными размерами развивающейся депрессии напоров) и интенсивностью трансграничного водообмена эксплуатируемого горизонта со смежными элементами гидросферы. Такую связь обеспечивают только граничные механизмы 3 рода; в отличие от них, расходы через границы 2 рода описываются «внешними» функциями, не зависящими от состояния эксплуатационной депрессии напоров Поэтому тип активности БСВ определяется, в первую очередь, самим фактом наличия граничных условий 3 рода в области гидродинамического влияния

водозабора, а интенсивность её перестройки во времени (степень активности) регулируется удалённостью и параметрами граничных контуров.

По типу активности предлагается различать пассивную, активную и ограниченно-активную балансовую структуру эксплуатационного водоотбора.

Пассивная БСВ характеризуется абсолютным преобладанием емкостной составляющей, что приводит к сохранению устойчивого нестационарного снижения уровней на протяжении всего периода функционирования водозабора.

Балансово-гидрогеодинамические особенности пассивной БСВ проиллюстрированы результатами имитационного численного моделирования работы водозабора в неограниченном водоносном горизонте в условиях бассейна подземных вод, транзитного потока и транзитного потока с местной инфильтрацией Показано, что само по себе существование потока в водоносном горизонте и даже наличие инфильтрационного питания на площади депрессионной воронки не влияют на тип балансовой структуры эксплуатационного водоотбора; он сохраняется пассивным (т.е. развивается так же, как и при отсутствии инфильтрационного питания и/или потока подземных вод) до тех пор, пока воронка депрессии не достигает областей разгрузки потока.

Идентичное развитие понижений подземных вод в условиях пассивной БСВ в трех рассмотренных вариантах показывает, что ни инфильтрационное питание, ни транзитный поток подземных вод в этих условиях не оказывают влияние на связь «дебит-понижение». т е. не являются факторами, влияющими на возможную величину эксплуатационного водоотбора. Таким образом, балансовое обеспечение водоотбора определяется лишь емкостными запасами водоносного горизонта. Вместе с тем, физическое участие инфильтрующейся воды, а также транзитного потока подземных вод в поднимаемых скважиной подземных водах, безусловно, будет иметь место. Условия пассивной БСВ существуют в начале эксплуатации любого, в том числе, приречного МГТВ, когда происходит перестройка балансово-гидрогеодинамической сшуации, а в приходной части баланса водоотбора абсолютно преобладают емкостные запасы.

Активная БСВ, напротив, характеризуется абсолютным преобладанием ресурсных составляющих баланса при исчезающе малой роли емкостных запасов. Она формируется при работе водозаборов вблизи граничных контуров 3 рода с невысоким удельным фильтрационным сопротивлением, что приводит к быстрому наступлению стационарного балансово-гидродинамического состояния с полным обеспечением водоотбора существующими и привлекаемыми ресурсами

Долевое соотношение "внутренних" (существующих, т.е. обеспеченных естественным питанием горизонта независимо от эксплуатации) и "внешних" (привлекаемых в водоносный горизонт извне в связи с эксплуатацией) источников обеспечения водоотбора чрезвычайно изменчиво Если через границу 3 рода происходит естественная разгрузка потока подземных вод, то ее сокращение

(инверсия) при эксплуатации может обеспечивать до 100% водоотбора. Однако, при увеличении производительности водозабора и приближении его к граничному контуру происходит привлечение "внешних" ресурсов, которые в большинстве случаев превалируют в структуре водоотбора (60-90%).

Важнейшим условием поддержания активной БСВ на длительное время является обеспеченность источника привлечения, т.е. заведомо высокая "водность" по сравнению с величиной водоотбора (достаточно большие расходы поверхностного стока даже в периоды глубокой межени).

Ограниченно-активная БСВ при достаточной значимости ресурсных компонент характеризуется существованием некоторого предела их участия в балансе эксплуатационного водоотбора, что связано с нелинейным характером действия граничного условия 3 рода. При достижении некоторого критического положения уровней происходит конверсия (вырождение) условия 3 рода в условие 2 рода, при котором утрачивается функциональная связь между положением уровней подземных вод и расходами трансграничного водообмена.

Причины ограничения интенсивности действия граничного условия могут иметь гидродинамический или балансовый характер.

При конверсии граничного условия водоотбор компенсируется существующими или привлекаемыми ресурсами лишь частично. Это вызывает необходимость дополнительного расходования емкостных запасов и дальнейшего развития депрессионной воронки, что означает ограничение эксплуатационных возможностей месторождения. В таких условиях особое значение приобретает проблема адекватности применяемых расчетных схем реальным природным б ал ансово-гидро динамическим механизмам. При отрыве депрессионных воронок от несовершенных малых рек принципиально важным является точный учет факторов, контролирующих интенсивность привлечения речных вод в зоне отрыва. Однако, в сложившейся практике подсчёта ЭЗ используются, как правило, постоянные во времени величины питания водоносного горизонта и неизменное количество воды на контуре формирования привлекаемого питания, т.е. постоянные стоковые характеристики реки (расход и уровень). Это связано как с ограниченностью возможностей аналитических оценок, так и, главным образом, с недостаточным методическим и информационным обеспечением моделирования по данным разведочных работ.

Из соображений гарантированной надежности водоподачи максимально возможная производительность водозабора оценивается при допустимом понижении, рассчитанном относительно наиболее низкого положения уровней на отрезке меженного стокового минимума. Однако, в случае конверсии граничного условия на реке соотношение дебита и понижения зависит не только от параметрической характеристики фильтрующей среды, но и от характера внутригодовой динамичности стока, т.е. при прочих равных условиях на двух

участках с разным типом изменчивости поверхностного и подземного стока будут получены разные понижения при одинаковом дебите, либо разные дебиты при совпадающих понижениях в критический меженный период.

Поэтому в условиях ограниченно-активной БСВ на первый план выдвигаются вопросы изучения механизмов, параметров, степени и условий влияния изменчивости поверхностного и подземного стока на структуру эксплуатационного водоотбора.

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СЕЗОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА НА ФОРМИРОВАНИЕ БАЛАНСА ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ВОДООТБОРА

Рассматриваются особенности формирования баланса эксплуатационного водоотбора на МПВ в долинах малых рек с учетом сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока. В качестве основной балансово-гидрогеодинамической функции анализируется зависимость «дебит - понижение». Исследуются два типа активности БСВ' активный и ограниченно-активный

Влияние сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока изучается в следующей последовательности постановки модельных экспериментов: 1) учитывается сезонная изменчивость поверхностного стока при постоянном подземном стоке; 2) учитывается сезонная изменчивость подземного и поверхностного стока.

При постановке задачи акцентируется внимание на том, что при гидрогеодинамических расчетах вместо собственно величины расхода реки используется соответствующая ему глубина Этот прием, с одной стороны, позволяет относительно просто учитывать гидрологический цикл при решении гидродинамических задач, с другой стороны - существенно усложняет задачу оценки изменения поверхностного стока, поскольку требует дополнительных расчетов руслового баланса, согласованных с решением гидродинамической задачи.

Решение задач выполнено в полной постановке (в напорах), поскольку применение принципа сложения решений правомерно только в случае, когда изменения, вызванные работой водозаборного сооружения, не приведут к качественному изменению на внутренних и/или внешних граничных условиях месторождения, что не соблюдается в условиях ограничено-активной БСВ

Поскольку типовыми расчетными схемами МПВ в речных долинах являются однослойная и двуслойная, то проведены две серии экспериментов, отвечающие этим типовым условиям и базирующиеся на следующей общей постановке.

Рассматривается плановая модель фильтрации в безнапорном водоносном горизонте мощностью 25 м, обладающем проводимостью 500 м2/сут с гравитационной водоотдачей 0.05 и залегающем на горизонтальном водоупоре Водоносный горизонт принят в плане неограниченным, водообмен с нижезалегаю гцим водоносным горизонтом отсутствует. Плановые размеры

моделируемой области приняты 1x0.5 км. Формирование потока подземных вод обеспечивается инфильтрационным питанием, разгрузка подземных вод осуществляется только в поверхностный водоток. Скрытые формы разгрузки, возможное изменение инфильтрационного питания при изменении глубины залегания уровня подземных вод не рассматриваются.

Ширина реки принята в 50 м, сезонная изменчивость стока, с учетом обычно принимаемых упрощений, схематизирована гидрографом уровня. Необходимо еще раз подчеркнуть, что использование производной характеристики - уровня воды в реке вместо расхода - является расчетным приемом, позволяющим рассматривать сложные процессы взаимодействия подземных и поверхностных вод на обычно применяемых геофильтрационных моделях. Таким образом, влияние сезонной изменчивости поверхностного стока рассматривается при условии, что каждое расчетное положение уровня поверхностных вод (глубины реки) обеспечено соответствующим расходом.

Предложенный гидрограф поверхностного водотока качественно отражает основные фазы стока и отвечает наиболее часто встречаемому типу сезонной изменчивости, когда в период весеннего половодья проходит до 50-60% суммарного годового стока. Такой тип гидрографа отвечает рекам со снеговым питанием н ярко выраженным весенним половодьем, являющимся наиболее распространенными на территории России.

Сезонная составляющая (расходы, превышающие уровень 95% вероятности превышения) предложенного гидрографа отвечает 30% суммарного годового стока реки, что является в общем невысоким, но, вместе с тем, высокобеспеченным показателем, позволяющим оценить роль сезонной составляющей поверхностного стока в формировании баланса эксплуатационного водоотбора.

Река имеет несовершенный по степени вскрытия пласта врез, удельное фильтрационное сопротивление подрусловых отложений характеризуется величиной коэффициента перетока х = 1.25x10 1 сут"1, отвечающей таким типам отложений подруслового экрана как рыхлый ил, суглинок при характерных значениях мо=0 5 м, ¿„=5x10" м/сут или глинистый наилок т0=1х10~2м, *о=1х10"3 м/сут.

Расчеты выполнены в нестационарной постановке. Временная дискретизация процесса осуществлена равномерными интервалами длительностью в одни сутки. Циклически повторяющийся период изменчивости, длительностью эквивалентной календарному году, разбит, таким образом, на 365 временных интервалов с четырьмя расчетными шагами в каждом. Решение выполнено численными методами на основе конечно-разностной дискретизации моделируемой области равномерной регулярной сеткой с шагом в 10 м. Вычислительная схематизация выполнена в общепринятой постановке, использованы расчетные алгоритмы Processing Modflow 5.3.0, ModTECH 2.3.

Выполнена и проанализирована серия решений, отвечающая условиям ненарушенного и нарушенного режима, а также дельта-баланс эксплуатационного водоотбора, отвечающего условию достижения допустимого уровня подземных вод в эксплуатационной скважине (60% от мощности обводненной части водоносного горизонта в период минимальной водности).

Проведенный анализ влияния сезонной изменчивости поверхностного стока на балансово-гидрогеодинамические условия месторождения в условиях ненарушенного режима позволяют сформулировать следующие выводы

1. Сезонное накопление и последующее расходование емкостных запасов пласта в приречной зоне является природным способом гидрогеодинамического регулирования градиента водообмена через граничный механизм 3 рода на контуре реки.

2 Амплитуды колебаний уровней подземных вод в области гидрологического режима не могут превосходить амплитуды колебаний уровней (глубин) поверхностного водотока и затухают по мере продвижения вглубь речной долины.

При изучении условий эксплуатации МПВ рассматриваются условия, когда понижения уровней подземных вод стабилизировались и фон понижений не претерпевает изменений. В проведенных модельных экспериментах условие стабилизации понижений достигнуто на 2-3-й период изменчивости.

На начальных этапах эксплуатации существуют условия пассивной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора Существование сезонной изменчивости поверхностного стока не сказывается на развитии во времени депрессионной поверхности уровней подземных вод По мере эксплуатации условия пассивной БСВ эволюционируют и сменяются на активные и ограниченно-активные.

Активная балансовая структура эксплуатационного водоотбора

По результатам эксперимента показано, что при сохранении подпертого режима фильтрации под рекой характер взаимодействия подземных и поверхностных вод в нарушенных эксплуатацией условиях не претерпевает изменений по сравнению с естественным режимом.

Сравнение полученного решения с решением аналогичной задачи без учета изменчивости поверхностного стока, т е в условиях постоянного меженного уровня воды в реке, показывает принципиальную их идентичность. Разница заключается лишь в изменении соотношения привлекаемых и естественных ресурсов в схеме, учитывающей сезонную изменчивость поверхностного стока Величина водоотбора и характер развития понижений уровней подземных вод совпадают Это позволяет сформулировать принципиальный вывод о том, что в условиях активной балансовой структуры водоотбора сезонная изменчивость поверхностного стока не является запасообразующим фактором, т е. не влияет на форму связи «дебит - понижение» Вместе с тем, именно сезонной изменчивостью поверхностного стока определяется

взаимоотношение двух рассматриваемых составляющих ущерба поверхностному стоку - расхода инверсированной разгрузки подземных вод в реку и расхода привлекаемых ресурсов поверхностных вод.

