Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние региональных исследований естественных ресурсов подземных вод 10
Глава 2. Природные и антропогенные факторы и условия формирования подземных вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна 43
2.1. Орогидрографические и гидрологические условия 43
2.2. Климатические и ландшафтные факторы 50
2.3. Геолого-гидрогеологические условия 58
2.4. Антропогенные факторы 81
Глава 3. Вертикальная гидрогеологическая зональность и гидродинамическое районирование 85
3.1. Гидродинамическая и гидрохимическая зональность подземных вод 85
3.2. Гидродинамическое районирование и условия дренирования подземных вод эрозионной сетью 95
Глава 4. Методика региональной оценки естественных ресурсов подземных вод зоны затрудненного водообмена и гидродинамического картирования .110
4.1. Анализ достоинств и ограничений метода среднемноголетнего водного баланса 110
4.2. Усовершенствование метода среднемноголетнего водного баланса 118
4.3. Методика и результаты расчета среднемноголетних водно-балансовых величин 123
4.4. Анализ и проверка результатов водно-балансовой оценки и картирования
подземного стока 139
Глава 5. Закономерности формирования и распределения естественных ресурсов подземных вод зоны затрудненного водообмена восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна 163
Глава 6. Региональная оценка опасности загрязнения пресных подземных и речных вод минерализованными водами 181
6.1. Методика оценки и построения карты опасности загрязнения 181
6.2. Районирование по степени опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод некондиционными водами и закономерности распределения зон загрязнения 189
Заключение 194
Литература 197
- