Оценка инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод на основе геогидрологических моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, доктор геолого-минералогических наук Гриневский, Сергей Олегович

• Гриневский, Сергей Олегович
• доктор геолого-минералогических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Гриневский, Сергей Олегович

Введение.

Глава 1. Оценка инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод. Состояние вопроса и проблемы.

1.1. Природные факторы формирования инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод.

1.2.Прогнозная оценка ресурсов подземных вод в условиях их эксплуатации.

1.3. Природные факторы формирования инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод.

1.4. Методические принципы оценки инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод на основе геогидрологических моделей.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Структура и содержание геогидрологической модели.

2.1. Геогидрологическая модель. Понятие и структура.

2.2. Модель формирования водного баланса на поверхности суши.

2.3. Модель водного баланса в зоне аэрации.

2.3.1. Влагоперенос в зоне аэрации.

2.3.2 Отбор влаги корнями растений.

2.4. Модель геофильтрации и ее граничные условия.

2.5. Геогидрологические модели взаимодействия подземных и поверхностных вод.

2.5.1. Принципиальная схема формирования зависимого гидрологического режима.

2.5.2. Модели взаимодействия подземных вод и водотоков.

2.5.2.1. Гидравлические модели водотоков.

2.5.2.2. Гидрологические модели водотоков.

2.5.3. Модели взаимодействия подземных вод с водоемами.

2.6. Типизация геогидрологических моделей.

2.7. Выводы к главе 2.

Глава 3. Обоснование параметров моделей формирования инфильтрационного питания подземных вод.

3.1. Граничные условия.

3.1.1. Условие на верхней границе.

3.1.2. Условие на нижней границе.

3.2. Параметры модели трансформации осадков.

3.2.1. Параметры развития растительности.

3.2.2. Характеристики снегонакопления и снеготаяния.

3.2.3. Рельеф и экспозиция поверхности.

3.2.4. Параметры модели стокообразования.

3.3. Параметры модели влагопереноса в зоне аэрации.

3.3.1 Строение и водно-физические свойства почвенного покрова и пород зоны аэрации.

3.3.1.1. Схематизация строения зоны аэрации.

3.3.1.2. Обоснование параметров влагопереноса для типовых разрезов зоны аэрации.

3.3.2. Параметры модели транспирационного отбора влаги корнями растений.

3.3.2.1. Параметрическое обеспечение транспирационной модели Федцеса.

3.3.2.2. Параметры модели Ван Генухтена.

3.3.3.3. Параметры модели корневой системы растений.

3.3.3.4. Сопоставление моделей транспирационного отбора влаги и анализ их чувствительности к исходным параметрам.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4. Примеры построения и использования геогидрологических моделей для оценки инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод.

4.1. Оценка инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод юго-западной части Московского артезианского бассейна.

4.2. Оценка распределения естественных ресурсов подземных вод в разрезе зоны интенсивного водообмена.

4.2.1.Оценка инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод на территории поисково-разведочных работ для водоснабжения г. Смоленска.

4.2.2. Оценка естественных ресурсов подземных вод на территории

Вологодской области.

4.3. Изучение формирования инфильтрационного питания на различных ландшафтах.

4.4. Выводы к главе 4.

Глава 5. Модельный анализ природных закономерностей формирования инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод.

5.1. Ландшафтные и гидрогеологические закономерности формирования инфильтрационного питания подземных вод.

5.1.1. Трансформация осадков на поверхности земли.

5.1.1.1. Испарение с поверхности земли и растительности.

5.1.1.2. Поверхностный сток.

5.1.1.3. Впитывание влаги в почву.

5.1.1.4. Потенциальная эвапотранспирация.

5.1.2. Водный баланс зоны аэрации.

5.1.2.1. Почвенное испарение.

5.1.2.2. Транспирационный отбор влаги корнями растений.

5.1.2.3. Суммарная эвапотранспирация.

5.1.2.4. Инфильтрационное питание.

5.1.3. Ландшафтная защищенность грунтовых вод.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод на основе геогидрологических моделей»

Актуальность исследований.

Подавляющее большинство широко использующихся в гидрогеологической практике методов оценки естественных ресурсов подземных вод зоны интенсивного водообмена основаны на определении количественных показателей разгрузки или расхода фильтрационного потока, с чем связаны известные объективные, но не всегда определенные погрешности. Вместе с тем, согласно общепринятому определению, методически корректной является количественная оценка естественных ресурсов подземных вод, основанная на изучении балансовых составляющих питания подземных вод, которое для зоны интенсивного водообмена обеспечивается, главным образом инфильтрацией атмосферных осадков. Однако, методы определения инфильтрационного питания, как правило, позволяют количественно характеризовать его интенсивность на локальном участке в конкретный период исследований, в связи, с чем их использование для оценки среднемноголетних обеспеченных величин ресурсов подземных вод отдельных территорий весьма ограничено.

С 70-х годов прошлого века по настоящее время, как в России, так и за рубежом, активно развиваются математические модели, в той или иной форме связывающие процессы водообмена в системах атмосфера - ландшафт - поверхностные и подземные воды, в смежных с гидрогеологией науках (почвоведение, гидрология, метеорология и др.). В гидрогеологических исследованиях такие модели были впервые использованы Р. Фризом [Freeze, 1972], а в отечественной практике - И.С.Пашковским [Пашковский, 1985]. В.М. Шестаков предложил называть такие модели геогидрологическими и определил «геогидрологию», как граничный с другими науками раздел гидрогеологии, рассматривающий «движение воды в системе ландшафт - подземные воды зоны гипергенеза от выпадения осадков на поверхность суши до их поступления в биосферу и поверхностные воды с учетом деятельности человека» [Шестаков, Поздняков, 2003].

Использование принципов геогидрологического моделирования позволяет проводить площадную оценку инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод, основанную на моделировании процессов его формирования, с учетом природной неоднородности гидрогеологических, ландшафтных и климатических условий изучаемой территории. В такой постановке представляется возможность избежать основные ограничения известных методов оценки ресурсов и детализировать пространственно-временную неоднородность их количественных показателей.

Также целесообразным является применение геогидрологических моделей и в практически важных задачах изучения условий формирования и оценки ресурсов подземных вод в условиях их эксплуатации, что повышает уровень достоверности и детальности количественной оценки балансовой обеспеченности эксплуатационного водоотбора и прогнозирования влияния эксплуатации подземных вод на поверхностные воды и общий водный баланс территорий. Это обусловлено все возрастающей актуальностью количественного анализа экологических последствий влияния эксплуатации подземных вод на окружающую среду.

Однако принципы построения таких моделей, их структура, содержание отдельных блоков и методика использования геогидрологического моделирования применительно к различным масштабам и практическим задачам оценки ресурсов подземных вод зоны интенсивного водообмена не разработаны. Также требует решения и проблема параметрического обеспечения отдельных блоков геогидрологической модели для задач средне- и мелкомасштабной оценки ресурсов подземных вод, что на сегодняшний момент, во многом, ограничивает их практическое использование. Решение этих вопросов и определяют основные направления исследований в данной работе.

Цели и задачи исследований.

Основной целью работы является разработка методики оценки инфилътрационного питания и ресурсов подземных вод в естественных условиях и при их эксплуатации на основе геогидрологических моделей, отражающих пространственно-временную неоднородность природных факторов их формирования и нелинейность процессов взаимовлияния поверхностной и подземной составляющих водообмена речного бассейна.

Для этого в работе решались следующие задачи:

- обоснование необходимой структуры расчетной геогидрологической модели, содержания ее расчетных блоков и принципов их сочленения, в зависимости от масштаба и цели исследований инфилътрационного питания и ресурсов подземных вод;

- разработка расчетного модуля формирования зависимого гидрологического режима водотоков и водоемов в составе геогидрологической модели речного бассейна;

- разработка методических принципов использования геогидрологических моделей и их отдельных элементов (блоков) для средне- и мелкомасштабной (региональной) оценки среднемноголетнего инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод;

- анализ природных факторов формирования инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод и выделение основных, определяющих их пространственно-временную неоднородность в масштабе речного бассейна (водосбора);

- проведение расчетной схематизации условий формирования инфильтрационного питания на основе анализа процессов водного баланса на поверхности земли и в зоне аэрации и обоснование параметрического обеспечения и граничных условий расчетных моделей, отражающих основные различия этих процессов, в зависимости от ландшафтных, почвенных и гидрогеологических факторов;

- анализ адекватности расчетных моделей формирования инфильтрационного питания и их параметрического обеспечения природным условиям на основе сопоставления результатов моделирования с данными наблюдений на водно-балансовых стационарах;

- количественный анализ закономерностей формирования пространственной неоднородности инфильтрационного питания подземных вод в масштабе речного бассейна (водосбора), в пределах единой климатической зоны, и - при широтной зональности климатических условий Европейской части России;

- апробация методики средне- и мелкомасштабной оценки среднемноголетнего инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод для конкретных территорий, анализ достоверности полученных результатов и обоснование принципов их верификации;

- разработка и практическое применение геогидрологических моделей при оценке эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) в условиях влияния эксплуатации на поверхностные воды и природные ландшафты.

Методика исследований.

Методика проведения исследований включала:

- анализ существующих методов оценки инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод, а также опыта разработки и использования моделей природных систем «атмосфера - ландшафт - поверхностные и подземные воды» в смежных с гидрогеологией науках (почвоведение, гидрология, метеорология и др.);

- теоретический и модельный анализ теплоэнергетических и воднобалансовых процессов на поверхности земли и в зоне аэрации с целью обоснования принципов их схематизации и параметрического обеспечения применительно к разным масштабам исследования инфильтрационного питания подземных вод;

- постановку и проведение наблюдений за уровнем грунтовых вод, температурным и влажностным режимом на поверхности земли и в зоне неполного водонасыщения на опытных ландшафтных площадках, лабораторное определение воднофизических свойств по глубине зоны аэрации, анализ материалов наблюдений на водно-балансовых стационарах;

- постановку, реализацию и интерпретацию численных модельных экспериментов;

- разработку и апробацию геогидрологических моделей при решении практических задач оценки среднемноголетнего инфильтрационного питания, естественных и эксплуатационных ресурсов подземных вод на конкретных объектах.

Научная новизна работы.

1. Определены понятие и балансовые критерии гидрогеодинамически зависимого и независимого гидрологического режима водотоков и водоемов. Разработана и апробирована на конкретном объекте оригинальная гидрогеодинамическая модель формирования зависимого гидрологического режима малого водоема в условиях эксплуатации подземных вод вблизи его акватории, отражающая прогнозные изменения процессов восполнения его запасов, гидрологического режима и балансово-гидрогеодинамических условий взаимодействия подземных и поверхностных вод.

2. Проведен количественный анализ и описаны закономерности формирования процессов сокращения речного стока в характерных гидрогеодинамических зонах влияния берегового водозабора.

3. Предложена типизация геогидрологических моделей в зависимости от их масштаба и характера решаемых с их помощью задач, отражающая основное содержание, принципы пространственно- временной схематизации процессов и параметрического обеспечения отдельных ее блоков (модулей). Разработаны и апробированы методические принципы построения геогидрологических моделей в разных масштабах.

4. Проведена оценка среднемноголетнего питания и естественных ресурсов подземных вод юго-западной части Московского артезианского бассейна, отражающая неоднородность природных факторов их формирования (климатических, ландшафтных, гидрогеологических), в масштабе отдельных речных бассейнов территории.

5. Количественно охарактеризована роль ландшафтных (рельеф, тип растительного и почвенного покрова) и гидрогеологических условий речных бассейнов в формировании средне- мелкомасштабной площадной неоднородности инфильтрационного питания подземных вод.

6. Впервые получены расчетные зависимости для оценки среднемноголетнего инфильтрационного питания подземных вод, отражающие широтную климатическую зональность территории Европейской части России и макронеоднородность ландшафтных и почвенных условий на площади речного бассейна (водосбора).

7. Предложены и апробированы на конкретных объектах принципы количественной оценки распределения естественных ресурсов подземных вод в разрезе зоны интенсивного водообмена, основанные на использовании результатов геогидрологического моделирования процессов формирования инфильтрационного питания и данных наблюдений за речным стоком. Предмет защиты.

Основным предметом защиты являются разработанные методические принципы построения, параметризации, верификации и использования геогидрологических моделей, определяющие принципиально новые подходы к решению задач оценки инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод в естественных условиях и при их эксплуатации применительно к различным масштабам исследования.

Личный вклад автора.

В диссертационной работе приведены результаты исследований, выполненных, в основном, в процессе самостоятельных работ автора. В работе использована оригинальная вычислительная программа моделирования трансформации осадков на поверхности земли, составленная проф. С.П.Поздняковым, тестирование и усовершенствование которой проведено при участии автора, а также авторские вычислительные программы геогидрологического моделирования зависимого гидрологического режима водотоков и водоемов «Речка» и МСв. В работе использованы результаты исследований при решении конкретных гидрогеологических задач на объектах, в которых автор принимал участие как научный руководитель и ответственный исполнитель работ, а также результаты численных и лабораторных экспериментов, выполненных в процессе подготовки студенческих курсовых, дипломных и магистерских работ, постановка, проведение и интерпретация результатов которых осуществлялась под научным руководством соискателя.

Практическая значимость и реализация результатов.

Результаты проведенных исследований использовались при выполнении работ по теме Государственного контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям №02.435.11.4001 по теме РП-13.2/001 «Разработка технологии оценки загрязнения и ресурсов подземных вод техногенно нагруженных территорий России» и легли в основу построения региональной карты среднемноголетнего инфильтрационного питания территории Калужской области, которая была использована для анализа ресурсного потенциала и актуального состояния месторождений подземных вод этого региона.

Математические модели и расчетные алгоритмы, рассматривающиеся в диссертации, использованы при написании отчетов по теме исследований «Совершенствование физико-математических моделей, численных методов и алгоритмов в пакете программ «НИМФА» для решения задач гидрогеоэкологии на многопроцессорных ЭВМ», в рамках Государственного контракта от 22.07.2010 № bi.4j.45.40.10.1134, заключенного между Госкорпорацией «Росатом» и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» по теме «Разработка технологий проектирования и имитационного моделирования для суперЭВМ на основе базового программного обеспечения», в котором кафедра гидрогеологии принимает участие на условиях субподряда.

На основе разработанной методики проведены оценки естественных ресурсов подземных вод бассейна р. Вологда с целью анализа перспектив их использования для водоснабжения г. Вологда, а также для территории поисково-разведочных работ на подземные воды в районе г. Смоленска. Разработки, приведенные в диссертации, в том . числе и основанные на них программные коды, использовались при подсчете эксплуатационных запасов подземных вод и прогнозировании влияния эксплуатации подземных вод на гидрологический режим поверхностных вод и природные ландшафты, на месторождениях приречного типа в Архангельской области и на территории Самур-Гюльгерычайской аллювиально-пролювиальной равнины Южного Дагестана. Результаты практического использования разработок автора отражены в производственных отчетах по хозяйственным договорам кафедры гидрогеологии МГУ.

Материалы и основные результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, использованы при подготовке научных отчетов госбюджетных тематических НИР, выполняемых кафедрой гидрогеологии МГУ, и работ по гранту РФФИ № 08-05-00720-а «Геогидрологическое моделирование динамики ресурсов подземных вод в условиях глобального изменения климата» и совместного научного гранта Академией наук КНР РФФИ №11-05-91161-ГФЕНа «Взаимосвязь поверхностных и подземных вод в аридных областях Юга России и Китая: проблемы, методика и сравнительные исследования».

Материалы диссертационных исследований использованы при разработке учебных программ по курсам «Геогидрология» (совместно с С.П.Поздняковым) и «Поиски и разведка подземных вод» (совместно с Р.С.Штенгеловым) и легли в основу лекций по этим курсам, которые автор читает для студентов и магистрантов кафедры гидрогеологии МГУ. Составленные на основе научных разработок по теме диссертации авторские прикладные программы моделирования «Речка» и МСй используются при проведении научно-производственных работ кафедры, практических занятий со студентами и магистрантами, а также при подготовке ими выпускных квалификационных работ.

Апробация работы.

Основные результаты исследований по теме диссертации были доложены и обсуждались на научных семинарах кафедры гидрогеологии МГУ, международных и российских совещаниях и конференциях, основными из которых являлись:

• ежегодная научная конференция «Ломоносовские чтения», МГУ, 1996, 1997, 2000, 2001, 2003, 2006, 2007, 2008, 2010,2011;

• 5-й Международный Конгресс и Техническая выставка "Вода: Экология и технология" ЭКВАТЭК-2002. Москва, 2002;

• научная конференция «Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование». Москва, МГУ, 2003

• вторая Всероссийская конференция «Современные проблемы изучения и использования питьевых подземных вод (памяти J1.C. Язвина)». Звенигород, 2006;

• Всероссийская конференция по математическому моделированию в гидрогеологии, Московская область, 2008.

• международная научная конференция «Ресурсы подземных вод. Современные проблемы изучения и использования». Москва, МГУ, 2010

• международная научно-практической конференция «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии». Моск. обл. п.Зеленый. 2011 г;

• научная конференция «Комплексные проблемы гидрогеологии». СПб.: С.-Петерб. ун-т. 2011;

• Российско-Тайваньский двусторонний симпозиум «Разработка технологий оценки водных ресурсов». Москва, 2004 (Taiwan-Russia Bilateral Symposium «Development of Water Resources Technology». Moscow, Russia 31 May, 2004);

• 4-й конференции по проблемам охраны окружающей среды и гидрогеологии «Гидоллогические проблемы 21 века: экология, охрана окружающей среды и здоровье человека. Институт гидрологии. США, Сан Франциско, 1999 (1999 Annual Meeting of then American Institute of Hydrology and then Fourth USA/CIS Joint Conference on Environmental Hydrology and Hydrogeology. San Francisco, California, 1999);

• 7-я Международная Конференция по калибрации и надежности моделирования подземных вод. Ухань, Китай, 2009 (7-th International conference on calibration and reliability in groundwater modeling ModelCARE "Managing Groundwater and the Environment", Wuhan, China, China University of Geosciences, 2009;

• международный симпозиум по подземным водам. Валенсия. Испания, 2010 (IAHR International Groundwater Symposium. 22-24 September 2010. Valencia, Spain)

Публикации.

По теме работы опубликовано в открытой печати 45 работ, из них 16 статей в рецензируемых журналах.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 6 глав и заключения, представлена на 382 страницах, включая 163 рисунка, 56 таблиц и список литературы из 314 наименований, в которых 137 иностранных работ и 12 фондовых источников. Благодарности.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору Штенгелову P.C., оказавшему большое влияние на формирование его профессионального мировоззрения. Автор глубоко признателен профессору С.П. Позднякову за полезные советы и плодотворные обсуждения по тематике работы, скоропостижно скончавшемуся профессору И.С. Пашковскому за ценные консультации и замечания к работе, а также ушедшему из жизни профессору В.М. Шестакову, который на протяжении многих лет был для автора ориентиром в науке. Автор выражает особую благодарность профессору В.А.Всеволожскому и доценту Р.П. Кочетковой за плодотворные совместные работы по территории Калужской области, инж. Обозному В.Н. и доц. Маслову A.A., помогавшим в организации режимных наблюдений на Звенигородском полигоне, доц. Расторгуеву A.B. и сотруднику ВНИИ ВОДГЕО к.т.н. Киселеву A.A. за помощь в проведении лабораторных испытаний на образцах. Автор также считает своей приятной обязанностью выразить благодарность студентам кафедры гидрогеологии Преображенской А.Е., Новоселовой М.В., Беловой А.И., Ширнину М. Ю., Сучковой К.В., Даутовой Д.С., Ивановой Я.В., выполнявших под его руководством исследования по теме диссертации в рамках подготовки своих курсовых и дипломных работ.

Исследования в рамках данной работы поддерживались грантами РФФИ № 08-05-00720-а и РФФИ №11-05-91161-ГФЕНа.

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Гриневский, Сергей Олегович

6.3 Выводы к главе 6

1. Результаты прогнозных расчетов эксплуатации подземных вод на участках водотоков и водоемов с ограниченными ресурсами (запасами) поверхностных вод показывают необходимость отражения в расчетных моделях процессов формирования зависимого гидрологического режима водотоков и водоемов, что подразумевает моделирование геогидрологического цикла водообмена, отражающего его поверхностную и подземную составляющие. Зависимый гидрологический режим поверхностных вод, формирующийся под влиянием прогнозных гидрогеодинамических условий, определяет структуру эксплуатационных запасов подземных вод и масштабы воздействия эксплуатации подземных вод водный баланс водотоков и водоемов.

2. Элементы геогидрологического моделирования, отражающего процессы формирования инфильтрационного питания и эвапотранспирационной разгрузки подземных вод, в зависимости от ландшафтно-климатических условий, позволяют количественно характеризовать эти сложно определяемые статьи баланса потока подземных вод и их роль в обеспечении эксплуатационного водоотбора, а также прогнозировать влияние эксплуатации подземных вод на влажностный режим природных ландшафтов.

Заключение

По результатам проведенных исследований, можно сделать следующие основные выводы, которые представляют защищаемые положения диссертационной работы.

1. Геогидрологические модели представляют собой особый класс моделей, рассматривающих водообмен в системе «атмосфера - поверхность - почва - подземные воды - поверхностные воды» во взаимовлиянии процессов формирования водного баланса на поверхности суши, подземного и поверхностного стока и характеризуются нелинейными условиями на балансовых границах фильтрационного потока, отражающими связь инфильтрационного питания и эвапотранспирационной разгрузки подземных вод с ландшафтно-климатическими условиями и взаимозависимость режима и баланса подземных и поверхностных вод.

Структура, содержание, характер граничных условий и параметризация отдельных блоков геогидрологической модели, а также принципы ее верификации определяются масштабом и целевым назначением оценки инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод в естественных и нарушенных условиях.

В соответствии с этим целесообразно различать четыре основных типа (масштаба) геогидрологических моделей - бассейновый (мелкий), водосборный (средний), ландшафтный (крупный) и локальный (точечный).

2. Методика средне- и мелкомасштабной оценки среднемноголетнего инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод на основе геогидрологических моделей заключается в районировании территории по условиям инфильтрации, построении типичных ландшафтных моделей и оценке элементов водного баланса на поверхности земли и в зоне аэрации по результатам моделирования на основе многолетних рядов метеорологических характеристик.

Масштабная неоднородность инфильтрационного питания на площади речного бассейна (водосбора) характеризуется типовыми условиями формирования инфильтрации. В мелком (региональном) масштабе они определяются макроразличиями общего характера ландшафта (природный, урбанизированный, водный), типа растительности и литологического (механического) состава почвенного покрова и пород верхнего (до 5-7 м) интервала разреза зоны аэрации, средней глубиной залегания уровня грунтовых вод (УГВ). В среднем и крупном масштабах необходимо также учитывать характер сельскохозяйственного использования ландшафта, рельеф и экспозицию склонов.

3. Проведено обоснование характера граничных условий и параметрического обеспечения расчетных моделей для средне- и мелкомасштабной оценки среднемноголетнего инфильтрационного питания подземных вод, отражающее основные природные ландшафтно-климатические закономерности его формирования, применительно к климатическим условиям средней полосы России.

• На верхней границе модели формирования среднемноголетней инфильтрации оптимальной является суточная дискретность метеорологических характеристик, а условие на нижней границе может быть охарактеризовано среднемноголетним положением УГВ при глубине его залегания свыше 3-4 м.

• При меньшей глубине УГВ условие на нижней границе модели инфильтрационного питания должно отражать его сезонную динамичность, которая существенно влияет на процессы формирования водного баланса в зоне аэрации. Обоснованы обобщенные параметры, характеризующие ландшафтные условия, водно-физические свойства пород зоны аэрации, в зависимости от их литологического состава, а для верхнего почвенного горизонта - и от типа растительности, а также параметры модели транспирационного отбора влаги корневой системой древесной и травянистой растительности, в зависимости от состава почвы.

• Установлено, что различия в расчетных величинах среднемноголетней инфильтрации при возможной вариации обобщенных параметров моделей, в большинстве случаев не превышают 5%, что доказывает возможность их использования. Наиболее чувствительна модель инфильтрационного питания к параметрам поверхностного стокообразования, что требует их калибрации.

• Предложенные принципы калибрации и верификации геогидрологической модели основаны на использовании фактических характеристик речного стока, что( обеспечивает достоверность расчетных интегральных показателей водного баланса речных бассейнов (водосборов).

