Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Методика расчета уровня подземных вод в береговой зоне водохранилищ

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Методика расчета уровня подземных вод в береговой зоне водохранилищ"

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ОШВА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ)

1Т71-

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КОЗЛОВА Людмила Михайловна

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ И П0ДЗВ.ШЫХ МЕТОДИКА РАСЧЕТА УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ ВОДОХРАНИЛИЩ

Специальность 11.00.07 -Гидрология суш, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата '.ехнических наук

Санкт-Петербург 1994

Научный руководитель - доктор географических наук,

профессор В.С.Вуггинский

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Н.Б.Барышников

кандидат технических наук И. Л.Калшный

Ведущая организация - а.о.Ленгидропроект

СО/-ЙГ ¿м30

Защита диссертации состоится -^ на засе-

дании специализированного совета Д 024.03.01 Государственного гидрологического института по адресу: 199053, Санкт-Петербург,2-линия, дом 23, ГГИ Факс: (812) 213-10-28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного гидрологического института

Автореферат разослан ■¿г ноября 1994 года

Заверенные печатью учреждения отзывы в 2-х экземплярах просим направлять в адрес института

Ученый секретарь г/

специализированного Совета if¡JWe'l/

кандидат географических наук ( Н.А.Лемешко

Актуальность проблемы. Строительство водохранилищ приводит к существенному изменению характера взаимодействия поверхностных и подземных вод и, а зависимости от геологического строения побережья и климатической зоны, может вызывать подтопление и заболачивание прибрежных территорий, засоление почв, активизацию просадок грунта и другие неблагоприятные последствия.

Стоимость мероприятий, направленных на предотвращение негативных явлений, вызванных повышением уровня подземных вод, в некоторых случаях сопоставима со стоимостью строительства гидротехнического сооружения.

Знание особенностей изменения величины подпора подземных вод (ППВ) во времени дает возможность еще на стадии проектирования предусмотреть необходимые защитные мероприятия для предотвращения неблагоприятных последствий, связанных с этим явлением. С другой стороны, на основе правильного прогноза ППВ можно прогнозировать изменение ресурсов и запасов подземных вод и их качественный состав, т.е. последствия изменения гидрогеологических условий в прибрежной зоне водохранилища.

Не менее важной задачей является ' текущая оценка режима подземных вод и его возможных изменений применительно к эксплуатируемым водохранилищам, е береговой зоне которых могут располагаться населенные пункты, промышленные предприятия, сельскохозяйственные угодья и другие объекты, на которых может неблагоприятно сказаться повышение уровня грунтовых вод при развитии подпора.

Все это обусловливает необходимость изучения пространственно-временных закономерностей изменения гидродинамических характеристик взаимодействия подземных и поверхностных вод в береговой зоне водохранилища и разработку на этой основе методики расчета ППВ, не требующей значительных материальных и трудовых затрат и в то же время позволяющей оценивать подпар подземных вед с достаточной точностью на основе учета комплекса гидродинамических факторов.

цель работы - изучение влияния различных гидродинамических факторов на скорость и характер развития подпора подземных вод и усовершенствование на этой основе методики его расчета. В процессе исследований решались следующие задачи:

1. оценка влияния на характер взаимодействия поверхностных и подземных вод в воне подпора следующих гидродинамических факторов:

- краевых условий на верховой границе потока;

- смещения уреза водохранилища в процессе его наполнения;

- изменения водопроводиыости потока при подъеме уровня воды в водохранилище;

2. оценка времени стабилизации уровня подземных вод в условиях подпора при различных граничных условиях на верховой границе;

3. изучение степени влияния отдельных гидродинамических факторов ( граничных уодовий, смещения уреза водохранилища, изменение водопроводимсюти потока) на точнооть прогностических расчетов.

Д. Разработка методики оценки подпора подземных вод о учетом смещения уреза водохранилища и изменения водопроводимсюти потока в процессе его наполнения.

Научная новизна работы;

- на основе модельных исследований процесса взаимодействия поверхностных и подземных вод установлены гидродинамические закономерности развития подпора подземных вод в зоне влияния водохранилищ;

- дано новое гидродинамическое обоснование схемы расчета подпора подземных вод о учетом влияния на его развитие отдельных гидродинамических факторов;

- обосновано использование для оценки подпора подземных вод параметров, являющихся характеристиками конкретного водохранилища, отражающих, о одной стороны, гидрогеологические и геоморфологические условия прибрежной зоны, о другой стороны,

' условия эксплуатации водохранилища;

- разработаны приемы переочета гидродинамических характеристик подземного потока, полученных для водоносного горизонта, характеризующегося одними фильтрационными параметрами, применительно к водоносному горизонту о другими фильтрационными параметрами.

Практическая значимость работы заключается в том, чтс разработанная методика прогноза подпора подземных вод, учитывающая влияния различных гидродинамических факторов, позволяв!

на стадии проектирования водохранилища давать ориентировочный прогноз подпора подземных вод и корректировать его по мере поступления дополнительной информации. Методика позволяет оценить роль уже существующих водохранилищ в изменении экологической ситуации прилегающей территории.

Предложенные универсальные зависимости позволяют рассчитывать ППВ, не прибегая к длительным дорогостоящим натурным исследованиям или математическому моделированию, и могут быть рекомендованы для практического использования в условиях ограниченной исходной информации.

Реализация результатов. Результаты исследований использованы при составлении прогноза подпора подземных вод в зоне влияния Ирганайского водохранилища и оценке возможных изменений уровня подземных вод в лоймах рек Катуни и Оби под влиянием проектируемой Катунской ГЭС.

Апробации работы .Основные результаты и методические положения диссертационной работы докладывались на конференции молодых специалистов (Ленинград, ГГИ, 1992 г.) на научных семинарах Отдела взаимодействия поверхностных и подземных вод ГГИ (1990,1992,1994 гг.), на Секции расчетов стока и водного баланса Ученого совета ГГИ (1992 г.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы две работы, и две находятся в пгчати.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, общим объемом 202 страницы, включает 121 страницу машинописного текста, 37 рисунков, 13 таблиц, 19 приложений на 34 страницах. Список литературы включает 86 наименований.

Содержание работы Б первой главе освещена история развития исследований взаимодействия поверхностных и подземных вод в береговой зоне водохранилищ и дак анализ современного состояния изученности проблемы оценки подпора подземных вод.

Систематическое изложение теории подпора подземных вод и вывод расчетных формул для стационарного потока были сделаны Г.Н.Каменским /1942,1960/.

Аналитические методы расчета подпора подземных вод в условиях неустановившейся фильтрации основаны на линеаризации

дифференциального уравнения Вуссинеска. Ряд аналитических ре-~ шений •этого уравнения получили П.Я.Полубаринова-Кочина /1977/,

H.Н.Веригин /1947,1949,1952/, В.М.Шестаков /1965/. Их использование базируется на принципах схематизации гидрогеологических условий, что приводит, с одной стороны, к ограничению области их применения, с другой стороны, к недоучету влияния отдельных гидродинамических факторов на формирование подпора подземных вод.

Частое несоответствие природных условий простым расчетным схемам обусловило использование метода конечных разностей и номограмм при расчете подпора подземных вод /М.А.Вевиоровс-кая,1957/. Наиболее полно позволяет учитывать сложность природной обстановки метод моденирования природных процессов,основанный на общих принципах подобия , разработке которого применительно к исследованию взаимодействия поверхностных и подземных вод посвящены работы И.К.Гавич /1970,1980/, С.В.Зави-лейского /1978,1987/, И.Е.Жернова и В.М.Шестакова /1971,1976/ и других авторов.

Кроме работ, посвященных теории моделирования ППВ и разработке различных методов его оценки, имеется значительное количество статей, посвященных решению частных задач формирования подпора подземных вод. В них рассмотрены либо конкретные объекты /Н.П.Ахметьева и др.,1990/, либо отдельные, аспекты взаимодействия поверхностных и подземных вод в прибрежной зоне водохранилищ /В.Я.Буряков,1986, В.С.Ков. левский,Ю.А.Медс_ар,

I.69/.

Несмотря на обилие методов, используемых при количественной оценке взаимодействия поверхностных и подземных вод в районе водохранилищ, фактическое развитие подпора часто не сов' падает с прогнозным. К основным причинам такого расхождения можно отнести : пренебрежение двумерностыо фильтрации, приведение многослойной толщи к однородной, несовершенство методов оценки расчетных фильтрационных параметров, неучет изменения водопрово^кмости пласта при наполнении водохранилища, пренебрежение смещением уреза водохранилища, допущение о мгновенном подъеме уровня воды в водохранилище.

В работах С.В.Завилейского представлены результаты исследований по сценке влияния скорости наполнения водохранилища,

сезонной цикличности его уровня и различных соотношений основных гидрогеологических параметров на процесс формирования подпора подземных вод /1982,1984/. Основная задача диссертационное работы, которая является продолжением этих исследовании, заключается в оценке влияния отдельных гидродинамических факторов .на взаимодействие поверхностных и подземных вод в береговой зоне водохранилища и разработке способа их учета при расчетах подпора подземных вод.

Во второй главе описывается методика изучения процесса формирования подпора подземных вод. В качестве основного метода исследований был выбран метод математического моделирования с применением аналоговых и цифровых вычислительных средств. Все расчеты основывались на использовании дифференциального уравнения неустановившейся фильтрации подземных вод в неоднородной пористой среде, известного как уравнение Буссинеска.

Метод электроаналогового моделирования основан на аналогах движения подземных вод в пористой среде и электрического тока в проводнике. Аналогия уравнений, описывающих процессы движения жидкости и электричества, вытекает из единства основных принципов, лежащих в основе большинства разделов физики -закона сохранения энергии и уравнения неразрывности. Переход от характеристик одного процес >а к аналогичным характеристикам другого происходит путем введения масштабных коэффициентов.На электроаналоговых моделях реализуются уравнения типа Лапласа, типа Фурье, уравнение Пуассона, уравнение теплопроводности. Для получения конкретных решений на модели задаются граничные условия трех вадоа:

-граничные условия первого рода в виде заданных значений напоров подземных вод на границе области; -граничные условия второго рода, характеризующие величину расхода подземных вод;

-граничные условия третьего, рода, выражающие зависимость расхода от разности напоров.

Граничные условия первого рода з процессе электроаналогового моделирования задавались в виде значений потенциалов пропорционально абсолютным или относительным отметкам уровня воды в гидрографической сети. Граничные- условия второго рода задавались на модели в виде электрического тока, величина :-со-

- е -

торого рассчитывалась в соответствии о исходными значениями фильтрационного потока. Граничные условия третьего рода воспроизводились на модели электрическим током, величина которого зависит от разности потенциалов на линейных шинах, моделирующих гидрографическую сеть и участки модели, к которым они подводятся.

Исследования по оценке влияния изменения мощности потока на подпор подземных вод были проведены на оеточной модели. Решение уравнения неустановившейся фильтрации было реализовано на модели двумя способами: по схеме Либманна ( процесс фильтрации происходит дискретно во времени ) и на НС-сетке ( процесс .фильтрации непрерывен во времени).

Часть исследовании была проведена методом численного моделирования. При заданных граничных и начальных условиях интегрировалось одномерное дифференциальное уравнение неустановившейся фильтрации.

В третьей главе предотавлены результаты исследовании по оценке влияния различных гидродинамических факторов на формирование подпора подземных вод. Рассмотрены следующие типовые гидродинамические схемы потока:

Схема 1. Полубесконечный поток;

Схема 2. Ограниченный поток с постоянным напором на верховой границе;

Схема 3. Ограниченный поток с постоянным расходом на верховой границе.

Путем решения серии тестовых задач при условии мгновенного наполнения водохранилища, отсутствия смещения его уреза и совершенной связи водоносного горизонта с рекой были получены графики хода уровня подземных вод при трех типах граничньи. условий на верховой границе, которые показали, что характер изменений уровня подземных вод при наполнении водохранилища в большой степени зависит от типа гидродинамической схемы потока. Были выполнены расчеты длительности периода нестационарной фильтрации подземных вод при двух типах граничных условий на верховой границе (поотоянный напор и постоянный расход). При этсм в качестве критерия времени стабилизации уровня подземных вод ограличзнных потоков принят год, когда приращение уровня подземных вод достигает 85Х его максимального значения при ус-

тановившейся фильтрации. Получены графические зависимости времени стабилизации уровня подземных вод от расстояния от уреза водохранилища (х) для различных гидродинамических схем подземного потока. Показано,что использование формулы С.Ф.Аверьянова, полученной для полубесконечного потока (тс - х2/а,где хс -длительность периода стабилизации уровня подземных вод полубесконечного потока, а - коэффициент уровнепроводности пласта) может привести к значительным погрешностям при расчете длительности неустановившейся фильтрации ограниченных потоков.

В целях получения по результатам модельных исследований расчетных формул для оцешси времени стабилизации уровня подземных вод ограниченных потоков (хО серии графических зависимостей х2/аХ1 -Г(х/Ь),(где I. - длина подземного потока) аппроксимировались двухпараметрическими функциями, параметры которых находились методом наименьших квадратов. Качество аппроксимации определялось по величине дисперсии и коэффициента корреляции. В результате были получены расчетные формулы времени стабилизации уровня подземных вод при подпоре для двух схем ограниченных потоков.

Результаты сопоставления рассчитанного значения периода стабилизации уровня подземных вод с фактическими данными наблюдений за уровнем подземных во;< в береговой зоне Куйбышевского водохранилища показали хорошую сходимость результатов.

Были рассмотрены особенности формирования подпора подземных вод при смещении уреза водохранилища и изменении мощности потока. В процессе наполнения водохранилищ, как правило, происходит смещение его уреэа, которое относительно длины потока (X) может быть весьма значительным как для горных, так и для равнинных водохранилищ. Анализ гидродинамических и геоморфологических условий прибрежной зоны существующих водохранилищ показал, что среднее значение смещения уреза водохранилища колеблется от 3 до 10 км. Полученные автором оценки свидетельствуют о том, что использование общепринятых формул , не учитывающих смещение уреза водохранилища, может привести к значительным погрешностям в оценке ППЕ. Сопоставление графиков хода уровня подземных вод на любом заданном расстоянии от уреза реки при наличии и отсутствии смещения уреза водохранилища при прочих равных условиях показало,, что кх форма совершенно

различна, Для иллюстрации этого утверждения на рио.1 представлена гидродинамическая схема потока подземных вод при наличии и отсутствии смещения уреза водохранилища. Установлено, что в течение определенного периода, длительность которого зависит от граничных и гидродинамических условий потока, приращение уровня подземных вод, рассчитанное с учетом смещения уреза водохранилищу ДЬсм превышает приращение уровня подземных вод, определенное без учета смещения уреза ДЪо. При этом кривая 2 на рис.1 расположена ниже кривой 3. К моменту стабилизации кривая•депрессии подземных вод, рассчитанная с учетом смещения уреза водохранилища ( кривая 5) находится ниже кривой депрессии подземных вод, полученной без учета смещения уреза (кривая 4).

Как показали экспериментальные исследования на электроаналоговых моделях,существенный вклад в повышение точности оценки ППВ вносит учет изменения водопроводимости потока после наполнения водохранилища.

Водопроводимость пласта при формировании подпора меняется не только в результате увеличения мощности потока, но и по причине подключения к водоносному горизонту новых слоев с другим литологическим составом и, соответственно, другим коэффициентом фильтрации. В силу этого значение средневзвешенного коэффициента фильтрации водоносного горизонта в процессе подъема уровня подземных вод может как снижаться, так и возрастать. В первом случае его снижение будет компенсировать увеличение мощности потока, приводя практически к неизменности водопроводимости пласта, во втором случае возрастание- коэффициента фильтрации будет, усиливая эффект увеличения мощности потока, вызывать резкий рост водипроводимости водоносного горизонта. В процессе исследований влияния изменения водопроводимости пласта на подпор подземных вод коэффициент фильтрации^ водоносного горизонта был принят постоянным, т. ©.рассматривалось только изменение мощности пласта.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета псдпора подземных вод , учитывающей изменение мощности потока и смещение уреза водохранилища при его наполнении. Из четырех тилов зза:шодействия речных и подземных вод, выделенных 0.В.Поповым /1978/, рассматривался только подпорный тип прито-

РКС.1. ГйДрОдппЗЫйЧеСКЗЯ СХ6ЫЗ фОрМНрОЗЗНКЯ ПОДПОра ПОДЭбМНЫл вод при наличии и отсутствии смещения уреза водохранилища

1-естественная депрессконная кривая подземных вод

2-депрессионная кривая подземных вод при отсутствии смещения уреза водохранилищ (0<1<1с, где 1С-время стабилизации уровня подземных вод)

3-депрессиовная кривая подземных вод в случае смещения уреза водохранилища (0<1<1С);

•1-депрессионная кривая подземных вод на момент стабилизации при отсутствии смещения уреза водохранилища ^с 5-депрессионная кривая подземных вод на момент стабилизации в случае смещения уреза водохранилища

ка о наличием берегового регулирования стока как наиболее часто встречающийся в природе.

Изменение положения уровня подземных вод выражалось в процентах от изменения уровня воды в водохранилище относительно уреза реки ДЪ/ДН,

ДН - Нв- Нр.где

Нв- средневзвешенный уровень воды в водохранилище (рассчитанный исходя из проектного типа его уровенного режима),

Нр - уровень подземных вод на урезе реки до подпора.

ДЬ - приращение уровня подземных вод на заданном расстоянии от уреза реки и заданный период эксплуатации водохранилища. Для того, чтобы все графические зависимости имели универсальный характер, время и расстояние ( в случае ограниченных потоков) выражены безразмерными характеристиками. Расстояние представлено в виде отношения х/1, время - в виде критерия Фурье (а!/Ь2). Для количественной оценки влияния различных гидродинамических факторов на развитие подпора использовались поправки (5см - поправка на смещение уреза водохранилища, би -поправка на изменение мощности потока), которые в графической интерпретации представляют собой разницу ординат депрессионных кривых подземных вод ( на заданный момент времени), рассчитанных о учетом и без учета рассматриваемых факторов, отнесенную к ДН.

При разработке методики оценки подпора с учетом смещения уреза водохранилища в целях исключения влияния других факторов были приняты гледующие условия: 1) связь подземных вод с речными совершенна (река полностью вскрывает водоносный горизонт); 2) мощность водоносного горизонта в береговой зоне реки существенно большэ, чем подъем уровня воды в водохранилище; 3) все расчеты проведены для различных значений средневзвешенного уровня воды в водохранилище; 4) значение коэффициента уровнеп-роводности принято постоянным и равным 2000 мг/сут, поскольку анализ гидрогеологических условий территорий, прилегающих к крупным водохранилищам показал, что оно является наиболее характерным для прибрежной зоны водохранилищ; 5) наполнение водохранилища мгновенное; 6)расчеты проведены для различных значений смещения уреза водохранилища; 7) рассмотрены случаи наличия и отсутствия инфильтрационного питания подземных вод;

8)для каждой гидродинамической схемы потока расчеты проведены при нескольких значениях единичного расхода подземного потока.

Для удобства интерпретации результатов были введены два дополнительных параметра: \1 - расстояние от уреза реки до точки, где отметка уровня воды в водохранилище совпадает с естественной отметкой уровня подземных вод, А - отношение действующего напора к проектному, т.е. разности уровня воды в водохранилище и естественного уровня подземных вод в точке смещения уреза водохранилища к разности отметок воды в реке и водохранилище.

В результате проведенных расчетов для каждой из трех схем подземного потока были получены серии графических зависимостей поправки на смещение уреза водохранилища от параметра А при различных величинах подземного потока в реку, различной интенсивности инфильтрационного питания подземных вод и для четырех вариантов смещения уреза водохранилища.

Анализ полученных результатов показал, что величина единичного расхода подземного потока (ц0) и интенсивность инфильтрационного питания подземных вод (и) не оказывают влияния на форму графической зависимости 5См = ДА), поскольку параметр А включает в себя информацию о величинах к V.

Установлено, что при аЬ'Ь2 меньшем или равном 0,171(Ь<15 лет) погрешность расчета ППВ ограниченных потоков по схеме полубесконечного потока невелика, что особенно важно в случае невозможности точно установить граничные условия на 'веру.овой границр. Кроме того, .чем ближе к низовой границе находится исследуемый участок, тем незначительнее погрешность в определении уровня подземных вод при использовании формулы полубесконечного потока для ограниченных потоков.

Таким образом, при определении поправки на смещение уреза водохранилища нет необходимости энать форму депрессионной кривой подземных вод и величину единичного расхода подземного потока. Достаточно рассчитать параметр А, найти величину смещения уреза водохранилища, определить условия на верховой границе потока, а затем по графикам связи 5СИ = 1ЧА) определить поправку на смещение уреза водохранилища (рис.2а).'

Второй вариант расчета поправки 5СМ заключался в использовании параметра 1' , который зависит от величины единичного

бещХ

Рис. 2л. Зшюпюсп поправка ва ашцгап теш водохранилища от аараметра А. X » 0.8761, а{/1.-0.32«. гидродинамическая схема о постоянным расходом ва вархохой граница

«Д.

3-аг/Т?

4-аг/0 6-.1/1" в-а»/? 7-а1/V

0.067 0.114 0.171 0.22« 0.342 0.4&0 0Л7

Зааавшовт* поправка, ва шцнша урвав водохранилища от расстояния ох ур03* реке * времени с дошла охеплуатацин водохранилища (критерии Фу|:а.«) (Ь/Ь к 0.39. х«=2 км (0.251,), гидродинамическая скака о достоявшим расходах ва верховой пмоцв.

расхода подземного потока, формы кривой депрессии подземных вод и уровня воды в водохранилище. Для каждой схемы подземного потока были получены серии графических зависимостей величины поправки на смещение уреза водохранилища от расстояния от уреза реки и времени с начала эксплуатации водохранилища для различных значений смещения уреза водохранилища и разных значений параметра Li (рис. 26).

Участвующие в расчетах параметры А и L' являются своего рода характеристиками конкретного водохранилища и отражают, с одной стороны, гидрогеологические и геоморфологические условия территории, с другой, учитывают режим эксплуатации водохранилища. Значения параметров А и L-'легко определить по карта* гидроизогипс, зная проектируемый подъем уровня в водохранилище и смещение его уреза. Кроме того, величину действующего напора, необходимую для расчета параметра А, можно определить по данным, полученным при бурении скважин по контуру будущего водохранилища. В случае отсутствия сведений о расстоянии до верховой границы и граничных условиях на ней, можно воспользоваться расчетными зависимостями, полученными для полубесконечного потока. При этом следует помнить, что погрешности в определении бсм при использовании схемы полубесконечного пласта тем меньше, чем ближе к урезу водохранилища находится исследуемый участок и чем меньше времени прошло с момента начала эксплуатации водохранилища.

Методика расчета ППВ с учетом изменения мощности потока разработана для двух гидродинамических схем ограниченных потоков ( с постояьньы напором и постоянным расходом на верховой границе). Расчеты проведены для случаев наличия и отсутствия ^фильтрационного питания и при трех варианг ix отношения приращения мощности водоносного горизонта на урезе реки при подпоре к его начальной мощности.Поправка на изменение мощности потока всегда отрицательная, т.е. уровень подземных вод, рассчитанный с учетом изменения мощности потока, всегда ниже рассчитанного без его учета. В результате решения серии тестовых задач получены поправки на учет изменения мощности потока в процессе формирования подпора подземных вод, приведенные в приложении к диссертации. Анализ результатов расчетов позволил сделать следующие выводы:

1. Для обеих гидродинамических схем потока абсолютное значение поправки на изменение мощности потока при заданных значениях \1/1, , х/Ь тем выше, чем больше отношение изменения мощности водоносного горизонта на урезе реки к его начальной мощности ( Нотн )•

2. При любых условиях на верховой границе потока абсолютное значение поправки на изменение мощности потока увеличивается с уменьшением отношения 01. Таким образом, при определением значении параметра Н0тя величина поправки для заданных расстояний от уреза реки и времени эксплуатации водохранилища определяется отношением Ь'/Ь, характеризующим гидродинамические условия потока.

3. Если депрессионная кривая подземных вод сформирована равномерным и постоянным инфильтрационным питанием, а боковой приток к верховой границе отсутствует, графики 5м « Т имеют ту же форму, что и в случае отсутствия ин-фильтрационного питания, но абсолютные значения поправок на изменение мощности потока несколько меньше . Максимальная разница в значениях поправок ( 5м ) при наличии и отсутствии ин-фильтрационного питания приурочена к верховой границе потока и не превышает 10%. В этом случае для уточнения значения поправки на изменение мощности потока необходимо прибавить к нему поправку на инфильтрационное питание (5м), соответствующую заданному значению х/1 . Если же питание водоносного горизонта частично осуществляется за счет инфильтрации, а частично за счет бокового притока, то значение 5>., для заданного расстояния от уреза рекл следует умножить на коэффициент, равный отношению величины инфильтрационного питания к суммарному расходу подземного потока в реку ( Цу/цо ).

4. Для обеих гидродинамических схем потока отмечается рост абсолютных значений поправок с увеличением срога эксплуатации водохранилища. Максимальных значений поправки достигают на момент стабилизации уровня подземных вод .

Предложен способ использования разработанной методики расчета подпора подземных вод для различных фильтрационных параметров пласта, т.к. все графические завискыости, описанные ранее были подучены для потоков, характеризующихся постоянным коэффициентом уровнепроводности, равным 2000 м2/сут. В качест-

'ве основы для идентификации решений для полубесконечного пласта принята формула:

п = х/ ЮСХУа/агооо'. (1)

где п - параметр, значение которого (в км) только при а - 2000 м2/сут будет соответствовать расчетному расстоянию х от уреза реки, агооо - опорное значение коэффициента уровнепроводности пласта, для которого подучены все решения.

По данным моделирования для полубесконечного потока подземных вод ( при а » 2000 м2/сут) получена универсальная зависимость ¿Ъо/ДН - где Л » 11.2гцЛГ, которая позволяет определить значения относительного приращения уровня подземных вод без учета смещения уреза водохранилища и изменения мощности потока для параметра п, рассчитанного по формуле (1) для фактического коэффициента уровнепроводности пласта, на любой момент времени с начала эксплуатации водохранилища.

Таким образом, для определения приближенного значения относительного приращения уровня подземных вод ( без учета смещения уреза и изменения мощности потока) в случае полубесконечного потока следует:

-для заданного значения уровнепроводности пласта и расстояния от уреза реки определить параметр п (формула (1) ).

- по графику ДЬо/ДН » ?( \ ) определить приближенное значение уровня подземных вод на заданный момент времени. Для ограниченных потоков был использован следующий методический подход. Путем решения линеаризованного уравнения Буссинеска при заданных граничных условиях получены универсальные графические эависипсти, позволяющие определить приближенное значение относительного приращения уровня подземных вод на задание:, расстоянии от уреза р ки и для заданного период . эксплуатации водохранилища. Время и расстояние на всех графиках по определению поправок, а также графиках по определению относительного приращения уровня подземных вод, представлены в относительных величинах: расстояние в виде отношения к/1, время в виде критерия Фурье (а1/1.г). Поскольку критерий Фурье включает в себя коэффициент уровнепроводности пласта и расстояние между границами потока, все графические зависимости, полученные для ограниченных потоков могут быть использованы при любых значениях а и I.