Ограниченно-активная балансовая структура эксплуатационного водоотбора

Возможность конверсии граничного условия на реке реализована заданием положения подошвы экранирующих подрусловых отложений на 0.01 м ниже физического дна реки, что генетически соответствует наличию руслового наилка как широко распространенного типа кольматации русловых отложений.

При анализе дельта-баланса установлены принципиальные особенности ограниченно-активной балансовой структуры водоотбора:

1. Происходит значительное возрастание величины привлечения (по сравнению с активной БСВ) при меньшей величине эксплуатационного водоотбора.

2. Рост величины привлечения поверхностных вод носит монотонный характер, четко отвечающий подъему уровней реки (увеличению глубины). В естественных условиях и при активной БСВ после каждой фазы подъема уровней реки следует уменьшение расхода привлечения, связанное с соответствующим подъемом уровней подземных вод и установлением локального гидродинамического равновесия.

3. Монотонный характер возрастания расхода привлечения поверхностных вод однозначно свидетельствует о существовании свободного режима фильтрации под рекой, а величина привлечения соответствует максимально возможному расходу поверхностных вод, который может профильтроваться через экранирующие подрусловые отложения для каждого периода водности реки.

4. Формирование сезонных запасов подземных вод происходит в периоды высокой водности поверхностного стока (рис.1), когда расход поступления поверхностных вод определяется только расходом (уровнем) поверхностного стока и строением подруелового экрана экранирующих отложений;

5. Существенная изменчивость величины ущерба поверхностному стоку определяется фазой водности поверхностного стока. В периоды высокой водности ущерб может превосходить эксплуатационный водоотбор, а в меженные периоды -ущерб поверхностному стоку меньше водоотбора.

Анализ гидрогеодинамических условий также обнаруживает отличительные закономерности. Понижения уровней подземных вод (рис.1) не являются постоянными при постоянной величине водоотбора, достигая максимума в меженные периоды и значительно уменьшаясь в периоды высокой водности (половодье). Циклические колебания понижений (невозможные в линейных схемах фильтрации) свидетельствуют о формировании и последующей сработке сезонных запасов подземных вод, балансово обеспечиваемых сезонной изменчивостью ресурсов поверхностных вод.

Активная

Ограниченно - активная

Баланс естественных условий Период изменчивости

Период изменчивости

Уровни пфземных вод и понижения в схеме, учитывающей изменчивость ;

Нлоп

Нм*1

вдоп

Цэоп

Нмям —

Бдоп

Бм

II м

Ндоп.

Уровни

—г

подземных вод и понижения в статичнои схрме расчетов

_____J ___/'ч-^

Бдои

НмНН*.

Нлод.

Нынн

Эм

Заон

Изменения взаимодействия: подземных и поверхностных вод

X XI XII I II III IV V VI УПУП IX X Х1Х11 I II

Время

+ X XIХП I II I» IV V У1У11УП1Х X XIXII I и Время

Статьи баланса: Гидрогеодинамически с характеристики

■■■ инфнльграциониое питание Г^ГП уровень поверхностных вод

1-1 приток поверхностных вод С^гз уровень в эксплуатационной

расходование емкостных запасов подземных вод _скважине до эксплуатации

ОЗП рагрузка подземных вод в реку гаЗ«5Е5ЩЯЯЯ?

I ■ 1 1 накопление емкостных запасов пплземных вод

эксплуатационный водоотбор

понижение уровня подземных вод

в эксплуатационной скважине

х 1 ошибки прогноза

Рис 1. Балансово-гидрогеодинамическое влияние сезонной изменчивости поверхностного стока при эксплуатации приречного месторождения в условиях активного и ограниченно-активного типа балансовой структуры эксплуатационного водоотбора Цена деления шкал - 1 тыс. м3/сут и 1 м соответственно.

Таким образом, в условиях ограниченно-активной БСВ учет изменчивости поверхностного стока в расчетной схеме существенным образом изменяет прогнозные уровни подземных вод и их понижения по сравнению с решением для статичного поверхностного стока при той же величине эксплуатационного водоотбора.

Наличие «резерва» по понижению в эксплуатационной скважине позволяет увеличить водоотбор за счет формирования сезонных запасов и при этом выйти на допустимую величину понижения только в периоды меженного поверхностного стока.

Ущерб речному стоку, вызванный эксплуатацией подземных вод, в период половодья существенно превосходит эксплуатационный водоотбор. Фильтрующаяся речная вода накапливается в свободной емкости водоносного горизонта и формирует тем самым сезонные запасы подземных вод (рис.1). В период межени уменьшение величины ущерба поверхностному стоку и ее сокращение до величин, меньших чем эксплуатационный водоотбор, обусловливается малой (меженной) глубиной реки. В этот период в обеспечении водоотбора существенную роль может принадлежать сработке накопленных ранее сезонных запасов подземных вод.

Выполненный анализ позволяет сформулировать принципиальные отличия ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора от активной:

1. В условиях активной схемы поведение уровней подземных вод в приречной зоне практически мгновенно наследует (по знаку) поведение уровня реки; в условиях ограниченно-активной - уровни подземных вод достаточно долго продолжают повышаться даже на стадии обратного хода уровней реки.

2. В условиях активной схемы амплитуда колебаний уровней подземных вод в ближайшей приречной зоне не может превышать амплитуду изменения уровней в реке; в условиях ограниченно-активной - амплитуда изменения уровней подземных вод может значительно (многократно!) превышать масштабы колебаний уровня реки.

3. В условиях активной и ограниченно-активной БСВ повышение уровня реки приводит к повышению расхода привлечения и к ответному повышению уровней подземных вод в продуктивном пласте. Разница заключается в том, что в условиях активной БСВ повышение уровней в пласте очень быстро уменьшает возникший дополнительный градиент напора со стороны реки, перекрывая привлекаемый поток до величины Л(3п, строго соответствующей данной интенсивности С?э. В ограниченно-активной схеме повышение уровня свободной поверхности продуктивного горизонта никак не влияет на расход привлечения из реки, что приводит к накоплению в пласте избыточных (по сравнению с величиной водоотбора) количеств воды и к повышению уровня (вплоть до реконверсии

граничного условия - временного смыкания свободной поверхности с подошвой экрана и восстановления гидравлической связи с рекой).

4 В условиях активной схемы ущерб речному стоку (сумма сокращения подземного питания реки и прямого поглощения речных вод в условиях отсутствия бессточных форм разгрузки подземных вод) на протяжении годового цикла сохраняется постоянным и равным величине эксплуатационного водоотбора; в условиях ограниченно-активной - может превышать ее в периоды высоких уровней реки, либо быть меньше при низких уровнях.

Количество воды, поступающее в продуктивный пласт при подъеме уровня реки на участке отрыва воронки от подруслового экрана, не может вернуться в реку при обратном ходе уровней реки и поэтому напрямую входит в уравнение разностного баланса водоотбора в виде самостоятельного члена - сезонных запасов; его наличие позволяет повысить производительность водоотбора на некоторую величину при тех же ограничениях на положение меженного уровня в водозаборе.

Подтверждением этого важного вывода служит зависимость «дебит-понижение», характер которой свидетельствует о следующих закономерностях-

1. Тип активности БСВ связан с величиной водоотбора - до некоторой величины водоотбора, как при сезонно-изменчивом поверхностном стоке, так и при статичном, различий между активной и ограниченно-активной структурой не наблюдается Ограниченно-активная структура начинает формироваться по достижении определенной величины дебита, когда в некоторой области под руслом реки развивается свободный режим фильтрации под рекой.

2. В условиях активной БСВ не обнаруживается различий в поведении зависимости «дебит-понижение» при статичном или сезонно-изменчивом поверхностном стоке.

3. В условиях ограниченно-активной БСВ индикаторная зависимость «дебит-понижение» существенно отклоняется в область высоких понижений. Понижения при статичном поверхностном стоке, по сравнению с сезонно изменчивой его реализацией, выше, при одинаковых величинах эксплуатационного водоотбора.

Реальный прогноз (т.е. соотношение «дебит - понижение») для водозабора у реки в условиях активной БСВ может быть получен в статической постановке (при постоянном меженном или ином уровне реки), а в условиях ограниченно-активной -только в динамической постановке, т.е. с реализацией внутригодового поведения уровня реки. Это обстоятельство приводит к возникновению проблемы достоверного изучения при разведке и адекватной расчётной схематизации сезонной изменчивости характеристик речного стока при прогностических расчетах водозаборов.

Важным фактором формирования эксплуатационного водоотбора является конструкция водозахватного сооружения. Так, в рассмотренных условиях ограниченно-активной БСВ, изменив расстояния между скважинами ряда и их

нагрузку, можно создать оптимальные условия для формирования сезонных запасов Увеличение величины эксплуатационного водоотбора при учете сезонной изменчивости поверхностного стока составило 17%, а при оптимизации конструкции водозаборного ряда - более 30%. Дальнейшие возможности увеличения водоотбора исчерпаны, поскольку в рассмотренных условиях при эксплуатации водозаборного ряда весь объем сезонного поверхностного стока привлечен на формирование сезонных запасов.

Используемый в фильтрационной схеме высокообеспеченный гидрограф поверхностного стока, качественно отражающий основные фазы стока и обладающий невысоким весом сезонной составляющий (30% суммарного годового стока реки), позволил оценить значимость учета сезонной составляющей поверхностного стока в задаче оценки баланса эксплуатационного водоотбора Вместе с тем, принципиально важное значение сезонной изменчивости поверхностного стока в условиях ограниченно-активной БСВ ставит вопрос о способах получения такого расчетного внутригодового распределения поверхностного стока, которое удовлетворяет принятому уровню вероятности превышения как по величинам расходов, так и по продолжительности фаз водного режима реки.

Двуслойная расчетная схема

Расчетная схема, отвечающая двуслойному строению гидрогеологического разреза МПВ, является, по-видимому, наиболее распространенной. Принципиальными гидрогеодинамическими отличиями этой схемы от однослойной являются следующие обстоятельства:

- эксплуатируется водоносный горизонт, не имеющий непосредственной гидравлической связи с поверхностным водотоком;

— комбинации фильтрационных параметров могут приводить к принципиальной возможности формирования как межпластового отрыва уровней подземных вод, так и к свободного режима фильтрации в первом от поверхности водоносном горизонте под рекой.

С учетом этих обстоятельств рассмотрено два варианта строения расчетной схемы:

I. гидравлическая связь первого от поверхности водоносного горизонта с поверхностным водотоком близка к совершенной, что отражается в высоких значениях коэффициента перетока подрусловых отложений (^=5 сут-1). Коэффициент перетекания между первым от поверхности и эксплуатируемым горизонтом достаточно низкий ( /=М О'2 сут"1). II. гидравлическая связь первого от поверхности водоносного горизонта с поверхностным водотоком затруднена низким значением коэффициента перетока подрусловых отложений (/=0.25 сут"'). Коэффициент перетекания между первым от поверхности и эксплуатируемым водоносными горизонтами достаточно высок

и близок к характеристикам вертикальной проницаемости водоносных горизонтов (^сут1).

Формирование потока подземных вод с постоянным удельным расходом 0 1 м2/сут обеспечивается инфильтрационным питанием вне пределов рассматриваемой области, разгрузка подземных вод осуществляется в поверхностный водоток.

Плановые размеры моделируемой области 10x10 км. Пространственная дискретизация выполнена равномерной регулярной сеткой с шагом в 20 м. Допустимое понижение уровней в водозаборных скважинах принимается в 50% СП-мощности обводненной части водоносного горизонта в меженный период. Эксплуатационная скважина расположена в 50 м от уреза поверхностного водотока в I варианте расчетной схемы и в 350 м - во II варианте. Уровень конверсии граничного условия задан на глубине 0.2 м под дном водотока. Продольный уклон русла 1-Ю"4. Для реализации возможности балансовой конверсии реки используется геогидрологическая схематизация поверхностного водотока, поскольку в рамках чисто гидродинамической схематизации такая постановка задачи невозможна.

В естественных условиях процессы берегового регулирования принципиально не отличаются для обоих вариантов расчетной схемы. Амплитуды колебаний уровней подземных вод в области гидрологического режима не превосходят амплитуды колебаний уровня реки и затухают по мере продвижения вглубь речной долины.

При работе водозабора в обоих вариантах расчетной схемы происходит формирование сезонных запасов подземных вод. Включение сезонной изменчивости поверхностного стока в расчетную схему месторождения позволило увеличить эксплуатационный водоотбор на 20% в расчетной схеме I и на 15% в расчетной схеме II по сравнению со статичной постановкой задачи оценки эксплуатационных запасов. Особенности формирования эксплуатационного водоотбора в двуслойной расчетной схеме состоят в следующем:

1. Условия ограниченно-активной балансовой структуры водоотбора в начальный период эксплуатации обеспечиваются безнапорным режимом фильтрации в эксплуатируемом водоносном горизонте (межпластовый разрыв).

2. Балансовым источником формирования сезонных запасов подземных вод в первый период эксплуатации являются емкостные запасы месторождения, участие которых обеспечивается общим снижением уровенной поверхности водоносных горизонтов и наступлением безнапорного режима фильтрации в эксплуатируемом горизонте.

3. Периодическое наступление свободного режима фильтрации подземных вод под рекой вследствие гидрогеодинамической или балансовой конверсии на фоне стабилизации режима уровенной поверхности приводит к постепенному замещению балансового источника формирования сезонных запасов. Постепенно начинают

превалировать ресурсы поверхностных вод, а доля емкостных запасов постепенно сокращается до нуля.

Особенности гидрогеодинамических процессов при изменчивом подземном стоке

Проведена серия модельных экспериментов для однослойной расчетной схемы в двух различных постановках. Первая постановка реализует только временную изменчивость величины инфильтрационного питания, когда в период половодья происходит его интенсификация, а в зимнюю межень оно практически равно нулю. При этом суммарный расход инфильтрационного питания за рассматриваемый период динамичности (гидрологический год) сохранился равным ранее рассмотренным вариантам.

Величина эксплуатационного водоотбора осталась неизменной по сравнению с расчетной схемой, реализующей постоянное во времени инфильтрационное питание, изменения произошли лишь во взаимоотношении приходных статей дельта-баланса. Существенно возросла роль сезонных запасов, срабатываемых в период зимней межени, поскольку в этот период из-за прекращения инфильтрационного питания доля естественных ресурсов в балансовом обеспечении водоотбора существенно снизилась. Интенсификация же питания подземных вод в период весеннего половодья позволяет в существующих условиях ограниченно-активной БСВ сформировать больший объем сезонных запасов по сравнению со схемой постоянного во времени инфильтрационного- питания. В период формирования сезонных запасов подземных вод в свободной емкости водоносного горизонта доля естественных ресурсов в приходной части дельта-баланса эксплуатационного водоотбора резко повышается и доходит до 50% и более.

Вторая постановка задачи, в соответствии с планом последовательного изучения влияния сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока, реализована в предположении не только пространственно-временного, но и количественного изменения подземного стока на участке месторождения.

Фильтрационная схема модели допускает балансовую конверсию граничного условия на реке, мощность водоносного горизонта составляет 50 м, при коэффициенте фильтрации 20 м/сут. Выполнена серия решений, отвечающих различным вариантам схематизации сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока:

1. В фильтрационной схеме реализована внутригодовая изменчивость поверхностного стока, при постоянном во времени подземном стоке и инфильтрационном питании подземных вод.

2. Наряду с реализацией внутригодовой изменчивости поверхностного стока в фильтрационной схеме представлена сезонная изменчивость подземного стока и инфильтрационного питания подземных вод.

3. В фильтрационной схеме реализована сезонная изменчивость подземного

стока и инфильтрационного питания подземных вод при постоянной величине

поверхностного стока, отвечающей минимальному высокообеспеченному значению

Внешний приток в зону месторождения задан с постоянным во времени

удельным расходом 0 1 м2/сут, а расчетное сезонное изменение подземного стока и

инфильтрационного питания реализовано в следующей постановке: в период .

весеннего половодья в пределах расчетной области происходит формирование

дополнительного пакета инфильтрационного питания с интенсивностью

8 З-Ю^м/сут, а расход подземного стока возрастает до 0.15 м2/сут. Сезонное

увеличение подземного стока формируется как за счет дополнительного пакета

питания (при интенсивном снеготаянии, например), так и за счет увеличения

внешнего притока. За рассматриваемый период сезонного увеличения подземного

стока длительностью 60 суток дополнительно поступает половина годовой нормы

инфильтрационного питания. Принятая гипотеза сезонной изменчивости

инфильтрационного питания и подземного стока в определенной степени

абсолютизирована, вместе с тем, именно такие гипотезы позволяют проводить

оценки возможного диапазона влияния факторов сезонной изменчивости

поверхностного и подземного стока, особенно если требуется оценить их

относительную роль.

Реализация сезонной изменчивости подземного стока и инфильтрационного

питания в фильтрационной схеме месторождения существенно повышает

относительную долю естественных ресурсов в обеспечении эксплуатационного

водоотбора. Вместе с тем, даже при возросшей, за счет сезонной составляющей,

доле естественных ресурсов сохраняются условия ограниченно-активной БСВ, что

подтверждает принципиальное балансово-гидрогеодинамическое значение

граничного условия на контуре поверхностного водотока для МПВ в долинах рек.

Формирование сезонных запасов подземных вод обеспечивается во всех вариантах

участием ресурсов поверхностных вод, роль которых несколько уменьшается при

учете сезонной изменчивости подземного стока и инфильтрационного питания

подземных вод. Особо необходимо отметить балансовое участие ресурсов

поверхностных вод в обеспечении сезонных запасов в схеме, не учитывающей

. *

сезонные изменения водности реки. В меженные периоды (в данном случае

подземного стока) происходит увеличение размеров зоны свободного режима фильтрации подземных вод под рекой, что и обеспечивает привлечение дополнительных ресурсов поверхностных вод.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. В балансе эксплуатационного водоотбора в каждом варианте присутствуют сезонные запасы подземных вод, формирование которых обеспечивается, в том числе, ресурсами поверхностных вод.

2. Соотношение составляющих приходной части дельта-баланса существенно изменяется - от абсолютного преобладания отдельных статей до явно подчиненного их состояния Вместе с тем, естественные ресурсы подземных вод, привлекаемые ресурсы поверхностных вод и сезонные запасы в каждый момент времени входят в состав приходных статей дельта-баланса

3. Реализация сезонной изменчивости подземного стока и инфильтрационного питания подземных вод в фильтрационной схеме месторождения может приводить лишь к некоторому сокращению доли привлекаемых ресурсов в балансовом обеспечении формирования сезонных запасов подземных вод.

Учет сезонной изменчивости подземного стока и инфильтрационного питания подземных вод позволяет лишь незначительно - менее 8% - повысить расчетную величину водоотбора

Особо необходимо выделить возможность существования таких условий при эксплуатации, когда развитие депрессионной поверхности вызывает увеличение инфильтрационного питания вследствие увеличения глубины залегания уровней подземных вод. Генетически это увеличение инфильтрационного питания надо относить к категории привлекаемых ресурсов.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ СВОБОДНОГО РЕЖИМА ФИЛЬТРАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПОД РЕКОЙ

Изучение параметрических условий существования свободного режима фильтрации и анализ распространенности этих условий проводится для однослойной типовой расчетной схемы МПВ. Расчетная схема аналогична используемой при изучении влияния изменчивости стоковых характеристик на формирование эксплуатационного водоотбора. Учитывается функциональная зависимость проводимости безнапорного потока от положения его уровней при постоянном по вертикали коэффициенте плановой фильтрации, поскольку пренебрежение функциональной связью проводимости с мощностью обводненной части в рассматриваемой задаче недопустимо, т.к. амплитуда изменения уровней подземных вод может быть сопоставима с мощностью водоносного горизонта.

Эксплуатируемый водоносный горизонт отделен от несовершенного поверхностного водотока отложениями подруслового экрана с коэффициентом перетока / = /Ь„, где Ь„ - глубина положения уровня конверсии граничного условия 3 рода относительно физического дна поверхностного водотока.

Основными технологическими факторами в рассматриваемой конструктивной схеме водозаборного сооружения являются:

• расстояние эксплуатационного ряда от уреза реки Ь„;

• удельная производительность эксплуатационной траншеи ц.

Природными факторами и геофильтрационными параметрами, определяющими формирование типа режима взаимосвязи подземных и поверхностных вод, являются:

• проводимость пласта Т;

• мощность водовмещающих отложений Н;

• коэффициент перетока слабопроницаемых подрусловых отложений х;

• положение уровня конверсии граничного условия 3 рода на реке относительно

дна реки Ь0.

Для каждого из выделенных природных и технологических факторов и геофильтрационных параметров изучен широкий диапазон изменений:

- коэффициент перетока подрусловых отложений х ~ сут

- положение уровня конверсии Ь0= 0+3.5 м

- коэффициент фильтрации водоносного горизонта к = 3+34 м/сут

- расстояние водозабора от уреза реки Ь0 = 5+95 м

- мощность водоносного горизонта Н = 7+70 м

Ширина поверхностного водотока составляет для всех вариантов 50 м, что, с учетом вариации коэффициента фильтрации, мощности водоносного горизонта и коэффициента перетока подрусловых отложений, обозначает границы рассматриваемого диапазона приведенной ширины реки в интервале 5+10"2 < й < 35, т.е. от «абсолютно узкой» до «абсолютно широкой».

Для корректного сопоставления результатов, полученных при различном сочетании факторов формирования эксплуатационного водоотбора, допустимое понижение во всех вариантах принимается равным 60% мощности обводненной части водоносного горизонта в естественных условиях (Я0).

Задача исследования влияния природных и технологических факторов формирования свободного режима фильтрации под рекой сводится к определению возможности развития ограниченно-активной структуры эксплуатационного водоотбора для всех возможных сочетаний определенных факторов при достижении допустимого положения уровней подземных вод.

Удобным гидродинамическим критерием существования свободного режима фильтрации под рекой является относительное понижение под урезом реки 5 = , где 5 - текущее понижение уровня под урезом реки, 5° - критическое понижение под урезом реки, превышение которого приводит к формированию свободного режима фильтрации. Условия свободного режима фильтрации подземных вод под рекой существуют в случае, когда 5 > 1.

Исследование влияния выделенных факторов и геофильтрационных параметров методом численного модельного эксперимента проведено по плану, разработанному на основе методики рационального планирования эксперимента Для каждого рассматриваемого сочетания факторов предварительно осуществляется решение стационарной задачи, отвечающей естественным условиям стока,

Рис. 2. Результаты модельных экспериментов. Зависимость относительного понижения уровней подземных вод под урезом реки от: а - коэффициента перетока подрусловых отложений; б - положения уровня конверсии; в - коэффициента фильтрации водоносного горизонта; г - расстояния водозаборного ряда от уреза реки; д - начальной мощности водоносного горизонта под урезом реки. I -экспериментальные значения и их относительная ошибка; 2 - критериальное значение относительного понижения, 3 - аппроксимация экспериментальных данных.

результаты которой используются для определения величины допустимого положения уровня при эксплуатации. На следующем этапе модельного эксперимента для этого сочетания факторов определяется величина водоотбора, приводящая к достижению допустимого уровня подземных вод.

По результатам построены частные зависимости относительного понижения подземных вод под урезом реки 5 от всех рассматриваемых факторов (рис.2). Полученные зависимости являются достаточно простыми - их порядок не превышает вторую степень - и позволяют определить параметрическую область, в которой наиболее вероятно ожидать проявления свободного режима фильтрации под рекой в условиях эксплуатации. Поскольку модельные эксперименты проведены для достаточно большой ширины реки - 50 м, то интерпретировать полученные результаты можно уверенно.

Определение границ параметрической области существования свободного режима фильтрации под рекой позволяет сформулировать следующие выводы:

1. Определяющими факторами являются строение подруслового экрана и, прежде всего, положение уровня конверсии граничного условия на реке. При глубине залегания уровня конверсии граничного условия от дна реки менее 2.5 м эксплуатация подземных вод может приводить к наступлению свободного режима фильтрации под рекой.

2. Наступление свободного режима фильтрации под рекой при эксплуатации наиболее вероятно в области значений коэффициента перетока подрусловых отложений 310"2</<10, сут

3. Конструкция водозаборного сооружения и, прежде всего, его удаленность от реки также контролируют возможность развития ограниченно-активной структуры водоотбора. Особое значение этому фактору придает то, что он является управляемым. При расстоянии ряда эксплуатационных скважин от уреза реки до 70 м эксплуатация подземных вод может приводить к наступлению свободного режима фильтрации под рекой.

4. Развитие ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора определяется и мощностью водоносного горизонта. Вероятность формирования свободного режима фильтрации под рекой при эксплуатации возрастает с увеличением мощности водоносного горизонта, при этом нижняя граница определяется в 15 м.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ДОЛИНАХ МАЛЫХ РЕК

Рассматриваются изменения поверхностного стока при работе водозабора в долине малой реки с учетом балансово-гидрогеодинамических особенностей взаимодействия подземных и поверхностных вод при сопоставимых величинах водоотбора и расхода поверхностного водотока. Водоотбор подземных вод может

приводить не только к значительному ущербу поверхностному стоку, но и к полному его прекращению, что приводит не только к количественным, но и к качественным изменениям характера граничного условия на контуре водотока.

Поскольку задача достоверного учета трансформации граничного условия на реке может быть решена только при совместном модельном представлении факторов формирования подземных и поверхностных вод, то используются математические модели, основанные на геогидрологическом цикле круговорота воды. Применительно к задачам, рассмотренным в работе, с учетом большой временной базы прогностических расчетов эксплуатационного водоотбора (десятки лет), принято, что все процессы формирования поверхностного стока учитываются в постановке гидрогеодинамической части задачи, те. все многообразие факторов формирования поверхностного стока на вышележащей части водосборного бассейна находит свое интегральное отражение в расходе поверхностных вод во входном (верхнем по течению) створе месторождения, а в самом контуре месторождения происходит только взаимодействие водотока с подземными водами.

Решения всех геогидрологических моделей выполнены с использованием алгоритма Streamflow-Routing package.

Главное отличие постановки этой задачи заключается в том, что сезонная изменчивость поверхностного стока представлена гидрографом, отвечающим гидрологическому пониманию этой функции, т е в форме расхода реки. Сезонная изменчивость поверхностного стока - от 50-60 м'/сек в период половодья, до 0.05 м3/сек в существенно более продолжительные меженные периоды - приводит к тому, что величина водоотбора в 40 л/сек, например, может составлять до 80% меженного стока реки. Гидрограф построен для фазово-однородных расходов с месячной дискретизацией годового цикла.

Для объективной оценки значимости схематизации природных условий в рамках геогидрологического подхода проведено сравнительное решение аналогичной задачи в чисто гидрогеодинамической постановке, т.е. без учета влияния ущерба поверхностному стоку на функцию уровня граничного условия 3 рода. Схематизация граничного условия на реке выполнена на основе принятых параметров русла и гидрографа, при этом для точного описания геометрических свойств граничного условия на реке задан продольный уклон дна, составляющий, как и в геогидрологической модели, МО"4.

В естественных условиях, когда режим фильтрации под рекой постоянно является подпертым, различия между гидрогеодинамическим и геогидрологическим подходом к схематизации условия на реке состоит в некотором завышении расхода взаимодействия подземных и поверхностных вод в рамках гидродинамического подхода, обусловленного неизменностью уровня поверхностных вод

При эксплуатации различия гидро геодинамического и геогидрологического подхода к схематизации природных условий рельефно проявляются на этапе

сокращения разгрузки подземных вод в реку. Сокращение разгрузки подземных вод в реку прогрессирует и по мере продвижения вниз по течению формируется расход привлечения поверхностных вод, являющийся частью прямого ущерба речному стоку. Наиболее существенное увеличение ущерба поверхностному стоку происходит на участке свободного режима фильтрации под рекой.

Сопоставление величин минимального расхода реки, полученных в различных условиях схематизации природных условий, показывает, что гидрогеодинамический подход является, с одной стороны, весьма жестким - прогнозный минимальный расход реки в два раза ниже, чем при геогидрологической схематизации, с другой -балансово необеспеченным, поскольку прогнозируемый расход привлечения поверхностных вод получен в предпосылке постоянного уровня в реке.

Проведенные исследования позволяют сформулировать выводы:

1. Применение гидрогеодинамических моделей для проведения прогнозных расчетов может быть оправдано, когда меженный поверхностный сток существенно (в десятки раз) превосходит эксплуатационный водоотбор. В этом случае геогидрологическая модель может рассматриваться как избыточная.

2. Прогнозные расчеты на месторождениях подземных вод в долинах малых рек необходимо выполнять с использованием геогидрологических моделей.

3. Использование гидрогеодинамических моделей, даже при кошроле балансовой обеспеченности граничного условия на реке, может приводить к некорректным и жестким прогнозным оценкам ущерба стоку.

4. Размеры зоны свободного режима фильтрации подземных вод под рекой, полученные на гидрогеодинамических моделях, могут быть занижены.

ГЛАВА 5. ПОСТРОЕНИЕ ВНУТРИГОДОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СТОКА

Рассмотрены приемы построения внутригодового распределения элементов стока. Поскольку в условиях ограниченно-активной БСВ необходимым становится исследование внутригодового распределения поверхностного стока и методов его схематизации при проведении разведочных расчетов, то этим вопросам уделено основное внимание.

Прием построения внутригодового распределения поверхностного стока должен обладать следующими свойствами: во-первых, в необходимом и достаточном объеме отражать внутригодовое распределение стока, во-вторых, полученное распределение должно отвечать нормативной вероятности превышения. Этим требованиям удовлетворяет метод компоновки гидрологических величин.

Поскольку опубликованные результаты расчетов распределения поверхностного стока выполнены методом компоновки, то они могут быть прямо использованы при оценке запасов подземных вод. Определение расчетных гидрологических характеристик должно основываться на данных

гидрометеорологических наблюдений, опубликованных в официальных документах в области гидрологии, что прямо закреплено в действующих СНиП.

Использование опубликованных типовых внутригодовых распределений поверхностного стока при выполнении прогностических расчетов МГТВ особенно полезно на начальных этапах исследований.

Изменчивость величины годового инфильтрационного питания существенно ниже изменчивости годового стока реки, вместе с тем, в условиях формирования ограниченно-активной структуры эксплуатационного водоотбора, особенно в I периоды срабопси накопленных сезонных запасов, роль инфильтрационного

питания может быть существенной. Изменчивость инфильтрационного питания необходимо учесть в том случае, когда развитие депрессионной поверхности вызывает увеличение инфильтрационного питания, вследствие увеличения глубины залегания уровней подземных вод.

ГЛАВА 6. ФОРМИРОВАНИЕ СЕЗОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В

ДОЛИНАХ МАЛЫХ РЕК

Проведено изучение факторов формирования сезонных запасов подземных вод. Определение основных факторов, контролирующих формирование сезонных запасов, позволило предложить диагностические признаки, использование которых может быть полезным при проведении разведочных работ и оценке запасов подземных вод. Предлагаемые признаки могут также использоваться при анализе режимных наблюдений в ходе эксплуатации действующих водозаборов.

В развитие серии численных модельных экспериментов, предпринятой для определения границ параметрической области существования свободного режима фильтрации под рекой, выполнено решение нестационарных задач нарушенного режима эксплуатации. Диапазон параметров и численная реализация моделей полностью сохранены. Отличие обусловлено нестационарной постановкой задачи и соответствующим включением в число параметров гравитационной емкости в диапазоне 0 05 <//<032.

Проведенный параметрический анализ балансовых характеристик формирования сезонных запасов подземных вод позволяет сделать выводы'

1. Определяющим фактором является коэффициент перетока подрусловых экранирующих отложений. С учетом его возможной сезонной изменчивости, определяемой особенностями различных фаз стока поверхностного водотока, этот параметр необходимо детально исследовать для достоверного прогнозирования развития ограниченно-активной БСВ.

2. Различные варианты конструкции водозаборного сооружения, прежде всего расстояние от реки, обязательно должны рассматриваться в модельных экспериментах на различных стадиях оценочных и разведочных работ. Конструкция водозаборного сооружения может эффективно использоваться для

оптимизационной постановки задачи оценки эксплуатационных запасов, поскольку существенно влияет на формирование сезонных запасов и является управляемой.

Влияние рассматриваемых факторов и геофильтрационных параметров на гидродинамическую обстановку месторождения подземных вод исследовано с помощью показателя относительной амплитуды А годового хода уровней подземных вод на урезе реки и в створе водозаборного ряда.

В естественных условиях стока годовая амплитуда колебаний уровней подземных вод не зависит от положения уровня конверсии граничного условия на реке. В нарушенных условиях при малых глубинах залегания уровня конверсии происходит быстрое формирование ограниченно-активной БСВ, когда существенно возрастают амплитуды колебаний уровней подземных вод.

Зависимость относительной амплитуды от расстояния водозаборного ряда до реки обусловлено закономерностями распространения гидродинамических возмущений при эксплуатации подземных вод. С увеличением расстояния водозаборного ряда от реки уменьшается вероятность формирования ограниченно-активной БСВ, а также область развития свободного режима фильтрации подземных вод под рекой. Уменьшение области развития свободного режима фильтрации и обусловливает падение относительной амплитуды на урезе поверхностного водотока с ростом расстояния от водозаборного ряда до реки.

Зависимость относительной амплитуды от мощности водоносного горизонта является прямолинейной в области развития ограниченно-активной БСВ как на урезе водотока, так и в створе водозаборного ряда В створе водозаборного ряда возрастание относительной амплитуды при увеличении мощности проявляется значительно сильнее, что связано с процессами сработки и накопления гравитационной емкости, в которой формируются сезонные запасы.

Относительная амплитуда с ростом гравитационной емкости монотонно убывает. Наблюдаемая зависимость объясняется увеличением объема воды освобождаемого или накапливаемого при одинаковом изменении уровня подземных вод с ростом величины гравитационной водоотдачи.

Изменение амплитуд колебаний уровней определяется процессами формирования сезонных запасов подземных вод. Поведение амплитуд колебаний уровней подземных вод является важным диагностическим признаком существования ограниченно-активной БСВ. Наблюдения за режимом подземных вод, выполняемые на эксплуатируемых месторождениях подземных вод в рамках объектного мониторинга, могут оказаться вполне эффективными для диагностики балансовой структуры водоотбора, поскольку предлагаемый диагностический признак легко может бьггь установлен при осуществлении режимных наблюдений и, что особенно важно, без существенных специальных затрат.

Выполненная оценка возможной доли сезонных запасов в общем эксплуатационном водоотборе доказывает возможность доминирующей роли

сезонной изменчивости как в обеспечении эксплуатационного водоотбора, так и в формировании гидрогеодинамики месторождения в целом.

Изменение конструкции водозабора позволила в рассмотренных вариантах при сохранении допустимого понижения уровня подземных вод увеличить водоотбор более чем в 2 раза При этом раскрылись реальные эксплуатационные возможности месторождения - доля сезонных запасов в общем водоотборе превышает 60%.

Изменения относительной амплитуды колебания уровней подземных вод А, I вытянутостъ зоны максимальных изменений вниз по течению реки и ее

расположение в целом ниже «центра тяжести» ряда эксплуатационных скважин являются следствием балансовой конверсии граничного условия на реке в меженный период и дают представление о пространственном распределении сезонных запасов подземных вод, формирующихся за счет ресурсов поверхностных вод, а также гидрогеодинамических условий их формирования и сработки

Увеличение эксплуатационного водоотбора не отразилось на величине ущерба поверхностному стоку в меженный период, поскольку даже при существенно меньшей величине водоотбора поверхностный сток полностью перехватывался.

Характер изменения речного стока позволяет сформулировать важнейший вывод о том, что если условия ограниченно-активной БСВ существуют постоянно, то ущерб поверхностному стоку в зоне свободного режима фильтрации под рекой в любой период времени не зависит ни от конструкции водозаборного сооружения, ни от расхода водоотбора.

ГЛАВА 7. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ВОДООТБОРА ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Г.БЕЛГОРОДА

Проведен анализ формирования эксплуатационного водоотбора на водозаборных сооружениях г. Белгорода. Достаточная геологическая и гидрогеологическая изученность территории позволяет объективно рассмотреть условия формирования эксплуатационного водоотбора в районе г. Белгорода и убедительно доказать доминирующую роль сезонной изменчивости поверхностного стока в формировании сезонных запасов подземных вод.

Рассмотрены природные условия, геологическое строение, гидрогеологические и гидрологические особенности.

Выполненный анализ материалов оценок эксплуатационных запасов подземных вод позволяет констатировать, что крупные региональные работы, такие как оценка эксплуатационных запасов подземных вод верхнемелового водоносного комплекса северо-восточной части Днепровско-Донецкого артезианского бассейна, не могут, в силу принятой пространственно-временной дискретизации, а также часто формальной схематизации гидрогеологического строения, рассмотреть круг

вопросов, связанный с влиянием изменчивости стока на балансово-гидрогеодинамические условия месторождения.

