Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние и анализ проблемы использования водных ресурсов 11
1.1 Ресурсы поверхностных вод 11
1.2 Ресурсы подземных вод 14
1.3 Минимально допустимый расход реки 17
1.4 Водохозяйственный баланс участка 23
1.5 Методы управления величиной располагаемых водных ресурсов 26
1.6 Комбинированное использование подземных и поверхностных вод 31
1.6.1 Комбинированное использование водных ресурсов для орошения 31
1.6.2 Комбинированное использование водных ресурсов для хозяйственно-питьевых нужд 34
1.6.3 Комбинированное использование водных ресурсов для атомных электростанций 39
2 Основные положения концепции комбинированного использования водных ресурсов . 42
2.1 Сравнительная характеристика поверхностной и подземной форм водоотбора 43
2.2 Типизация задач организации КВС 45
2.3 Формирование ущерба поверхностному стоку 52
2.4 Аналитические методы расчета величины ущерба речному стоку 56
2.4.1 Основные аналитические уравнения для оценки величины ущерба речному стоку при работе береговых водозаборов 56
2.4.2 Апробация аналитических зависимостей для оценки ущерба речному стоку 62
2.5 Методика моделирования работы комбинированной водозаборной системы.. 71
2.5.1 Схематизация условий постановки численных экспериментов 74
2.5.2 Анализ результатов численных экспериментов 81
3 Обоснование работы комбинированной водозаборной системы на месторождениях подземных вод в малых речных бассейнах 94
3.1 Оценка благоприятных гидрогеологических условий для организации комбинированной водозаборной системы 94
3.2 Гидрогеологические схемы размещения компенсационных водозаборов 98
3.2.1 Высокая степень взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой 98
3.2.2 Затрудненный характер взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой 101
3.2.3 Весьма затрудненный характер взаимосвязи реки и продуктивного межпластового водоносного горизонта 105
3.3 Оценка влияния природных параметров и техногенных факторов на величину ущерба речному стоку при комбинированном использовании водных ресурсов 111
3.3.1 Постановка модельных экспериментов 113
3.3.2 Схематизация условий 115
3.3.3 Методика численных модельных экспериментов 121
3.3.4 Анализ результатов 122
4 Комбинированные водозаборные системы на репрезентативных месторояедениях подземных вод в речных долинах 147
4.1 Августовское месторождение 147
4.1.1 Общие сведения о районе работ и участке 149
4.1.2 Постановка задачи комбинированного использования водньк ресурсов на Августовском месторождении 151
4.1.3 Обоснование гидрогеодинамической модели Августовского месторождения 155
4.1.4 Прогнозное моделирование работы комбинированной системы водоотбора 159
4.2 Пермиловское месторождение 168
4.2.1 Общие сведения о районе месторождения 168
4.2.2 Обоснование геогидрологической модели Пермиловского месторождения
4.2.3 Моделирование работы «традиционной» водозаборной системы 174
4.2.4. Постановка задачи комбинированного использования водных ресурсов на Пермиловском месторождении 175
4.2.5 Моделирование работы комбинированной водозаборной системы... 177
4.3 Амбарнинское месторождение 184
4.3.1 Общие сведения о районе работ и участке 184
4.3.2 Постановка задачи комбинированного использования водных ресурсов на Амбарнинском месторождении 187
4.3.3 Обоснование гидрогеодинамической модели Амбарнинского месторождения 188
4.3.4 Моделирование комбинированной водозаборной системы на Амбарнинском месторождении 190
4.4 Техническое водоснабжение Калининской АЭС 199
4.4.1 Общие сведения о районе работ и участке 199
4.4.2 Постановка задачи комбинированного использования водных ресурсов для водоснабжения Калининской АЭС 202
4.4.3 Обоснование гидрогеодинамической модели для водоснабжения 205
4.4.4 Моделирование комбинированной водозаборной системы для водоснабжения Калининской АЭС 214
Заключение 221
Список использованной литературы 223
- Комбинированное использование водных ресурсов для хозяйственно-питьевых нужд
- Основные аналитические уравнения для оценки величины ущерба речному стоку при работе береговых водозаборов
- Высокая степень взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой
- Постановка задачи комбинированного использования водньк ресурсов на Августовском месторождении
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема дефицита водных ресурсов в настоящее время принимает глобальные масштабы. По данным Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций [63] 1.1 миллиард людей во всем мире, что составляет приблизительно одну шестую населения планеты, не имеют доступа к чистой питьевой воде. В регионах, где ощущается острый дефицит воды, проживает около 470 миллионов человек. Специалисты прогнозируют, что к 2025 году количество людей, проживающих в странах с острым дефицитом воды, увеличится до 3 миллиардов человек. В сложившейся ситуации в 2000 г. была принята Декларация тысячелетия ООН, подчеркивающая необходимость сокращения наполовину доли населения, не имеющего доступа к безопасной питьевой воде, и прекращения экологически неустойчивой эксплуатации водных ресурсов. На Всемирной встрече на высшем уровне в Йоханнесбурге в 2002 г. было решено стремиться к развитию систем комплексного управления водными ресурсами. В декабре 2003 г. Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций объявила 2005-2015 годы Международным десятилетием действий «Вода для жизни», в котором снова вопросы дефицита воды и комплексного управления водными ресурсами играют основную роль.