Предложенный порядок расчета при прогнозировании ППВ в районе, характеризующемся значительным смещением уреза водохранилища и изменением мощности потока при его наполнении следующий: первоначально определяется гидродинамическая схема потока, т.е. краевые условия на верховой границе. С помощью полученных универсальных графических зависимостей для полубесконечного и ограниченных потоков определяется значение относительного изменения уровня подземных вод без учета смещения уреза водохранилища и изменения мощности потока ДЬ0/ДН. Затем рассчитываются параметры А, 1.' и Н0тн, которые позволяют определить поправки на смещение уреза водохранилища и изменение мощности пласта для заданной гидродинамической схемы потока. Для получения уточненного значения относительного приращения уровня подземных вод с учетом смещения уреза и изменения мощности потока поправочные коэффициенты 6См и бм суммируются со значением ДЪо/ДН.

В пятой главе рассматривается методика расчета продолжительности фильтрации воды из водохранилищ в водоносный горизонт и коэффициента снижения подземного питания водохранилища в случае смещения его уреза. Бее расчеты проведены для условий, при которых изменение мощности потока при наполнении водохранилища относительно естественной незначительно. Приведены расчетные значения коэффициента снижения подземного питания водохранилища п0 для гидродинамической схемы ограниченного потока о постоянным расходом на верховой границе при нескольких значениях параметра ь' и нескольких значениях смещения уреза водохранилища.

Чем меньше величина смещения уреза водохранилища, тем больше значения коэффициента п0 на заданный момент времени при всех прочих равных условиях. С другой стороны, чем меньше уклон подземного потокз и чем больше подъем уровня воды в водохранилище ( т.е. чем больше параметр \1 ), тем значительнее снижается подземных приток в водохранилище относительно естественного. • _

Показано, что при заданном значении параметра \1 скорость восстановления естественного писания водохранилища зависит от величины-смещения его уреза, так как при смещении уреза зона затопления водохранилища продвигается в стсрону берега и, пса-

кальку кривая депрессии подземных вод имеет наклон к реке, величина перепада уровней речных и подземных вод снижается и требуется значительно меньший объем воды ( а следовательно и период времени) на заполнение воронки депрессии. С другой стороны, при заданном значении смещения уреза водохранилища время, требуемое на возврат подземных вод в водохранилище тем больше, чем больше параметр \1. В результате решения тестовых задач были получены универсальные графйки, с помощью которых можно определить коэффициент снижения подземного питания водохранилища и продолжительность фильтрации из водохранилища в водоносный горизонт при любых значениях фильтрационных параметров и расстояний между границами потока для гидродинамических условий ограниченного потока с постоянным расходом на верховой границе.

В шестой главе приведены примеры расчета подпора подземных вод для различных гидродинамических условий потока. Для проектируемого Ирганайского водохранилища приведен пример расчета ППВ методом электроаналогового моделирования геофильтрации и по предложенной методике. Расчет проведен по двум направлениям движения радиального потока подземных вод.В результате анализа гидрогеологических условий • исследуемого участка при расчетах была принята схема ограниченного потока с постоянным расходом на верховой границе. Погрешности расчета, которые составили 7-147., объясняют я тем, что метод введения поправок не предполагает учет изменения водопроводимости потока (только мощности). Нз самом деле в процессе подпора кривая депрессии переходит г более проницаемые породы, за счет чего происходит значительное увеличение водопровода .ости пласта, которое можно учесть только методом электроаналогового моделирования .

Сравнительная оценка расчетных и фактических уровней подземных вод при подпоре выполнена на примере береговой зоны Куйбышевского (Золго-Сусканский водораздел) и Волгоградского (створ Рахинка и створ Луго-Водяное) водохранилищ. При расчете подпора в прибрежной зоне Куйбышевского водохранилищ была принята схема ограниченного потока с постоянным напором на верховой границ-, поскольку уровень воды в р.Сускан, принятой за верховую границу потока, практически не меняется. На участ-

ке Рахинка в прибрежной зоне Волгоградского водохранилища рассмотрена схема полубесконечного потока. На участке Луго-Во-длное створ скважин, по которым ведется расчет упирается в лиман Тали, уровень воды в котором сохраняется постоянным, и, следовательно, при расчетах принята схема ограниченного потока о постоянным напором на верховой границе. При расчете подпора подземных вод методом введения поправок в прибрежной зоне Куйбышевского водохранилища и на участке Луго-Водяное Волгоградского водохранилища учитывалось смещение уреза водохранилища и изменение мощности потока (табл 1).