Исследована эволюция представлений о формировании эксплуатационных запасов при изучении, разведке и защите эксплуатационных запасов по ВЗУ №3, расположенному в устье р Гостенка Первоначально эксплуатационные запасы были утверждены в 1964 г. в количестве 16.2 тыс. м3/сут. Эксплуатация осуществлялась с постепенным возрастанием дебита, который достиг в 1983 г 43 1 тыс. м3/сут и затем понизился в 1985 г до 38.4 тыс м3/сут. При детальной разведке ВЗУ №5,6 в 1986 г. B.C. Плотниковым были также переутверждены эксплуатационные запасы по ВЗУ №3 в количестве 38 тыс. м3/сут по фактически достигнутому дебиту водозабора. Эксплуатационные запасы утверждены по промышленным категориям в авторском варианте. Основным балансовым источником формирования эксплуатационных запасов принималось поглощение дождевых вод на склонах речных долин, где сантон-маастрихтсткий водоносный горизонт обнажается. Отмеченная особенность геологического строения позволила B.C. Плотникову обосновать величину инфильтрационного питания на участках склонов до 170 мм/год.

По результатам проведенных работ выполнена переоценка эксплуатационных запасов, при которой рассмотрен вариант работы водозабора в период 50% и более высокой водности с последующей сменой на 7 летний период, характеризуемый водностью менее 50% В период высокой водности водоотбор компенсируется полностью естественными ресурсами подземных вод, а в период низкой водности осуществляется сработка емкостных запасов водовмещающих отложений. В следующий период высокой водности происходит восполнение сработанных емкостных запасов.

В такой постановке запасы переутверждены в ГКЗ СССР в авторском варианте с присуждением высокой оценки. Увеличение эксплуатационных запасов, по сравнению с результатами первого утверждения в 1964 г, составило более чем 2 раза.

Таким образом, В.С Плотниковым обосновывается влияние сезонной изменчивости инфильтрационного питания на формирование эксплуатационного водоотбора ВЗУ № 3. Вместе с тем, внутригодовая изменчивость поверхностного стока в разведочных расчетах не учитывается, а обосновываются только расчетные значения заданной обеспеченности. Чрезвычайно важен и тот факт, что фактическое формирование сезонных запасов не получило должного объяснения и не увязано с условиями ограниченно-активного типа балансовой структуры эксплуатационного водоотбора.

Используя материалы выполненных оценок эксплуатационных запасов, на основе данных о режиме подземных вод и данных по их эксплуатации выполнено решение задачи оценки эксплуатационного водоотбора на участке водозабора № 3, 5

для водоснабжения г. Белгорода с учетом сезонной изменчивости поверхностного стока и инфильтрационного питания подземных вод.

В основу расчетов положены материалы ранее проведенных разведочных работ, конструкция водозаборных сооружений и эксплуатационный водоотбор воспроизведены по состоянию на 2000 год. Схематизация гидрогеологического строения территории выполнена в соответствии с результатами проведенных работ по оценке эксплуатационных запасов. Рассматривается плановая модель фильтрации в напорно-безнапорном водоносном горизонте сантон-маастрихтских отложений I Плановые размеры области приняты 10 на 12 км, что позволило рассмотреть на

модели всю область влияния ВЗУ №3 и 5.

Поверхностные водотоки схематизированы граничным условием 3 рода, учитывающим возможностью конверсии Продольный профиль русла для каждого поверхностного водотока вычислен на основе данных о рельефе поверхности земли и урезах уровней с применением интерполяционного алгоритма, обеспечивающего монотонный характер изменения функции вдоль контура граничного условия.

Необходимое для геогидрологической постановки расчетное внутригодовое распределение поверхностного стока выполнено методом компоновки и отвечает 95% вероятности превышения.

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод с учетом изменчивости стока выполняется в нестационарной постановке. Для рассматриваемого водоносного горизонта принята гравитационная водоотдача в 0.05, что согласуется с результатами обработки опытно-фильтрационных работ

Временная дискретизация задачи осуществлена равномерными интервалами, длительностью в один месяц. Суммарный рассматриваемый период изменчивости, длительностью эквивалентной календарному году, разбит, таким образом, на 12 временных интервалов. На каждом временном интервале выполняется 4 расчетных шага, рассматриваются результаты, полученные на конец каждого временного интервала.

Решение задачи выполнено численными методами на основе конечно-разностной дискретизации моделируемой области равномерной регулярной сеткой с шагом в 50 м. Вычислительная схематизация выполнена в общепринятой постановке геогидрологической задачи, решение получено в полных напорах. На модели воспроизведены периоды водности, отвечающие 75% и 95% вероятности превышения.

Проведено решение задачи, отвечающей условиям до эксплуатации, на основании которой получены характеристики балансово-гидрогеодинамической ситуации, используемые для построения дельта-баланса. В естественных условиях стока режим фильтрации подземных вод под реками имеет повсеместно подпертый характер, в периоды половодья и паводков развиваются процессы берегового регулирования поверхностного стока. Годовая амплитуда колебаний уровней

подземных вод составляет 0.5-1.5 м. Полученные значения напоров подземных вод в области ВЗУ №3 и 5 и вблизи поверхностных водотоков отличаются от наблюдаемых на величину 1-5 м, что может быть принято удовлетворительным для решения поставленной задачи.

Результаты расчетов для года 95% вероятности превышения убедительно показывают доминирующую роль сезонных запасов в обеспечении эксплуатационного водоотбора. Анализ баланса полного цикла изменчивости позволяет оценить относительную долю сезонных запасов в 35-40% общей величины водоотбора. Вместе с тем, в периоды меженного поверхностного стока доля сезонных запасов в обеспечении эксплуатационного водоотбора возрастает до 70%, ущерб поверхностному стоку составляет до 30%, а прямые потери речного стока не превышают 20% величины водоотбора. Эксплуатационный водоотбор наносит значительный ущерб поверхностному стоку, что приводит к полному его перехвату в период летней межени, что согласуется с фактическими данными.

Гидрогеодинамическая картина месторождения соответствует условиям ограниченно-активной БСВ, условия свободного режима фильтрации подземных вод под реками существуют постоянно, амплитуды внутригодовых колебаний уровня подземных вод изменились по сравнению с естественными условиями стока в 7-9 раз и составляют 15 м.

Выполненные расчеты подтверждают определяющую роль изменчивости стока в формировании эксплуатационного водоотбора в условиях ограниченно-активного типа его балансовой структуры. Построение модели месторождения с учетом изменчивости стока, откалиброванной на основе существующих данных режимных наблюдений и воспроизводящей продолжительный опыт эксплуатации, позволит дать точную количественную оценку влиянию изменчивости инфильтрационного питания и поверхностного стока на формирование эксплуатационного водоотбора.

На основе полученных результатов можно сформулировать следующие выводы:

1. Условия ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора, свойственные водозаборам г. Белгорода, позволяют за счет формирования сезонных запасов подземных вод обеспечить водоотбор, превышающий суммарный годовой сток р Везелка маловодного года 95% вероятности превышения на 25%, с полным перехватом стока реки только в период летней межени.

2. Рассмотренные механизмы формирования баланса эксплуатационного водоотбора позволяют определить понятие регулирующей емкости для Северо-Донецкой группы месторождений подземных вод в речных долинах как формирование сезонных запасов подземных вод за счет внутригодовой изменчивости ресурсов поверхностных вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении подводятся итоги работы, формулируются основные ее результаты и защищаемые положения.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Сезонная изменчивость поверхностного и, в меньшей степени, подземного стока является запасообразующим фактором, т.е. оказывает количественное влияние на характер индикаторной связи «дебит - понижение», только в условиях долговременного существования достаточно обширной зоны свободного режима фильтрации под рекой. Такая гидрогеодинамическая обстановка определяет ограниченно-активную балансовую структуру эксплуатационного водоотбора с формированием значимых величин сезонных емкостных запасов и характерна, главным образом, для месторождений подземных вод в долинах малых рек.

2. Поисковым признаком для данного типа месторождений является совокупность параметрических показателей, среди которых наиболее значимыми являются: высокое положение уровня конверсии граничного условия (не ниже 2.5 м от дна реки), средняя степень несовершенства реки (удельное фильтрационное сопротивление экрана в диапазоне 0.1 - 30 сут), достаточная мощность водоносного горизонта (более 15 м).

3. Наиболее эффективным для формирования сезонных запасов подземных вод является широко распространенный на территории России тип гидрологического режима с преобладающим снеговым питанием, характеризующийся одно- двухвершинным гидрографом с выраженным весенним половодьем, концентрирующим основной объем годового стока, и продолжительным периодом низкой водности.

4. Достоверный прогноз работы водозабора и его воздействия на окружающую среду для этого типа месторождений возможен только на основе геогидрологической модели с реализацией внутригодовой изменчивости стоковых характеристик. Для обоснования расчетного внутригодового распределения поверхностного стока наиболее эффективен метод компоновки гидрологических величин, позволяющий получить распределение фазово-однородных расходов нормативной вероятности превышения при произвольной временной дискретизации.

Учет сезонной изменчивости стока малых рек позволяет повысить расчетную производительность водозаборных сооружений от 15-30% при ординарной параметрической характеристике месторождения до 100-150% при экстремально благоприятном сочетании параметров.

5. В условиях ограниченно-активной балансовой структуры водоотбора ущерб стоку малой реки на участке свободного режима фильтрации под рекой

утрачивает функциональную связь с величиной и схемой водоотбора и определяется только режимом поверхностного стока и экранированностыо русла.

6. При разведке подземных вод в малых речных долинах приоритетное значение должно придаваться изучению генезиса и фильтрационного строения подрусловой экранирующей толщи для обоснования ее параметрических характеристик и положения плоскости потенциального разрыва привлекаемого потока. Необходимо предпринять расширенный комплекс гидрологических работ для оценки параметров гидравлической модели водотока и обоснования функции внутригодового распределения речного стока в зоне месторождения с нормативной вероятностью превышения.

Для окончательной идентификации типа месторождения при его освоении целесообразно предусматривать этап опытно-промышленной эксплуатации с организацией достаточной сети мониторинга щдрогеодинамнческого и гидрологического режима Однозначным диагностическим признаком проявления ограниченно-активного типа баланса эксплуатационного водоотбора является отчетливо выраженное существенное возрастание амплитуд внутригодовых колебаний уровней подземных вод по сравнению с их естественной величиной и с амплитудой изменения уровней реки. Эти явления развиваются на 2-3-й год эксплуатации и наиболее выражены в прирусловой части днища долины.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Маслов А. А. Применение факторно-диапазонного анализа для оптимизации поисково-разведочных работ на месторождениях подземных вод // Сборник докладов III международной конференции Экватек 2000. М • 2000. С 251-252

2 Маслов А. А. Процессы взаимодействия подземных и поверхностных вод, развивающиеся при эксплуатации приречных месторождений пресных подземных вод // II конференция пользователей и партнеров «Геолинка» (доклады и сообщения). М.: ИНФОКОМ-ГЕО, 2001. С.122-127.

3 Маслов А. А. Влияние изменчивости поверхностного стока на структуру эксплуатационного водоотбора на месторождениях подземных вод в речных долинах // Сборник избранных докладов V международной конференции "Новые идеи в науках о земле". М.: 2002. С. 265-273

4 Маслов А А. Особенности взаимодействия подземных и поверхностных вод при работе водозаборных сооружений // Тезисы докладов V международной конференции "Новые идеи в науках о земле". М.: 2002. С. 67

5 Маслов А. А., Штенгелов P.C. Типизация баланса эксплуатационных запасов на

»19425

РНБ Русский фонд

2005-4 12411

№

>Ц

Заказ № 423 Подписано в печать 14 10 04 Тираж 120 экз. Уел п л. 1,5

ООО "Цифровичок", тел 741-18-71, 505-28-72 \vww.cfr ги

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Маслов, Алексей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Основные сведения и характеристика месторождений подземных вод в речных долинах

1.1. Месторождения подземных вод в речных долинах

1.2. Балансовая структура эксплуатационных запасов

1.3. Анализ механизмов взаимодействия подземного и поверхностного стока, особенности их протекания в условиях сезонной изменчивости

1.3.1 Механизмы взаимодействия подземных и поверхностных

1.3.2. Формирование свободного режима фильтрации подземных вод под рекой

1.3.3. Закономерности процессов осушения и насыщения пород

ГЛАВА 2. Изучение влияния сезонной изменчивости стока на формирование баланса эксплуатационного водоотбора

2.1. Особенности постановки гидрогеодинамической задачи в условиях изменчивости поверхностного и подземного стока

2.2. Постановка задачи исследований

2.3. Однослойная расчетная схема

2.3.1. Схематизация модельных экспериментов

2.3.2. Изучение гидрогеодинамических процессов при изменчивом поверхностном стоке

2.3.3.Естественные условия формирования стока

2.3.4. Нарушенные эксплуатацией условия формирования стока.