4. Методика оценки среднемноголетнего инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод на основе геогидрологического моделирования процессов водного баланса на поверхности земли и в зоне аэрации может быть использована при средне-мелкомасштабных исследованиях, как альтернатива или существенное дополнение широко используемого гидролого-гидрогеологического метода. Она позволяет количественно охарактеризовать:

• неоднородность инфильтрационного питания в границах речных бассейнов разного порядка;

• «эвапотранспирационную» составляющую естественных ресурсов подземных вод;

• связь среднемноголетнего инфильтрационного питания с глубиной УГВ,

• инфильтрационное питание подземных вод балансово-незамкнутых территорий;

• питание глубоких интервалов гидрогеологического разреза зоны интенсивного водообмена, не дренируемых местной эрозионной сетью;

• многолетние показатели естественных ресурсов подземных вод заданной обеспеченности.

Методика оценки инфильтрационного питания на основе геогидрологических моделей также может быть использована для обоснования количественных показателей степени защищенности (уязвимости) грунтовых вод.

1. В масштабе речного бассейна ландшафтные факторы, главными из которых х являются тип растительного и почвенного покрова, обусловливают резкую неоднородность инфильтрационного питания подземных вод и определяют соотношение между составляющими суммарного испарения, а также поверхностным стоком и инфильтрацией. В региональном масштабе значимая неоднородность | среднемноголетнего инфильтрационного питания и естественных ресурсов подземных вод может быть обусловлена также различием микроклиматических условий отдельных речных бассейнов территории, относящейся к единой климатической зоне.

В целом, наиболее благоприятные условия для инфильтрационного питания формируются на лесных ландшафтах, а для среднемноголетней эвапотранспирационной разгрузки подземных вод - на открытых полевых ландшафтах при глубине УГВ до 3 м. Ландшафтные условия определяют также параметры зависимости среднемноголетней инфильтрации от глубины УГВ.

Внутригодовые вариации ИП резко затухают с глубиной УГВ, и при его залегании глубже 5 м практически отсутствуют и не влияют на его режим. Это означает, что сезонный режим УГВ при их средней глубине свыше 5 м не связан с «местным» инфильтрационным питанием, а обусловлен изменениями в латеральном потоке (главным образом, уровня его дренирования). В то же время многолетняя вариация годовых сумм инфильтрации сохраняется и проявляется в режиме УГВ при значительной (более 10 м) его глубине.

6. Рассмотренные методические принципы геогидрологического моделирования целесообразно использовать при оценке эксплуатационных ЗАЦАСов подземных вод, когда процессы их формирования связаны с изменениями уровня грунтовых вод или с привлечением поверхностных вод в объемах, нарушающих их гидрологический режим. В этих случаях геогидрологическое моделирование позволяет учитывать нелинейные процессы изменения инфильтрационного питания или эвапотранспирационной разгрузки подземных вод в зависимости от природных ландшафтно-климатических условий, и процессы формирования гидрогеодинамически зависимого гидрологического режима водотоков и водоемов.

На примере конкретных объектов показано, что использование геогидрологических моделей при оценке эксплуатационных ЗАПАСОВ подземных вод в этом случае повышает степень балансовой обеспеченности эксплуатационного водоотбора и позволяет адекватно прогнозировать его влияние на водный баланс территории, что является количественной основой для оценки его экологических последствий.

Список литературы диссертационного исследования доктор геолого-минералогических наук Гриневский, Сергей Олегович, 2012 год

1. Опубликованная

2. Аверьянов С. Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. М.: Колос. 1978.

3. Андреев Н.Г. Луговое и полевое кормопроизводство. М:.Агропромиздат. 1989. 539с.

4. Антипов А.Н., Марунич C.B., Федоров С.Ф. и др. Гидрологическая роль лесных геосистем. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989.

5. Антонцев С.H., Епихов Г.П., Кашеваров A.A. Системное математическоемоделирование процессов водообмена. С.О.Наука. Новосибирск. 1986. 215 с.

6. Атлас Брянской области. М., ГУГК, 1976.

7. Атлас Калужской области. Издательство Н.Ф. Бочкаревой, Калуга, 2005.

8. Атлас Московской области. М., 1976

9. Атлас Смоленской области. М., 1997

10. Атлас мирового водного баланса. Гидрометеоиздат, 1974.

11. Ашкинезер С.М., Гохберг Л.К, Рошаль A.A. Численные модели взаимодействияповерхностных и подземных вод в условиях интенсивного водообмена. // В кн: Оценка и прогнозирование гидрогеологических условий на застраиваемых территориях. М. 1987. С.79 87.

12. Бадов В.В., Киселев A.A., Романова Т.П. Методы экспериментального изучениявлагопереноса в ненасыщенных горных породах Обзор ВИЭМС. Сер. гидрогеология и инж. геология. М., 1988.

13. Бадов В.В., Киселев A.A. Капилляриметр: Авторское свидетельство № 1354068

14. СССР, МКИ 01 15.08. БИ № 43. 23.11.1987.

15. Бадов В.В., Киселев A.A. Устройство для определения основной гидрофизическойхарактеристики пористых материалов. Авторское свидетельство №1718044 СССР. БИ № 9. 07.03.1992.

16. Басс C.B. Внутризональные особенности весеннего поверхностного стока в леснойзоне. Ин-т географии АН СССР. 1963.

17. Белоусова А.П. Ресурсы подземных вод и их защищенность от загрязнения вбассейне реки Днепр и отдельных его регионах. М., 2005. 168 с.

18. Биндеман H.H., Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М.:1. Недра. 1970.

19. Боревский Б.В. Формирование эксплуатационных запасов и разведкаместорождений пресных подземных вод. Автореф. дисс. доктора геол-мин. наук. М„ 1986

20. Боревский Б.В., Грабовников В.А. Достоверность гидрогеологических прогнозовпри оценке эксплуатационных запасов подземных вод // Разведка и охрана недр. 2010. № 10, с. 3-8.

21. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод. Киев.1. Вища школа». 1989. 407 с.

22. Бочевер Ф.М., Лапшин М.М., Хохлатое Э.М. Оценка производительностиводозаборов подземных вод в речных долинах. // Водные ресурсы. 1978. №1. С. 16 -28.

23. Брусиловский С. А., Куделин Б.К, Кирейчева Л.В., Яшин В.М. Подземный сток в

24. Каспийское море на участке побережья от г. Махачкалы до р. Кусарчай. В кн.: Комплексные исследования Каспийского моря. Вып.1. Изд-во МГУ. 1970.

25. Будаговский А.И. Испарение почвенных вод // В кн. Физика почвенных вод. М.:1. Наука, 1981. С. 13-95.

26. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. JL: Гидрометеоиздат. 1956.

27. Быков В.Д., Васильев A.B. Гидрометрия. JL: Гидрометеоиздат, 1977

28. Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока.

29. Опыт критического анализа. JL: Гидрометеоиздат, 1988

30. Веригин H.H. Об оценке грунтового стока рек. Труды лабораториигидротехнических сооружений ВНИИ водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной геологии. 1963. №4, с. 177-196.

31. Вериго С.А., Разумова Л.А. Почвенная влага. JL: Гидрометеоиздат, 1973. 328 с.

32. Водоватова З.А., Гохберг Л.К., Ефремов Д.И. и др. Методика обоснованиярегиональных гидрогеологических моделей многослойных систем. М., Недра. 1982. 147 с.

33. Водообмен в гидрогеологических структурах Украины. Методы изученияводообмена. Под ред. В.М. Шестопалова. Киев. «Наукова думка». 1988.

34. Воронков H.A., Кожевникова С. А., Павлушкин А.Т., Шомполова В.А.

35. Гидрологическая и метеорологическая роль лесных насаждений разного природного состава // Лесоведение. 1976. №1, с.3-10.

36. Воронков H.A. Элементы водного баланса леса в зависимости от почвенногрунтовых условий и породного состава насаждений. В кн. Вопросы географии, сб. 102. Ландшафт и воды. М.: Мысль. 1986. С. 122-133.

37. Воронков H.A. Роль лесов в охране вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 285 с.

38. Всеволожский В.А. Подземный сток и водный баланс платформенных структур. М.:1. Недра. 1983. 167 с.

39. Всеволожский В.А., Гриневский С. О. Оценка естественных ресурсов подземных водс использованием балансово-гидродинамических моделей // Водные ресурсы. 2006. Т.ЗЗ. №4, с. 410-416.

40. Всеволожский В.А., Штенгелов P.C. О классификации запасов и ресурсовподземных вод. Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 2003. № 1, с. 44-49.

41. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. М.:1. Недра. 1980.

42. География Смоленской области. Изд. 2-е. Смоленск. 1998

43. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ // Под ред. P.C. Штенгелова. М.: Изд-во1. МГУ. 1994. 334 с.

44. Гидрологическая роль лесных геосистем. Новосибирск, Наука, Сиб. отд-ние, 1989,168 с.

45. Глобус A.M. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэкологическихматематических моделей. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 427 с.

46. Гольдберг В.М. Взаимосвязь загрязнения подземных вод и природной среды Л.:

47. Гидрометеоиздат, 1987. 248 с.

48. Горбунов E.JI. Физическая география Тульской области. «Пересвет». 2002

49. Горошков И. Ф. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат. 1979.

50. ГОСТ 27593-88(2005). ПОЧВЫ. Термины и определения. М. 2005 г.

51. Гриневский С. О. Обоснование геогидрологических прогнозов водоотбора наместорождениях подземных вод в долинах малых рек. Автореф. дисс. канд. геол-мин. наук. МГУ, 1991 (а).

52. Гриневский С.О. Формирование эксплуатационных запасов водозабора подземныхвод в долине малой реки. // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 1991(6). № 3, с.87 -92.

53. Гриневский С.О. Численное моделирование фильтрации // в кн.

54. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ. Под ред. P.C. Штенгелова. М.: Изд-во МГУ. 1994. С. 91 133.

55. Гриневский С.О. Особенности расчетов водозабора вблизи акватории сточногоозера. Часть 1. Балансово-гидродинамическая модель // в Сб. Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование. М.: РУДН. 2003 (а). С. 276 288.

56. Гриневский С.О. Особенности расчетов водозабора вблизи акватории сточногоозера. Часть 2. Моделирование динамики водного баланса водоема // в Сб. Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование. М.: РУДН. 2003 (б). С. 289 306.

57. Гриневский С.О. Схематизация строения и параметров зоны аэрации длямоделирования инфильтрационного питания подземных вод // Вестник МГУ, сер. 4. Геология. 2010. №6. С.56-67.

58. Гриневский С. О. Моделирование поглощения влаги корнями растений при расчетахвлагопереноса в зоне аэрации и инфильтрационного питания подземных вод // Вестник МГУ, сер. 4. Геология. 2011. №3, с 41-52.

59. Гриневский С.О. Гидрогеодинамическое моделирование взаимодействияподземных и поверхностных вод. М.: Инфра-М. 2012. 152 с.

60. Гриневский С. О., Короткова И.Ю. Обоснование допустимых понижений приоценке эксплуатационных запасов подземных вод // Вестник МГУ. Сер. Геология. 1997. №4, с.71-74.

61. Гриневский С.О., Маслов A.A., Поздняков С.П. Опыт создания и применениякомплекса режимных гидрогеологических наблюдений в условиях Звенигородского учебного полигона МГУ им. М.В.Ломоносова // Инж. изыскания. 2011. №5. с.20 24.

62. Гриневский С.О., Машкова Е. В. Оценка балансовой структуры эксплуатационногоотбора подземных вод // Вестник МГУ. Сер. Геология. 1999. №5. С. 33 40.

63. Гриневский С.О., Новоселова М.В. Закономерности формированияинфильтрационного питания подземных вод // Водные ресурсы. 2011. Т.38, № 2. С. 169- 180.

64. Гриневский С.О., Поздняков С.П. Принципы региональной оценкиинфильтрационного питания подземных вод на основе геогидрологических моделей // Водные ресурсы. 2010. Т. 37, № 5. С. 543 557.

65. Гриневский С.О., Преображенская А.Е., Юрченко С.А. Оценка баланса подземныхвод Самур-Гюльгерычайской аллювиально-пролювиальной равнины (Южный Дагестан) // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 2009. № 4, с.44 54.

66. Гриневский С. О., Прокофьев В. В. К методике проведения и интерпретациитермометрических измерений для выявления зон субаквальной разгрузки подземных вод // Вестник МГУ. Сер.4. Геология. 2005. №3. С. 55-61.

67. Гриневский С.О., Штенгелов P.C. О прогнозировании влияния водозаборовподземных вод на сток малых рек. // Водные ресурсы. 1988. № 4. С.24 32.

68. Гриневский С.О., Штенгелов P.C. Мониторинг приречных месторожденийподземных вод // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 1995. № 6, с.52 58.

69. Грунтоведение. Под ред. В.Т.Трофимова. 6-е изд.,. М.: Изд-во МГУ, 2005. 1024 с.

70. Гусев Е.М., Насонова О.Н. Проблемы изучения и моделирования тепло- ивлагообмена в системе почва-растительный и (или) снежный покров-приземный слой атмосферы // Вод. ресурсы. 2004. Т. 31, № 2. С. 148-164.

71. Гусев Е.М., Насонова О.Н. Моделирование тепло- и влагообмена поверхности сушис атмосферой. М.: Наука. 2010. 327 с.

72. Гусев Е.М., Штекауерова В., Стеглова К., Майерчак Ю., Кочарян А.Г., Никитская

73. К.Е. Определение гидрофизических характеристик почв водосбора Иваньковского водохранилища// Вод. ресурсы. 2008. Т. 35, № 3. С. 348-357.

74. Демидов В.Н. Численное моделирование процессов формирования дождевогостока. Автореф. дисс. д. физ-мат. н., Москва, ИВП РАН, 2007.

75. Джамалов Р.Г., Зекцер КС., Месхетели A.B. Подземный сток в моря и мировойокеан. М. Наука. 1977.

76. Дзекунов НЕ., Жернов НЕ., Файбишенко Б.А. Термодинамические методыизучения водного режима зоны аэрации. М.: Недра, 1987. 176 с.

77. Дунин Ф.Х. Моделирование инфильтрации в приближении, к полевым условиям //

78. В кн. Грани гидрологии. Под ред. К. Родца. JL: Гидрометеоиздат. 1980. С. 241-275.

79. Епихов Г.П. Математическая модель плановой фильтрации во взаимосвязи сречным стоком и ее реализация. // Водные ресурсы. 1980. № 2, с.35 44.

80. Епихов Г.П. Математическая модель речного бассейна и ее реализация // В кн.

81. Прогноз изменения гидрогеологических условий под влиянием водохозяйственных мероприятий. М.: Недра. 198774.