Таблица 1

Сравнительная оценка расчетных и фактических значений уровня подземных вод в береговой зоне Куйбышевского и Волгоградского водохранилищ

1 I Время 1 1 |Относи-1 Расчетное "Г [Фактическое ........—1 Абсолют- |

|с начала |тельное! приращение|приращение ная по- |

|эксплуа- |расстоя| уровня |уровня грешность|

тации во- |ние от | подземных |подземных расчета |

|дохрани- |уреза | вод |вод

|лища |реки | г 1 7. X 1

1 год | . Куйбышевское водохранилище |

| 10 ■ 1 10.32 \ 12.3 1 | 12.3 0 I

10.55 | 1 | 5.6 | 5.1 1 3 |

1 15 I 1 |0.32 | 12.5 1 | 13.0 3 I

10.55 | > 1 7.8 | 8.0 I 1 1 |

| Волгоградское водохранилище (створ Луго-Водянсе) |

1 ю 1 1 Ю,21 | 6,2 1 1 3,9 1 15 I

Ю,34 | 1 | 0,9 | 1.0 1 1 ! 1

1 15 1 1 Ю,21 | 7,1 1 1 6,0 1 8 |

| Ю,34 | 1 I 2,5 1 2,0 I 3 | |

На участке Рахинка дополнительно было учтено время наполнения водохранилища , в результате чего погрешность расчета не превысила 7%.

Основные результаты, полученные диссертантом следующие:

1. Произведена оценка влияния краевых условий на верховой границе потока на формирование подпора подземных вод для различных гидродинамических схем : полубесконечного, ограниченного с постоянным напором и ограниченного с постоянным расходом на верховой границе потоков. Полученные данные о характере изменения уровня подземных вод при различных граничных условиях на верховой границе потока подтвердили необходимость их учета при прогнозирования подпора подземных вод.

2. На основе проведенного анализа гидродинамических и гидрогеологических условий береговой зоны существующих водохранилищ показано, что в большинстве случаев при наполнении водохранилища происходит значительное смещение его уреза ( от 2-3 км до 10-15 км ). Кроме того, при этом часто происходят изменения водопроводимости пласта, масштабы которых нередко не только сопоставимы с его первоначальной водспроводимостью ( в естественных условиях), но иногда могут превышать ее в 2-3 раза.

Общепринятая методика прогноза подпора подземных еод нз отадии проектирования гидротехнического сооружения, основанная на решении линеаризованного уравнен:ч Буссинескз, не предусматривает учет этих двух факторов.

3. Предложена метог -ка расчета времени стабилизации уровня подземных вод при подпоре для двух гидродинамических схем ограниченных потоков. За год стабилизации уровня : здземных вод принят год, когда его приращение составляет 85% от максимального значения. Надежность предложенных формул подтверждена на материалах наблюдений за временем стабилизации уровня подземных вод в береговой зоне Куйбышевского водохранилища.

4. Предложена методика оценки влияния смещения уреза водохранилища на подпор подземных вод. В расчетную схему включены два параметра, которые легко определяются на практике и являются своего рода характеристиками конкретного водохранилища, отражающими, с '"дной стороны, гидрогеологические и геоморфологические условия прибрежной зоны, а с другой стороны, условия

эксплуатации водохранилища. Параметр L' представляет собой расстояние от уреаа реки до точки совпадения средневзвешенной отметки воды в водохранилище с естественным уровнем подземных вод. Параметр А - отношение действующего напора к проектному.

5. Получены универсальные графические зависимости, позволяющие определять длительность периода фильтрации воды из водохранилища в водоносный горизонт для любых значений фильтрационных параметров, расстояния между границами потока и различных гидродинамически условий.

6. Разработана методика расчета подпора подземных вод с учетом изменения водопроводимости пласта при различных соотно- ■ тениях приращения мощности водоносного горизонта и различных гидродинамических условиях потока, определяемых значением параметра L.'.

7. Предложена универсальная методика прогноза подпора подземных вод,учитывающая смещение уреза водохранилища и изменение мощности потока.

8. Предложенные методы расчета подпора подземных вод апробированы на примере Ирганайского, Волгоградского, и Куйбышевского водохранилищ. Хорошая сходимость результатов позволяет рекомендовать разработанные методики для практического использования .

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1.Оценка возможных изменений уровня подземных вод в поймах рек Катуни и Оби при регулировании стока Катунской ГЭС. -Метеорология и гидрология, 1992, N 5,с.85-90.

2.Методика оценки подпора подземных вод в береговой зоне водохранилищ с учетом смещения его уреза. - деп. N 1122-гм92, 10.07.92. 14 С.

3.Учет изменения мощности водоносного горизонта при оценке подпора подземных вод в береговой зоне водохранилищ.- Известия РГО (в печати).

4.Methodology for assessment of river runoff losses for infiltration to the reservoir shores. IAHS Simposium, 115 (Man's Influence on Freshwater Ecosystems and Water Use), Boulder, Co lor ado, USA, 3-4 July,1995 (co-authors: V.5.Vu^linsky, S.V.Zavileishy) (в печати).