2.4. Двуслойная расчетная схема

2.4.1. Схематизация модельных экспериментов

2.4.2. Естественные условия формирования стока

2.4.3. Нарушенные эксплуатацией условия формирования стока

2.5. Особенности гидрогеодинамических процессов при изменчивом подземном стоке

ГЛАВА 3. Оценка параметрической области существования свободного режима фильтрации подземных вод под рекой

3.1. Постановка задачи исследований

3.2. Методика численных модельных экспериментов

3.3. Результаты модельных экспериментов и их обсуждение

ГЛАВА 4. Исследование изменения поверхностного стока при эксплуатации месторождений в долинах малых рек

4.1. Гидравлическая модель поверхностного водотока

4.2. Практические решения гидравлической модели поверхностного водотока

4.3. Изучение влияния эксплуатационного водоотбора на формирование ущерба поверхностному стоку

ГЛАВА 5. Построение внутригодового распределения элементов стока

5.1. Построение расчетного распределения поверхностного стока

5.2. Факторы внутригодового распределения поверхностного стока

5.2.1. Климатические факторы

5.2.2. Факторы подстилающей поверхности

5.3. Географические закономерности внутригодового распределения поверхностного стока

5.4. Изменчивость инфильтрационного питания подземных вод

ГЛАВА 6. Формирование сезонных запасов подземных вод в долинах малых

6.1. Исследование влияния факторов формирования сезонных запасов

6.2. Роль сезонных запасов в эксплуатационном водоотборе

6.3. Особенности разведки и оценки эксплуатационных запасов

ГЛАВА 7. Анализ условий формирования эксплуатационного водоотбора для водоснабжения г. Белгорода

7.1: Орогидрографическая и климатическая характеристика природных условий

7.1.1 Климат

7.1.2 Гидрография

7.2. Геологическое строение

7.3. Гидрогеологические условия

7.4. Эксплуатационный водоотбор.

7.5. Режим подземных вод

7.6. Анализ произведенных оценок эксплуатационных запасов подземных вод

7.7. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод с учетом изменчивости стока

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока на формирование эксплуатационных запасов подземных вод приречных месторождений"

Приоритетным направлением использования поверхностных и подземных водных объектов, в соответствии с ст. 133 Водного кодекса России, является их использование для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения. При этом особо подчеркивается требование их защищенности, что позволяет рассматривать подземные воды как основной источник хозяйственно-питьевого водоснабжения. Кроме того, подземные воды обладают значительной инерционностью - вследствие сопротивления водовмещающих пород — и некоторой зарегулированностью стока, что также ставит их на особое место по сравнению с поверхностными водами, особенно с позиций гарантированной подачи воды потребителю.

По данным Л.С. Язвина [86], доля подземных вод в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения составляет 46%, при этом в водоснабжении городского населения эта величина оценивается в 35-38%, а в сельскохозяйственном водоснабжении около 85%. Значительная часть коммунальных систем централизованного хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения базируется на эксплуатации месторождений подземных вод (МПВ). Так [85], около 68% городов и поселков городского типа снабжаются преимущественно (более 90%) подземными водами, еще 12% имеют смешанные источники водоснабжения.

Водоснабжение крупных населенных пунктов, тем более крупных агломераций (Московской, например), осуществляется в основном за счет поверхностных вод. Л.С. Язвин отмечает [85] уменьшение удельного веса использования подземных вод с увеличением населения города. Так, преимущественно подземными водами обеспечивается 79% городов России с населением до 50 тыс., 55%- с населением до 100 тыс., 30% - с населением свыше 100 тыс. человек. Известно, что подобная тенденция является общемировой и обусловлена высокой стоимостью подачи больших объемов воды на большие расстояния, поскольку вблизи крупных городов обеспечить объем эксплуатационного водоотбора подземных вод в достаточном количестве мало реально.

Сложившаяся практика водоснабжения крупных населенных пунктов обладает рядом существенных недостатков, основными из которых являются:

• незащищенность поверхностных источников от загрязнений требует хорошо налаженной системы водоподготовки, обеспечивающей оперативное управление качеством воды, подаваемой водопотребителю;

• обеспечение бесперебойной подачи и транспортирования поверхностных вод требует сложной системы поверхностной гидротехнической инфраструктуры водохранилища, каналы, насосные станции), наличие которой создает проблемы в землепользовании;

• высокая зависимость гарантированности подачи воды от внутригодовой и многолетней изменчивости гидрометеорологических факторов;

• уязвимость в чрезвычайных ситуациях.

Следует подчеркнуть, что если первые два недостатка скорее относятся к экономическим и (в определенных ситуациях) могут таковыми не являться, то тесная связь гарантированной водоподачи с изменчивостью стока, потенциально способная привести к чрезвычайным (Владивосток, 2003-04) ситуациям, ставит вопрос о создании альтернативных резервных источников водоснабжения.

Повышение доли подземных вод в балансе водопотребления во многом снимает перечисленные недостатки систем водоснабжения населенных пунктов. Согласно «Инструкции по подготовке и работе систем хозяйственно-питьевого водоснабжения в чрезвычайных ситуациях», утвержденной в 2002 г. Госстроем России, системы хозяйственно-питьевого водоснабжения должны базироваться не менее, чем на двух независимых водоисточниках. Эти системы должны отвечать следующим общим требованиям:

• для надежного обеспечения хозяйственно-питьевого водоснабжения населения должны использоваться, в первую очередь, все ресурсы подземных вод;

• поверхностные водоисточники могут быть использованы только в случае дефицита подземных вод, при этом доля поверхностных водоисточников в общем балансе водопотребления города не должна превышать 50% общей производительности системы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Признанием высокой уязвимости систем водоснабжения Московской агломерации, например, может служить Постановление Правительства Москвы от 23 июля 1996 г. N 624 "О мерах по обеспечению города водными ресурсами в условиях маловодного года".

Проблема надежного водоснабжения г. Москвы и городов Московской области рассматривается на уровне Правительства Российской Федерации (постановление от 28.01.97 N 75 "О мерах по обеспечению устойчивого водоснабжения г. Москвы и Московской области"), утвердившем предложения Правительства Москвы и Администрации Московской области по созданию Объединенной системы водоснабжения Москвы и городов Московской области с использованием подземных вод. Реализация принятого решения позволит создать надежную систему водоснабжения Москвы и городов Московской области и даст возможность, в случае экстремальной ситуации, обеспечить каждого жителя региона питьевой водой в количестве 100-120 литров в сутки.

В этой связи на первый план выдвигаются не только задача поиска новых МПВ, но и проблема совершенствования и повышения достоверности методики прогностических оценок, выполняемых при оценке и переоценке эксплуатационных запасов на действующих месторождениях подземных вод.

Совершенствование методики оценки, в первую очередь, должно быть направлено на повышение адекватности используемых расчетных схем за счет учета всех природных процессов, участвующих в формировании эксплуатационного водоотбора на месторождениях подземных вод. Прежде всего необходимо совершенствовать балансово-гидродинамические расчетные схемы, определяющие связь «дебит-понижение», поскольку все остальные другие обязательные аспекты оценки эксплуатационных запасов являются в значительной степени производными от баланса водоотбора.

До настоящего времени при подсчете эксплуатационных запасов подземных вод часто применяются аналитические схемы расчетов, а также жестко схематизированные модели, разработанные для типовых случаев. Признавая достоинства простых схем оценки на начальных этапах разведки, требующих рамочных экспертных оценок, нельзя не отметить, что эти схемы именно потому простые, что в них не учитывается все многообразие сложных процессов формирования эксплуатационного водоотбора. Важно подчеркнуть и то обстоятельство, что со времени получения большинства аналитических решений прошло несколько десятилетий и многие из открытых в этот период механизмов формирования эксплуатационных запасов в настоящее время изучены в степени, достаточной для их рассмотрения и количественного учета в расчетных схемах.

Применение простых схем расчета обычно оправдывается соображениями «инженерного запаса», размер которого никак не обосновывается и часто неясен. Следует подчеркнуть, что использование идеологии «инженерного запаса» приводит к неадекватным инженерным решениям, но самое главное — к искажению представлений о водохозяйственном балансе территорий из-за занижения реальных возможностей освоения подземных вод для водоснабжения.

Все высказанные соображения в полной мере применимы и особо значимы для МПВ в речных долинах как наиболее распространенного типа МПВ [8,37,50]. Значительный (до 60-70%) удельный вес этих месторождений в общем балансе использования подземных вод определяется:

• наличием очевидных и надежных источников балансовой обеспеченности водоотбора в виде поверхностных водотоков и очагов естественной разгрузки подземных вод (родники, русловая разгрузка);

• неглубоким залеганием уровней подземных вод, существенно снижающем эксплуатационные затраты на водоподъем;

• во многих случаях - повышенными фильтрационными свойствами коллекторов (в первую очередь, скальных) по сравнению с междуречными пространствами;

• близостью к водопотребителям, поскольку большинство населенных пунктов тяготеет к речным долинам разного порядка.

Особое место в общей совокупности месторождений этого типа занимают МПВ в долинах малых рек. В немалой мере это обусловлено резким преобладанием малых водотоков в составе гидрографической сети — по имеющимся в гидрологической литературе оценкам [52], до 94% рек России относится к разряду «малых». Такие месторождения требуют особого рассмотрения, поскольку отличаются тесной взаимозависимостью ресурсов подземных и поверхностных вод в границах общих местных водосборов. Эксплуатационный водоотбор на таких месторождениях оказывает значимое влияние на всю водно - балансовую обстановку территории и может приводить к неблагоприятным экологическим последствиям. Именно эти отличительные особенности обусловливают трудности, с которыми сталкиваются специалисты при изучении, оценке запасов и освоении месторождений подземных вод в долинах малых рек.

Сопоставимость речного стока с величиной водоотбора наряду с высокими требованиями обеспеченности подачи воды приводит к тому, что расчетный водоотбор ограничивают статистически жестким минимумом речного стока. Для систем централизованного водоснабжения 1-й категории обеспеченности подачи воды принимается [8] 95% вероятность превышения (обеспеченность) месячных или 30-суточных расходов поверхностных водотоков. Нужно заметить, что при таком подходе весь объем «излишков» речного стока над принятой низководной величиной исключается из рассмотрения. Это означает, что значительная часть поверхностного стока не рассматривается в расчетах вообще, не говоря уже о возможном участии этой части стока в формировании баланса эксплуатационного водоотбора, в том числе и с позиций качества подземных вод.

Оценка ущерба речному стоку при работе водозаборов производится обычно простым балансовым сравнением. Учитывая, что в расчетных схемах используется величина стока, фактически характеризующая меженный период водности рек, оценки ущерба речному стоку являются, как правило, очень жесткими и неадекватными с • природохранных позиций. Необходимо отметить, что сложившаяся практика оценки ущерба речному стоку балансовым сравнением не во всех случаях верна, поскольку не учитывает особенностей изменения процессов взаимодействия подземных и поверхностных вод, развивающихся при эксплуатации подземных вод в реальных условиях сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока.

Вместе с тем, месторождениям подземных вод в долинах малых рек в существующей научной литературе уделяется недостаточное внимание - особенности формирования эксплуатационных запасов для них рассматриваются буквально в единичных научных работах. То же можно сказать и о большей части методической и нормативной литературы, посвященной различным аспектам разведки, оценки запасов и анализу опыта эксплуатации месторождений подземных вод в долинах рек. Рассматривая закономерности формирования эксплуатационных запасов на таких месторождениях, авторы, за редким исключением, используют расчетные схемы, полученные и подтвержденные на месторождениях в «больших» речных долинах. Особенности же взаимодействия подземных и поверхностных вод, влияние высокой сезонной изменчивости подземного и поверхностного стока, малые размеры в плане и разрезе самих месторождений подземных вод в долинах малых рек в настоящий момент изучены, по нашему мнению, недостаточно.

В соответствии с действующими "Временными методическими рекомендациями по установлению минимальных допустимых расходов воды в реках для оценки возможных изъятий водных ресурсов при выдаче лицензий на социальное водопользование", утвержденными Министерством природных ресурсов Российской Федерации в 1997 году, необходимо контролировать величину ущерба поверхностному стоку. JI.C. Язвин [84] отмечает, что некоторые из приведенных в указанных методических рекомендациях нормы по существу исключают возможное использование подземных вод в маловодные периоды с вероятностью превышения 95%, что может негативно сказаться на обеспечении населения отдельных районов водой питьевого качества. В связи с этим целесообразна подготовка специального нормативно-методического документа, определяющего особенности определения допустимого влияния отбора подземных вод на поверхностный сток [84]. К.Н. Цыганова [71] приводит систематизацию аналитических выражений для оценки величины сокращения речного стока при эксплуатации приречного водозабора в широком диапазоне схематизации. Практическая применимость ряда приводимых решений самим автором ставится под сомнение, поскольку аналитические решения предполагают высокую степень схематизации сложных условий, что существенно снижает практическую применимость выводов этой работы.

