Влияние сезонной изменчивости поверхностного и подземного стока на формирование эксплуатационных запасов подземных вод приречных месторождений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Маслов, Алексей Анатольевич

• Маслов, Алексей Анатольевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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.

Проблема обеспечения бесперебойного и качественного хозяйственно-питьевого водоснабжения наиболее остра в районах со сложившейся напряженной системой водопользования. К таким районам, прежде всего, относятся густонаселенные и промышленно освоенные районы Центральной России.

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.

• 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. 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 диссертации 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:

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).

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.

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.

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Маслов, Алексей Анатольевич, 2004 год

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