Общие водные ресурсы в большинстве случаев оцениваются по величине речного стока, внутригодовое распределение которого на большей части территории России крайне неравномерно. Основной его объём - до 60-80% годового - приходится на весеннее половодье, а меженные расходы снижаются в десятки и сотни раз. Соответственно верхним пределом располагаемых водных ресурсов (РВР), т.е. доступных для водохозяйственного использования, являются величины минимальных меженных расходов речного стока, приведенные к высокой вероятности превышения.
С другой стороны, величина располагаемых ресурсов ограничивается требованием сохранения минимального допустимого расхода реки (МДР), необходимого для обеспечения водопользования и нормального функционирования водных и наземных экосистем на нижележащем участке реки. Нормативных документов, регламентирующих допустимое изъятие речного стока, в настоящее время нет; существуют «негласные» договоренности о том, что МДР должен составлять не менее 50-75% минимального 30-суточного меженного расхода.
Очевидно, что при столь жёстких ограничениях вполне реальна проблема сезонного дефицита располагаемых ресурсов — в первую очередь, для малых речных бассейнов, где меженные расходы соизмеримы с величиной водохозяйственной потребности.
В водохозяйственной практике для повышения РВР прибегают к территориальной переброске речного стока из смежных водосборных бассейнов или к внутригодовому регулированию стока водохранилищами.
Другой подход к управлению располагаемыми водными ресурсами речного бассейна основан на рациональной комбинации (во времени) поверхностной и подземной форм водоотбора таким образом, чтобы временный дефицит водных ресурсов, возникающий при ограничении допустимого изъятия речного стока, был погашен за счёт отбора подземных вод. При этом отбор подземных вод не должен наносить дополнительного ущерба речному стоку в период дефицита. ^ Предложения о комбинированном использовании подземных и поверхностных вод выдвигались еще в 50-е годы прошлого века советскими и американскими гидрогеологами, однако, как за рубежом, так и в России системный подход к проблеме комбинированного использования водных ресурсов практически не разработан.-
Комбинированное использование водных ресурсов рассматривалось в основном применительно к проблемам орошения, однако за последние десятилетия в Европе было проведено несколько тестовых проектов использования подземных вод как дополнительного источника к поверхностному водоснабжению для хозяйственно-питьевых нужд. Исследования выполнены на конкретных объектах и массового применения не получили.
В отечественной литературе идея комбинированного использования водных ресурсов рассматривалась в разных постановках Г.П. Кумсиашвили, А.Л. Великановым, И.С. Зекцером и др.; наиболее полно с гидрогеологических позиций она проработана В. С. Ковалевским в его последней монографии [41].
Вместе с тем обоснование комбинированного использования водных ресурсов, как за рубежом, так и в России разработано вплоть до настоящего времени недостаточно:
Отсутствует единая терминология, поэтому понятия «совместное», «комплексное», «комбинированное» использование подземных и поверхностных вод, как правило, не имеют однозначного толкования.
Не разработаны общая методика и практические подходы к решению проблемы комбинированного использования водных ресурсов.
Отсутствует систематика и детальный, анализ условий и типовых схем организации компенсационных подземных водозаборов.
Не рассмотрены вопросы поиска месторождений и оценки запасов подземных вод с учетом использования комбинированных систем водоснабжения.
Соответственно не разрабатываются и не предполагаются к разработке подобные проекты для реальных водохозяйственных объектов, за исключением проекта водообеспечения Калининской АЭС.
Все вышеперечисленное обусловливает актуальность данных исследований.
В основу данной работы легли материалы, полученные в процессе выполнения договорных работ, в том числе по государственному контракту от 14 июля 2007 г. № 02.515.11.5033 в течение 2007-2008 гг. с Федеральным агентством по науке и инновациям РФ
Цель и задачи исследования. Основной целью работы является исследование периодической работы водозаборов при комбинированном * использовании водных ресурсов в основном применительно к вопросам формирования ущерба речному стоку.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Детализировать концепцию комбинированного использования водных ресурсов применительно к малым речным бассейнам.
Обосновать благоприятные гидрогеологические условия для эффективной организации комбинированных водозаборных систем.
Апробировать существующие методы аналитических расчётов и моделирования применительно к периодической работе компенсационных водозаборов в малых речных бассейнах.
Выполнить в факторно-диапазонной постановке параметрический анализ для выделенных типовых гидрогеологических схем.
Показать возможности эффективного применения комбинированных водозаборных систем на реальных природных объектах.
Методы исследований. Методы исследований включали в себя сбор и анализ отечественной и зарубежной литературы по вопросам комбинированного использования водных ресурсов, вопросам оценки влияния отбора подземных вод на речной сток. Для изучения особенностей формирования ущерба речному стоку использовались аналитические методы расчета и методы численного модельного эксперимента. При создании математической модели исследуемых природных объектов анализировались фондовые материалы, данные режимных наблюдений, гидрогеологические и водохозяйственные условия. Для математического моделирования использовался программный пакет ModTECH 3.13.0024 (производства компании ЗАО «Геолинк Консалтинг») за исключением специально оговоренных случаев.
Научная новизна.
Сформулированы типовые водохозяйственные задачи, которые могут быть эффективно решены с использованием комбинированных водозаборных систем, периодически использующих естественные запасы подземных вод без ущерба речному стоку. По степени взаимосвязи подземных и поверхностных вод выделены три подтипа месторождений подземных вод в речных долинах, благоприятные для организации комбинированных водозаборных систем.
Введено понятие «емкостного сопротивления» для оценки ущерба речному стоку. Величина емкостного сопротивления определяется продолжительностью внутригодового периода работы водозабора и обобщенными параметрами уровнепроводности и «физического», «виртуального» или «глубинного» удаления , водозабора от реки.
На основе серии численных модельных экспериментов в репрезентативном природном параметрическом диапазоне изучены закономерности развития ущерба речному стоку при циклической работе компенсационных водозаборов. Для этих условий предложены эмпирические регрессионные зависимости между величиной ущерба и емкостного сопротивления.
Исследованы границы применимости существующих аналитических решений для оценки ущерба стоку рек с различной степенью несовершенства. Для модельных решений установлены характер и масштаб погрешностей, возникающих при незавершённости воспроизведения начальных уровней; разработаны количественные критерии завершения сезонно-циклических задач по сходимости уровней и относительных величин русловой разгрузки подземных вод.
Практическая значимость.
Основные положения работы применены при оценке ущерба речному стоку и оптимизации нагрузки на компенсационные водозаборы для технического водоснабжения Калининской АЭС по теме «Разработка правил управления подпиткой озёр-охладителей Калининской АЭС подземными водами».
Разработаны практические предложения по реализации систем комбинированного использования водных ресурсов на освоенных и разведанных
9 месторождениях подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения (Августовское, Пермиловское, Амбарнинское месторождения).
3. Предлагаемые регрессионные зависимости ущерба речному стоку от величины емкостного сопротивления позволяют с достаточной практической точностью выполнять предварительные оценки на поисковой и оценочной стадиях поисково-разведочных работ для изыскания источников хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Апробация результатов исследования и публикации. Основные положения и результаты работ докладывались на шести конференциях: VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2007), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2007" (Москва, 2007), Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие геологической науки — путь к эффективному и комплексному освоению недр» (Минск, 2007), 33 International Geological Congress (Осло, 2008), International Interdisciplinary conference on predictions for hydrology, ecology, and water resources management: using data and models to benefit society - Hydropredict 2008 (Прага, 2008), Российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной «Году Планеты Земля» (Москва, 2009). Результаты работ были представлены на 8-м Международном конгрессе «Вода: экология и технология» Экватек-2008 (Москва, 2008), получены медаль и диплом П-й Международной выставки и конгресса «Перспективные технологии XXI века» за разработку темы «Комбинированная водозаборная система» в разделе «Рациональное природопользование» (Москва, 2008). Основные положения работы изложены в тринадцати публикациях, в том числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Работа изложена на 229 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 78 рисунков, 25 таблиц. Список использованной литературы включает 137 наименований.