Необходимо также отметить, что гидродинамические расчеты водозаборов для месторождений подземных вод в речных долинах практически всегда базируется на решениях, полученных для установившегося движения подземных вод, что обосновывается достаточно быстрой стабилизацией депрессионной поверхности подземных вод при близком расположении основного балансообеспечивающего граничного условия — реки. Влияние реальной изменчивости поверхностного стока на условия формирования эксплуатационного водоотбора обычно не изучается.

Однако, не подлежит сомнению, что постановка задачи оценки запасов подземных вод в предпосылке установившегося поверхностного и подземного стока не адекватна реальным процессам на месторождении подземных вод в речных долинах, поскольку ярко выраженная сезонная изменчивость подземного и поверхностного стока не может не влиять на гидрогеодинамические особенности таких месторождений. В условиях эксплуатации подземных вод сезонная изменчивость стока может оказывать влияние и на связь «дебит-понижение», т.е. являться одним из факторов оценки величины эксплуатационных запасов. Для крупных рек, минимальный сток которых значительно превосходит эксплуатационные запасы месторождения, существующие упрощения расчетных схем не влияют на конечные результаты оценок. Важно отметить, что в этом случае фактически применяется идеология «инженерного запаса» прогнозного расчета, когда оценить адекватность прогностических оценок и масштабы «запаса» [7] очень сложно. Принимаемый «инженерный запас» фактически включает в себя процессы внутригодового распределения подземного и поверхностного стока, процессы берегового регулирования. Объем же «инженерного запаса» эквивалентен высокообеспеченной величине регулировочных запасов (по Н.А. Плотникову).

Для месторождений подземных вод в долинах малых рек исключение сезонной изменчивости из числа запасообразующих факторов может приводить к гораздо более нежелательным последствиям, вплоть до неэффективных технико-экономических решений. Погрешность прогноза уровенного режима может приводить к негативным экологическим последствиям. Далеко не всегда допустимо часто применяемое разобщение задач оценки эксплуатационных запасов и расчета ущерба речному стоку. Так, при сопоставимости расходов поверхностных вод и эксплуатационных запасов подземных вод, что является характерным для месторождений подземных вод в долинах малых рек [27], как правило, требуется совместное решение гидрологической и гидрогеодинамической задачи. Только комплексная постановка геогидрологических расчетов позволяет обеспечить достоверную оценку эксплуатационных запасов при адекватном воспроизведении условий их формирования, а также дать прогноз реального баланса и изменения уровней подземных вод при эксплуатации.

В последнее время активно развивается системный подход к изучению процессов водообмена, в том числе - и на месторождениях подземных вод. Полная картина совместного движения подземных и поверхностных вод чрезвычайно сложна и только в последнее время с развитием гидродинамических методов исследования (в первую очередь - математического моделирования) стала возможна подобная постановка задачи. Значительное продвижение в этом направлении связано с работами J1.K. Гохберга, С.О. Гриневского, С.Н. Епихова, А.А. Кашеварова, И.С. Пашковского, С.П. Позднякова, А.А. Рошаля, В.Г. Румынина, В.М. Шестакова, Р.С. Штенгелова, M.S. Hantush, С.Е. Jacob, W. Kinzelbach, M.G. McDonald, S.P. Neuman, S.S. Papadopulos, C.V. Theis, W.Z. Zhang и др. К настоящему времени теоретически изучены механизмы взаимосвязи подземных и поверхностных вод, созданы совместные геогидрологические модели, совмещающие гидродинамические и гидрологические расчеты. Развитие гидрогеодинамических методов исследования позволяет проводить изучение месторождений подземных вод с использованием разведочных моделей, допускающих стохастическую постановку задачи движения подземных и поверхностных вод, с оценкой масштаба погрешностей самих расчетов. Последнее обстоятельство особенно важно, поскольку в настоящее время общая напряженность водообеспечения предъявляет все более высокие требования к качеству прогностических оценок эксплуатационных запасов.

Необходимо заметить, что принятая в нашей стране практика постановка задачи оценки эксплуатационных запасов подземных вод не характерна для зарубежных стран. Интересно отметить, что [10]: «В ряде направлений, таких как региональная оценка ресурсов, региональное прогнозирование их величины, выявление и раскрытие условий формирования эксплуатационных запасов подземных вод, зарубежные аналоги такого уровня по существу отсутствуют». Вместе с тем, несмотря на различные подходы к формулировке задачи оценки запасов подземных вод, за рубежом накоплен значительный теоретический и практический материал в этой области.

Совместное рассмотрение гидрологических и гидрогеодинамических процессов в рамках геогидрологической модели позволяет непосредственно, в пространственно-временной постановке, оценивать величины ущерба поверхностному стоку, что для малых рек принципиально важно из-за взаимозависимости ущерба и величины эксплуатационного водоотбора.

Наличие месторождения в каждом конкретном случае обусловлено благоприятным сочетанием условий формирования подземных и поверхностных вод, важнейшей основой которых являются подверженные сезонной изменчивости гидрометеорологические факторы. В то же время влияние сезонной изменчивости стоковых характеристик на процессы формирования эксплуатационных запасов практически не изучено.

В существующей литературе [8] влияние сезонной изменчивости поверхностного стока на формирование эксплуатационных запасов подземных вод связывается с так называемой «регулирующей емкостью» водоносных горизонтов и соответствующим «восполнением запасов» подземных вод. Представления о регулирующей емкости, как и идеи комплексного использования ресурсов подземных и поверхностных вод [39], базируются на идее использования «излишков» стока в периоды высокой водности с целью покрытия дефицита стока в периоды низкой водности. Балансовая обеспеченность емкостного регулирования и комплексного использования ресурсов определяется только сезонной изменчивостью элементов водного баланса — подземного и поверхностного стока. Механизмы функционирования регулирующей емкости при этом остаются неясными, в чем их отличие от формирования регулировочных запасов, соотношение с процессами берегового регулирования - эти вопросы, тем более количественные критерии, до сих пор не получили ясного толкования.

Описанные в методической литературе примеры оценки восполнения емкостных запасов [8,37], сработанных в периоды низкой водности, не связываются с режимом взаимосвязи подземных и поверхностных вод в нарушенных эксплуатацией условиях.

Между тем к настоящему времени в научной литературе сформированы [80, 81] общие представления о принципиальных различиях условий формирования эксплуатационных запасов в зависимости от режима граничного условия на реке. Известно, что в естественных условиях годовой баланс изменений емкостных запасов горизонта за счет берегового регулирования речного стока равен нулю [42], поскольку весь объем профильтровавшейся поверхностной воды позже возвращается в реку в виде разгрузки подземных вод. При работе водозабора в условиях сохранения подпертого режима фильтрации эта схема, хотя и в измененном количественном виде, сохраняется. Однако, при нелинейном режиме взаимосвязи подземных и поверхностных вод, когда постоянно или периодически возникает свободный режим фильтрации подземных вод под рекой, процесс берегового регулирования становится в балансовом смысле «асимметричным». Результатом этой асимметрии является возможность образования «сезонных запасов» (по Р.С. Штенгелову), величина и балансовая обеспеченность которых в значительной мере определяется характером сезонной изменчивости (динамичности) поверхностного и подземного стока.

Отмеченные обстоятельства требуют уже на начальных этапах разведки МПВ прогнозировать влияние сезонной изменчивости стоковых характеристик на эксплуатационный водоотбор. Требования достоверного изучения эксплуатационных возможностей месторождения и реалистичных прогностических оценок изменений, вызванных эксплуатацией, существенно повышают значимость адекватного отражения в применяемых расчетных схемах сезонной изменчивости факторов формирования подземного и поверхностного стока.

В связи с высказанными соображениями в диссертационной работе поставлена цель детального количественного изучения балансово-гидрогеодинамических механизмов влияния сезонной изменчивости стоковых процессов на формирование эксплуатационных запасов месторождений подземных вод в долинах малых рек. Поскольку формирование сезонных компонент запасов генетически связано с факторами динамичности элементов водного баланса и, прежде всего, поверхностного стока, необходимо также включить в исследование вопросы формирования ущерба поверхностному стоку при эксплуатации приречных месторождений.

Актуальность работы, как ранее подчеркивалось, определяется необходимостью совершенствования методик прогнозных расчетов в связи с повышением доли использования подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении. Только на основе теоретически обоснованных представлений об особенностях балансово-гидродинамических процессов формирования эксплуатационного водоотбора в условиях динамичного изменения стоковых характеристик можно совершенствовать практику разведки и оцени месторождений, в том числе и в аспекте комплексного использования ресурсов подземных и поверхностных вод.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи работы:

• Изучение балансовых и гидрогеодинамических особенностей процессов формирования эксплуатационного водоотбора на месторождениях подземных вод в долинах малых рек в условиях сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока. Доказательство возможности формирования сезонных запасов при условии периодического или постоянного существования нелинейного режима взаимосвязи подземных и поверхностных вод

• Изучение параметрической области существования свободного и подпертого режима фильтрации подземных вод под рекой для широкого природного диапазона геофильтрационных параметров и граничных условий. Факторно-диапазонное описание условий существования нелинейного режима взаимосвязи подземных и поверхностных вод для типовой расчетной схемы месторождения подземных вод в долинах малых рек.

• Разработка критериев и диагностических признаков формирования сезонных запасов на эксплуатируемых месторождениях. Выработка методических основ мероприятий, необходимых при проведении разведочных работ, с целью повышения достоверности гидрогеологических прогнозов при оценке эксплуатационных запасов подземных вод. Исследование особенностей организации мониторинга на существующих объектах.

Решение обусловленных задач требует привлечения методов численного эксперимента, являющихся мощным средством количественных исследований, используемым для анализа закономерностей изучаемых процессов. Изучение параметрической области существования свободного и подпертого режима фильтрации подземных вод под рекой базируется на методике рационального планирования разведочного моделирования. Пример оценки эксплуатационных запасов, проведенной гидродинамическим методом, базируется на использовании совместной гидрогеодинамической и гидрологической модели стока.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Маслов, Алексей Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе проведено детальное количественное изучение балансово-гидрогеодинамических механизмов влияния сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока на формирование эксплуатационных запасов месторождений подземных вод в долинах малых рек. Структуру работы предопределили поставленные во введении задачи, последовательное решение которых обусловливает настоящее заключение.

Проведенный анализ представлений о месторождениях подземных вод в речных долинах позволяет утверждать, что особое место в общей совокупности месторождений этого типа занимают месторождения подземных вод в долинах малых рек. В немалой мере это обусловлено резким преобладанием малых водотоков в составе гидрографической сети. Обобщение накопленных представлений о месторождениях подземных вод в речных долинах и выполненный анализ влияния изменчивости стока на формирование эксплуатационного водоотбора позволили обосновать следующие выводы.

Балансовая структура эксплуатационного водоотбора обусловливает принципиальные гидрогеодинамические особенности формирования эксплуатационных запасов подземных вод. Влияние сезонной изменчивости стоковых характеристик на балансово-гидродинамические условия обеспечения эксплуатационного водоотбора и формирования ущерба речному стоку проявляется только в условиях ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора.

В условиях пассивной и активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора сезонная изменчивость поверхностного и подземного стока не является запасообразующим фактором, поскольку не влияет на форму связи «дебит - понижение». Реальный прогноз (т.е. соотношение «дебит - понижение») для водозабора у реки в условиях пассивной и активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора может быть получен в статической постановке (при постоянном уровне реки, отвечающем принятой вероятности превышения).

В условиях ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора сезонная изменчивость поверхностного и подземного стока является запасообразующим фактором. Реальный прогноз в этих условиях может быть выполнен только в динамической постановке, т.е. с реализацией внутригодовой изменчивости стока. Сезонная изменчивость стока балансово обеспечивает в этих условиях формирование сезонных запасов подземных вод. Вместе с тем, влияние существенно зарегулированного подземного стока на формирование эксплуатационного водоотбора имеет явно подчиненное значение, по крайней мере, в сравнении с поверхностным стоком для месторождений подземных вод в речных долинах.

Анализ гидрогеодинамического режима месторождений в условиях разных типов активности балансовой структуры эксплуатационного водоотбора показывает, что в условиях пассивной и активной балансовой структуры амплитуда колебаний уровней подземных вод в ближайшей приречной зоне не может превышать амплитуду изменения уровней в реке, а в условиях ограниченно-активной — амплитуда изменения уровней подземных вод может значительно превышать масштабы колебаний уровня реки.