Благодарности. Особую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю профессору, д.г-м.н. Р.С. Штенгелову за неоценимую помощь, постоянную научную и моральную поддержку и содействие в процессе выполнения и написания работы. Постоянные консультации и ценные советы при написании работы давал доцент А.А. Маслов, которому автор выражает признательность и благодарность. Автор признателен профессорам В.М. Шестакову, В.А. Всеволожскому, СП. Позднякову, К.Е. Питьевой, А.В. Лехову, доцентам СО.
10 Гриневскому, М.С. Орлову, В.М. Семеновой, с.н.с. С.А. Брусиловскому и всем преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова за полученные знания в процессе обучения и работы на кафедре.
В процессе написания работы автор сотрудничала с преподавателями кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Автор выражает благодарность администрации ЗАО «Геолинк Консалтинг» за предоставленную возможность использования программного пакета ModTECH 3.13.0024.
Искреннюю благодарность автор выражает своей маме, И.П. Прошкиной за тягу к знаниям, привитую с детства.
Комбинированное использование водных ресурсов для хозяйственно-питьевых нужд
Наибольшее развитие идея комбинированного использования водных,ресурсов получила в Англии, где и применяется уже более 100 лет [104]. В 1963 г. в Великобритании было впервые предложено добывать подземные воды как дополнительный источник воды при низком стоке рек, в том же году был издан закон о водных ресурсах, в котором указывается необходимость рассматривать подземные и поверхностные воды в едином гидрологическом бассейне, учитывая тесную взаимосвязь между подземными и поверхностными водами. В 1965 г. был создан проект по поддержанию поверхностного стока за счет использования подземных вод, которые используются как дополнительный источник воды, компенсирующий дефицит поверхностного стока. В случае использования водных ресурсов разных бассейнов, но для водоснабжения одного потребителя, эксплуатация все равно считается совместной.
Малые реки очень типичны для Англии, поэтому вопрос о возможности применения подобных схем эксплуатации для малых рек имеет принципиальное значение. Для решения поставленной задачи было создано несколько тестовых проектов, оценивающих возможность регулирования речного стока нагнетанием подземных вод в реки в периоды межени: р.Темза (Thames), р.Великий Уз (Great Ouse), р. Итчен (Itchen), р. Северн (Severn), p. Вейвни (Waveney) [104, 110, 115, 119, 124, 126].
Проект «Темза». Долина р.Темза расположена в меловых породах, между подземными и поверхностными водами наблюдается тесная гидравлическая взаимосвязь. Результаты теста четко показали невозможность получения дополнительного количества воды без уменьшения речного стока скважинами, расположенными близко от реки. Скважины следует располагать в заболоченных районах речной долины в нескольких километрах от реки [104, 110, 115, 119].
Проект «Великий Уз». Дно р. Великий Уз сложено глинистыми отложениями, гидравлическая связь между рекой и подземными водами затрудненная. Было пробурено две группы скважин: расположенные близко и далеко от реки. В результате шестимесячной пробной откачки уровни подземных вод снизились ниже дна реки на 80% исследуемой территории, следовательно, на основной площади дна реки произошел отрыв депрессионной воронки и режим фильтрации стал свободным. Коэффициент фильтрации подрусловьгх отложений является важным фактором для этих условий, при его значениях выше 10"2 м/сутки скважины, расположенные рядом с рекой, наносят недопустимый ущерб речному стоку [104, 124]. Проект «Вейвни». Первоначально планировалось необходимое количество воды получить из мелового напорного водоносного горизонта (Т= 300 м2/сут, ju — 4-Ю"2). Однако, слабое перетекание через глинистый пласт (50 мм/год) говорит о медленном восстановлении уровней после откачки, поэтому пришлось отказаться от использования этого водоносного горизонта и эксплуатировать вышезалегающий плейстоценовый горизонт, который характеризуется более высокой водоотдачей [104].
Проект «Итчен». Данный проект был чрезвычайно успешным. Геолого-гидрогеологические условия р. Итчен схожи с р.Темзой. Используя результаты проекта «Темза», скважины располагались далеко от реки. В течение засушливого 1976 г. 6 месяцев проводилось опытное нагнетание, чистый прирост воды в реке составил 80% от суммарного объема откачки 5.1-106 м3. В последующий высоководный период речной сток уменьшился на величину откаченных подземных вод, что не вызывает опасений, поскольку дефицитный период закончился (рис. 1.1). Водоносный горизонт имеет высокую проводимость 1500-8500 м2/сут, но необычно малую мощность высокопроницаемой зоны - 6 м с величиной водоотдачи 0.05-0.07 [104, 110].
Таким образом, R.A. Downing [104] приводит следующие варианты расположения скважин, отбирающих подземные воды для последующей закачки воды в реку: - в безнапорном водоносном пласте, гидравлически связанном с рекой, - в безнапорном водоносном пласте, не связанном гидравлически с рекой, - в напорном водоносном горизонте. календарного года. Значения расхода приведены в 1000 м3/сутки [104]. Классический пример применения комплексного использования водных ресурсов в Англии - схема графства Ланкашир, предложенная Frank Low [115], включающая в себя использование водохранилища, подземных и речных вод (рис. 1.2). В течение календарного года выделяются периоды использования водохранилища и речной воды и периоды использования трех источников. Подобное управление водными ресурсами нельзя назвать комбинированным, так как ежегодно используется постоянное количество дополнительной подземной воды независимо от водности года. В Великобритании, начиная с 60-х годов, были развиты многие проекты, использующие подземную воды для регулирования речного стока или для защиты окружающей среды (вероятно, речь идет об экологических попусках). И хотя многие тестовые задачи прошли успешно, воплощение в жизнь происходит чрезвычайно медленно. Дальнейшее развитие водообеспечения в засушливых юго-восточных районах Великобритании связано с внедрением систем комбинированного использования, а также с межбассейновыми каналами, перемещающими поверхностную или подземную воду из отдаленных регионов. R.A. Downing [104] подчеркивает, что регулирование речного стока за счет подземных вод не является панацеей и должно применяться избирательно, в случае благоприятных условий. В России идея комбинированного использования подземных и поверхностных вод пока находится в стадии разработки и на практике не применяется. Сотрудниками института ИВП РАН B.C. Ковалевским, А.Л. Великановым, И.С. Зекцером и другими исследована возможность применения комбинированных систем на конкретных примерах. А.Л.Великанов, В.И. Клепов, Е.Л Минкин, В.С.Ковалевский, Г.П. Кумсиашвили, Ю. Фулян на примере анализа водоснабжения г. Москвы рассмотрели возможность организации комбинированной системы водоподачи [17, 40, 41, 48, 83].
Основные аналитические уравнения для оценки величины ущерба речному стоку при работе береговых водозаборов
Определение влияния эксплуатации подземных вод береговыми водозаборами на речной сток с помощью аналитических зависимостей имеет большое практическое значение, поскольку на предварительных стадиях разведочных работ позволяет оценить величину ущерба расходу реки и сравнить ее с допустимым изъятием, а, следовательно, сделать вывод о возможности организации водозаборной системы в данных гидрогеологических условиях с заданной водопотребностью. Аналитические зависимости для расчета величины ущерба речному стоку при эксплуатации подземных вод компенсационным водозабором должны учитывать гидродинамическое несовершенство реки и периодическую работу водозабора. В российской и зарубежной литературе существует ряд аналитических зависимостей для оценки величины ущерба речному стоку от работы береговых водозаборов, разработанные: Е.Л. Минкиным [57], Ф.М. Бочевером и Н.Н. Лапшиным [14-16], С.Я. Концебовским [43-45], М.М. Черепанским [85-87], В.А. Злотником и B.C. Усенко [39, 79], C.V. Theis [127], R.E. Glover и C.G. Balmer [106], M.S. Hantush [108], СТ. Jenkins [112,113], В. Hunt [111], R.B. Wallace и Y. Darama, [128, 129] и др. Рассмотрим разработанные методы оценки величины ущерба речному стоку от подземного водоотбора. речному стоку при работе береговых водозаборов Ч. Тейс (Theis C.V.) первым обратил внимание на возможность сокращения расхода реки при эксплуатации подземных вод береговыми водозаборами (рис. 2.3а). В 1941 г. Ч. Тейс приводит аналитическое решение влияния эксплуатационного водоотбора на расход реки в виде интеграла [127]: где АР - величина ущерба речному стоку, Q - дебит водозабора, L - расстояние между водозабором и контуром реки, а - уровнепроводность водоносного горизонта, t -продолжительность работы водозабора.
Позднее R.E.Glover и C.G.Balmer представили решение уравнения Ч. Тейса в виде дополнительной функции ошибок erfc(x) [106]: предназначены для определения величины ущерба стоку совершенной реки (рис. 2.3а). В реальных природных условиях более распространен случай несовершенной реки (рис. 2.3 б,в) с удельным фильтрационным ТУХ сопротивлением экрана /0 = —- мощностью т с коэффициентом фильтрации к0 и физической шириной G. Для характеристики несовершенства используется фактор перетекания В, определяемый по формуле [14, 91]: Решение проблемы учета несовершенства реки в аналитических расчетах впервые было предложено М.С. Хантушем (M.S.Hantush) и В.М. Шестаковым введением «дополнительного слоя» [92, 108]. Несовершенная река заменяется на совершенную условным сдвигом уреза, т.е. заменой сопротивления ложа реки эквивалентным сопротивлением участка планового потока длиной AL. В этом случае уравнение (2.7) М.С. Хантуш переписал в виде [108]: Ч.Тейс, R.E.Glover, C.G.Balmer и М.С. Хантуш получили уравнения для полной величины ущерба речному стоку. СТ. Jenkins [106] предлагает использовать АР безразмерную величину сокращения стока —. Этот параметр удобен для сравнений и используется в более поздних аналитических зависимостях Е.Л. Минкина [57], М.М. Черепанского [85], В. Hunt [111], G. Fox [105]. Разные исследователи по-разному называют этот параметр - коэффициент сокращения речного стока, относительный, удельный или единичный ущерб. Далее в работе употребляется термин «единичный ущерб». Уравнение (4) справедливо, во-первых, для совершенных по вскрытию пласта рек (глубина вреза реки составляет полную мощность водоносного горизонта), во-вторых, для гидродинамически широких рек, для которых не учитывается взаимодействие потоков подземных вод с соседних берегов (рис. 2.36). Для гидродинамически узкой реки G = — 3 зона влияния водозабора охватывает оба берега, и суммарное сопротивление (обобщенная эквивалентная длина це AL ) состоит из берегового сопротивления Ьн и сопротивления "проскока" под руслом Z„, причем эта система соединяется по схеме «треугольник». В теории фильтрации у несовершенных рек доказывается [15, 91]: Для этих условий, основываясь на решении Ф.М. Бочевера [14], Е.Л. Минкин [57] получил выражение для оценки ущерба речному стоку при работе одиночного водозабора для гидродинамически узких рек
Высокая степень взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой
На месторождениях подземных вод этого типа грунтовый водоносный горизонт непосредственно связан с рекой, которая имеет слабую экранированность русла, вплоть до практически полного её отсутствия. Разгрузка естественного потока из грунтового горизонта имеет преимущественно русловой характер; другие формы разгрузки (испарение на заболоченных поймах, отдельные родники эрозионного типа) не имеют существенного количественного значения. Данная схема может быть реализована на приречных МПВ при однослойном строении разреза водовмещающих пород. На МПВ в долинах рек компенсационные водозаборы располагаются в грунтовых водоносных горизонтах в аллювиальных отложениях. Основной водозабор в данной схеме может быть как береговым подземным, так и с поверхностной формой водоотбора (рис. 3.1). Компенсационный подземный водозабор в этих условиях должен быть «физически» отнесен от реки на минимально достаточное расстояние, чтобы за период включения водозабора воронка депрессии не достигала контура реки, т.е. необходимое фильтрационное сопротивление между контуром реки и точкой водоотбора главным образом обеспечивается за счет физического расстояния между водозабором и рекой; поэтому рассматриваемая схема названа схемой «физического» удаления компенсационного водозабора от реки [122]. Степень гидравлической взаимосвязи подземных и поверхностных вод (т.е. степень гидрогеодинамического несовершенства водотока/водоёма) количественно характеризуется удельным фильтрационным сопротивлением русловых и подрусловых отложений /0 или обратной величиной - коэффициентом перетока в ложе водотока/водоёма Хр (уравнение 2.9). Для аналитических расчётов удобен параметр эквивалентной длины «дополнительного слоя» AL. В случае совершенной реки величина Хт, стремится к бесконечности. По результатам ранее проведенных исследований [134], высокую степень взаимосвязи подземных и поверхностных вод можно принимать при Хп 0.002 - 0.005 сутки"1, что соответствует слою тяжёлого суглинка мощностью 2-5 м или плотного глинистого наилка мощностью 0.2-0.5 м.
По нашему мнению, при таких параметрах строения экранирующего слоя взаимосвязь водоносного горизонта и реки сложно назвать хорошей, поэтому границу между высокой и затрудненной степенью взаимосвязи водоносного горизонта и реки более реально принять на уровнеxv 0.01 сутки"1, что соответствует подрусловому экрану, сложенному суглинком мощностью не более 1-2 м или глинистым наилком 0.1-0.2 м Согласно существующей аналитической зависимости (см. п. 2.4.1): величина единичного ущерба речному стоку определяется природными и технологическими факторами. Технологическими факторами являются время работы компенсационного водозабора At и расстояние между компенсационным водозабором и рекой L. Продолжительность работы компенсационного водозабора определяется длительностью маловодного периода и поэтому недоступна для управления. Реально управляемым фактором является удаление компенсационного водозабора от контура реки. Величина необходимого удаления определяется достаточным расстоянием между водозабором и контуром реки, при котором ущерб речному стоку за период работы компенсационного водозабора не превышает некоторого, специально обоснованного значения. На величину удаления накладывается ограничение по ширине бассейна малой реки, поскольку основной и компенсационный водозабор по постановке задачи компенсации должны располагаться в пределах одного водосборного бассейна.
Природным гидрогеодинамическим параметром, определяющим величину и время нанесения ущерба стоку реки, является величина уровнепроводности эксплуатируемого водоносного горизонта, определяемая сочетанием фильтрационных и емкостных параметров водовмещающих пород. Этим параметром контролируется скорость развития депрессионной воронки в плане и соответственно — время достижения ею контура реки при данном удалении компенсационного водозабора и времени его функционирования. Очевидно, что при малой уровнепроводности (т.е. низких значениях проводимости водоносного горизонта и/или высоких значениях водоотдачи отложений) ущерб речному стоку будет относительно небольшим. Существенное значение может иметь наличие зон неоднородности водовмещающих отложений с пониженными фильтрационными свойствами или повышенными емкостными на участке между компенсационным водозабором и рекой. Таким образом, на компенсационных месторождениях подземных вод с высокой степенью взаимосвязи водоносного горизонта и реки на величину единичного ущерба речному стоку влияют следующие факторы, контролирующие величину емкостного сопротивления: длительность работы компенсационного водозабора, удаление компенсационного водозабора от реки, уровнепроводность водоносного горизонта, величина коэффициента перетока подрусловых отложений. Дебит компенсационного водозабора в рассматриваемой схеме главным образом обеспечивается за счет емкостных запасов грунтового водоносного горизонта. Восполнение сработанных запасов подземных вод будет происходить: за счёт инфильтрации атмосферных осадков на площади воронки, притока подземных вод из водораздельной части бассейна, Восстановление сработанных запасов за счет фильтрации непосредственно из русла реки и фильтрации поверхностных вод при затоплении пойм в периоды паводков происходить практически не будет, так как водозабор расположен на удалении от реки. При недостаточном естественном восполнении сработанных запасов возможна организация инженерных мероприятий по искусственному пополнению запасов. 3.2.2.
Постановка задачи комбинированного использования водньк ресурсов на Августовском месторождении
Предложения по организации КВС на Августовском месторождении подземных вод базируются на следующих принципах [81, 82]: 1. В 2006 г. была проведена доразведка месторождения с целью оценки возможности наращивания водоотбора. С помощью численного моделирования обоснованы две схемы перспективного расширения водозабора: - для нагрузки 33 тыс.м /сутки - комбинация действующих колодцев и 6-ти скважин по 2000 м3/сутки; - для нагрузки 40 тыс.м /сутки - в форме линейного ряда длиной 850 м на расстоянии около 100 м от уреза р.Биры из 20-ти скважин по 2000 м3/сутки с шагом 45 мис выведением колодцев из эксплуатации [132]. 2. Очевидно, что при таких схемах размещения водозахватных устройств повышение величины водоотбора до 33 тыс. или 40 тыс. м /сутки приведёт к неизбежному дополнительному ущербу стоку р. Биры в размере 13 тыс. или 20 тыс. м /сутки (соответственно около 0.15 или 0.23 м /с). 3. МДР р. Бира принимается равным среднемесячному расходу 95%-й обеспеченности за март 0.72 м7с (62.2 тыс. м /сутки). В таком случае дальнейшее наращивание водоотбора не должно превышать допустимый дополнительный ущерб стоку реки (єМДР = 3.11 тыс. м3/сутки), следовательно, рассмотренные выше два варианта расширения водозабора не могут быть приняты. Это и является мотивом для анализа возможности применения комбинированной водозаборной системы (КВС). 4. Производительность КВС точно не устанавливается (для этого необходима дополнительная параметрическая характеристика района месторождения, которая на данной стадии изученности отсутствует) и должна быть лишь сопоставимой с перспективной потребностью города (30 - 40 тыс. м3/сутки). 5. В качестве основного водозабора сохраняется ныне действующий, его дебит регулируется от требуемого до современной величины 20.3 тыс. м /сутки. 6. Низководным периодом, когда требуется защита стока реки от дополнительного ущерба, является внутригодовой период февраль - март (табл. 4.1), так как при наращивании водоотбора величина допустимого изъятия речного стока будет превышена только в течение февраля (частично) и марта (полностью). Таким образом, период работы KB определяется продолжительностью 60 суток в течение февраля - марта ежегодно.
Производительность KB будет подбираться в ходе решения прогнозной задачи с учётом допустимых понижений уровней в зоне его расположения. 7. Наиболее подходящим местом расположения компенсационного водозабора является долина ручья Августовский ключ, хотя здесь происходит снижение проводимости до 1000 м2/сутки и допустимых понижений до 2 - 2.5 м. На левом берегу, где проводимость значительно выше, расположить водозабор проблематично в связи с городской застройкой и невозможностью организации зоны санитарной охраны. Комбинированная водозаборная система в рассматриваемой постановке состоит из основного водозабора (ОВ), фактически существующего (три действующих шахтных колодца), и проектного компенсационного водозабора (KB) в виде равномерного равнодебитного линейного ряда скважин. Режим потока во времени. Использование компенсационного водозабора предполагает его периодическую эксплуатацию, т.е. оба водозабора работают с переменными во времени дебитами, соответственно прогнозный режим потока следует рассматривать нестационарным. Пространственная структура потока. Анализ гидрогеологических условий месторождения (преобладание латеральных размеров области распространения водоносного горизонта над его мощностью, низкая проницаемость подстилающих отложений [131]) позволяет применить схему плоского в плане потока. Водоносный горизонт является безнапорным, однородным по вертикали, т.е. его проводимость линейно зависит от текущей мощности обводнённой части пласта.
Гидрогеодинамнческие параметры. В соответствии с обоснованными выше позициями фильтрационной схематизации для прогнозов необходима площадная характеристика емкостных и фильтрационных свойств водовмещающих отложений продуктивного аллювиального водоносного горизонта. Площадное распределение коэффициентов фильтрации аллювиального водоносного горизонта получено методом интерполяции по краигингу между точками фактического опытного опробования. Наибольшие значения коэффициента фильтрации отмечается в зоне 1-й надпойменной террасы, при удалении от реки они уменьшаются, что обусловлено изменением гранулометрического состава отложений П-й надпойменной террасы. Отметки подошвы и мощность водоносного горизонта интерполировались между точками бурового опробования. Карта проводимости водоносного горизонта (рис. 4.7) получена как произведение матриц коэффициента фильтрации и исходной мощности водоносного горизонта (отвечающей состоянию наиболее низких уровней водоносного горизонта). Эта карта имеет иллюстративное назначение, т. к. для безнапорных потоков в исходных данных достаточно задать только распределение коэффициентов фильтрации.
Похожие диссертации на Гидрогеодинамическое обоснование комбинированного использования водных ресурсов