Возрастание амплитуд годовых колебаний уровней подземных вод является важнейшим диагностическим признаком существования ограниченно-активного типа балансовой структуры эксплуатационного водоотбора. Важным достоинством этого диагностического признака является тот факт, что режимные наблюдения на действующих МПВ могут быть прямо использованы для идентификации типа активности БСВ при постановке задачи по переоценке эксплуатационных запасов подземных вод или проведении оптимизационных расчетов.

Ущерб поверхностному стоку (при отсутствии бессточных форм разгрузки подземных вод) в условиях активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора на протяжении периода эксплуатации сохраняется постоянным и равным величине эксплуатационного водоотбора, в условиях же ограниченно-активной - может превышать ее в периоды высоких уровней реки, либо быть меньше при низких уровнях.

Проведенный балансово-гидрогеодинамический анализ подтверждает необходимость детальной и своевременной идентификации возможного типа балансовой структуры водоотбора, являющейся основой планирования оптимального состава разведочных работ на конкретных месторождениях подземных вод. Поскольку изменчивость стоковых характеристик является запасообразующим фактором только в условиях ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора, то в работе решена задача по определению параметрической области существования условий свободного режима фильтрации под рекой. Актуальность решения этой задачи подчеркивает тот факт, что условиях ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора изменчивость стока определяет достоверную количественную характеристику балансовой структуры водоотбора, надёжность долгосрочного прогнозирования уровенного режима, возможных изменений качества извлекаемой воды и воздействия водоотбора на сопряжённые компоненты окружающей среды.

Решение задачи по определению параметрической области существования свободного режима фильтрации подземных вод под рекой позволяет сформулировать следующие выводы.

Определяющими факторами являются строение подруслового экрана и, прежде всего, положение уровня конверсии граничного условия на реке.

Конструкция водозаборного сооружения и, прежде всего, удаленность водозаборного сооружения от реки определяют возможность развития ограниченно-активной структуры водоотбора. Особое значение этому фактору придает то, что он является управляемым.

Исследования взаимодействия подземных и поверхностных вод в условиях ограниченно-активной балансовой структуры водоотбора и математических моделей этих процессов позволяют сформулировать вывод, что применение гидрогеодинамических моделей для проведения прогнозных расчетов может быть оправдано в случае, когда меженный поверхностный сток существенно превосходит эксплуатационный водоотбор. В этом случае геогидрологическая модель может рассматриваться как избыточная. Вместе с тем, использование гидрогеодинамических моделей, даже при дополнительном контроле балансовой обеспеченности граничного условия на реке, может приводить к жестким прогнозным значениям стока реки в замыкающем створе месторождения, а размеры зоны свободного режима фильтрации подземных вод под рекой, полученные на гидрогеодинамических моделях, могут быть занижены.

Прогнозные расчеты на месторождениях подземных вод в долинах малых рек необходимо выполнять с использованием геогидрологических моделей. В этих расчетах для адекватного прогноза режима уровней подземных вод и балансового обеспечения водоотбора процессы влагопереноса в ненасыщенной зоне и динамика гравитационной емкости в первом приближении могут характеризоваться периодом запаздывания, во время которого формируется квазистационарный режим влажности ненасыщенной зоны.

Анализ внутригодового распределения поверхностного стока показывает, что практически вся европейская часть России характеризуется одно-двувершинными типами гидрографа, соответствующими весеннему половодью и летне-осенним паводкам. Типовой гидрограф с высоким весенним половодьем и летне-осенним паводком характеризует генетически гарантированный тип распределения стока, широко развитый на территории страны и охватывающий районы с распространением месторождений подземных вод в долинах рек. Наличие выраженного продолжительного половодья, во время которого проходит значительная часть общего годового стока, обеспечивает потенциально высокие возможности формирования сезонных запасов, а продолжительный период низкой водности является важным балансовым фактором формирования ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора.

Для построения расчетного внутригодового распределения поверхностного стока может быть использован метод компоновки, допускающий выбор любого необходимого шага временной дискретизации. Применение метода компоновки позволяет в расчетном внутригодовом распределении стока отразить основные фазы водности. Достоинством метода компоновки является независимость величины суммарного годового стока реки, а также и его распределение по основным фазам водности, от принятой временной дискретизации расчетного распределения стока и их соответствие принятой вероятности превышения. Поскольку для всей территории России выполнена работа по построению типовых внутригодовых распределений поверхностного стока с месячной временной дискретизацией, то в разведочных расчетах целесообразно, в первом приближении, использовать эти внутригодовые распределения поверхностного стока. На этапе предварительной разведки или на следующих стадиях принятое распределение может уточняться на основе материалов проведенных гидрометрических работ.

Решение задачи по определению возможной доли сезонных запасов подземных вод в общем расходе водоотбора позволяет сформулировать вывод, что в условиях ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора ущерб поверхностному стоку в любой период времени не зависит ни от конструкции водозаборного сооружения, ни от расхода эксплуатационного водоотбора. Величина ущерба поверхностному стоку в периоды его высокой водности в условиях ограниченно-активной структуры может значительно превышать величину эксплуатационного водоотбора. Вместе с тем, в периоды меженного поверхностного стока величина ущерба в этих условиях всегда меньше эксплуатационного водоотбора.

Необходимость разработки нормативов, регламентирующих ущерб поверхностному стоку, а также рассмотренные в настоящей работе особенности баланса эксплуатационного водоотбора в условиях ограниченно-активного типа его структуры на месторождениях подземных вод в долинах малых рек позволяют сформулировать следующие позиции, определяющие особенности разведки, оценки эксплуатационных запасов и проведения режимных наблюдений на таких месторождениях.

Изучение месторождения должно быть направлено в первую очередь на диагностику типа активности балансовой структуры водоотбора.

В условиях ограниченно-активной балансовой структуры эксплуатационного водоотбора основное внимание при проведении разведочных работ необходимо сосредоточить на изучении строения и фильтрационных свойств отложений подруслового экрана с целью обоснования положения плоскости разрыва и фильтрационного сопротивления.

Разведочные расчеты водоотбора необходимо осуществлять в вариантной факторно-диапазонной постановке, обеспечивающей в условиях неопределенности знаний о параметрах месторождения последовательное уточнение фильтрационной схемы месторождения, вплоть до приближения к принимаемой в плане подсчета запасов. Расчеты выполняются в полной постановке, когда в фильтрационной схеме учитываются все факторы формирования стока с учетом их сезонной и более длиннопериодичной изменчивости. Полная постановка задачи требует хорошо налаженной системы режимных наблюдений, особенно на начальных этапах разведки, когда режимные данные используются для калибровки модели месторождения.

Постановка задачи, адекватно воспроизводящая условия формирования эксплуатационного водоотбора, определяется воспроизведением опыта эксплуатации месторождения. В силу сложности и многофакторности пространственно-временной схемы месторождения прогнозные расчеты на первоначальных этапах разведки носят предварительный характер. Вместе с тем, по мере накопления режимных данных на этапе опытно-промышленной эксплуатации, проведения анализа опыта эксплуатации объектов-аналогов, выполняется корректировка расчетной схемы месторождения, местоположения и регламента режимных наблюдений, что и позволяет, в конечном итоге, подойти к созданию адекватной модели месторождения.

Опытная эксплуатация месторождения должна обеспечиваться комплексом режимных наблюдений, позволяющим, в том числе, на основе анализа зависимости «дебит - понижение» осуществлять корректировку фильтрационной схемы для обеспечения адекватных оценок влияния эксплуатации на геологическую среду.

Целенаправленное выполнение всего комплекса работ на всех этапах разведки, оценки запасов и эксплуатации месторождения, базирующееся на проведении анализа опыта эксплуатации месторождений, расположенных в схожих условиях, а также разработанная методическая и нормативная база регламентирующих документов лежит в основе рационального использования природных ресурсов, в том числе пресных подземных и поверхностных вод.

Защищаемые положения

Обобщая содержание и результаты диссертационной работы, можно сформулировать защищаемые положения, концентрированно отражающие основные элементы научной новизны и практической значимости выполненных исследований:

2. Поисковым признаком для данного типа месторождений является совокупность параметрических показателей, среди которых наиболее значимыми являются: высокое положение уровня конверсии граничного условия (не ниже 2.5 м от дна реки), средняя степень несовершенства реки (удельное фильтрационное сопротивление экрана в диапазоне 0.1 — 30 сут), достаточная мощность водоносного горизонта (более 15 м).

Наиболее эффективным для формирования сезонных запасов подземных вод является широко распространенный на территории России тип гидрологического режима с преобладающим снеговым питанием, характеризующийся одно- двухвершинным гидрографом с выраженным весенним половодьем, концентрирующим основной объем годового стока, и продолжительным периодом низкой водности.

3. Достоверный прогноз работы водозабора и его воздействия на окружающую среду для этого типа месторождений возможен только на основе геогидрологической модели с реализацией внутригодовой изменчивости стоковых характеристик. Для обоснования расчетного внутригодового распределения поверхностного стока наиболее эффективен метод компоновки гидрологических величин, позволяющий получить распределение фазово-однородных расходов нормативной вероятности превышения при произвольной временной дискретизации.

4. В условиях ограниченно-активной балансовой структуры водоотбора ущерб стоку малой реки на участке свободного режима фильтрации под рекой утрачивает функциональную связь с величиной и схемой водоотбора и определяется только режимом поверхностного стока и экранированностью русла.

5. При разведке подземных вод в малых речных долинах приоритетное значение должно придаваться изучению генезиса и фильтрационного строения подрусловой экранирующей толщи для обоснования ее параметрических характеристик и положения плоскости потенциального разрыва привлекаемого потока. Необходимо предпринять расширенный комплекс гидрологических работ для оценки параметров гидравлической модели водотока и обоснования функции внутригодового распределения речного стока в зоне месторождения с нормативной вероятностью превышения.

Для окончательной идентификации типа месторождения при его освоении целесообразно предусматривать этап опытно-промышленной эксплуатации с организацией достаточной сети мониторинга гидрогеодинамического и гидрологического режима. Однозначным диагностическим признаком проявления ограниченно-активного типа баланса эксплуатационного водоотбора является отчетливо выраженное существенное возрастание амплитуд внутригодовых колебаний уровней подземных вод по сравнению с их естественной величиной и с амплитудой изменения уровней реки. Эти явления развиваются на 2-3-й год эксплуатации и наиболее выражены в прирусловой части днища долины.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Маслов, Алексей Анатольевич, Москва

1. Аксенова Е.Н., Штенгелов Р.С. Расчетная схематизация условий инфильтрационного питания подземных вод для прогноза водозаборов // ЭИ. ВИЭМС. Гидрогеол. и Инж.геология. Отеч.произв.пыт, 1988, вып. 4. С. 1-10.

2. Андреянов В.Г. Методические указания по расчетам внутригодового распределения стока при строительном проектировании. Л.: Гидрометеоиздат., 1970. 79 с.

3. Антонцев С.Н., Епихов Г.П., Кашеваров А.А. Системное математическое моделирование процессов водообмена. Новосибирск: Наука, 1986. 215 с.

4. Биндеман Н.Н., Язвин J1.C. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод (методическое руководство). М.: Недра, 1970. 216 с.

5. Близняк Е.В., Овчинников К.М., Быков В.Д. Гидрография рек СССР. М.: Гидрометеоиздат, 1945. 616 с.

6. Блохинов Е.Г. О методах оценки параметров случайных колебаний речного стока // В сб.: Многолетние колебания стока и вероятностные методы его расчета. М.: МГУ, 1967. С. 118-128.

7. Боревский Б.В. Формирование эксплуатационных запасов и разведка месторождений пресных подземных вод. Авт. дис. . докт. геол.-минерал. наук. М.: ВСЕГИНГЕО, 1994. 82 с.

8. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин J1.C. Оценка запасов подземных вод. Киев: Выща шк., 1989. Изд.2. 406 с.

9. Боревский Б.В., Язвин J1.C. Стратегия развития ресурсной базы питьевых подземных вод на территории России в XXI в. // Разведка и охрана недр. 2003. № 10. С.2-13.

10. Бочевер Ф.М. Оценка производительности береговых водозаборов с учетом несовершенства речных русел. Труды лаборатории инженерной геологии ВНИИ ВОДГЕО. Вып. №13, Госстройиздат, 1966. С.84-115

11. Бочевер Ф.М. Теория и практические методы гидрогеологических расчетов эксплуатационных запасов подземных вод. М.: Недра, 1968. 325 с.13

Информация о работе

Маслов, Алексей Анатольевич
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.07

Диссертация

Влияние сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока на формирование эксплуатационных запасов подземных вод приречных месторождений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы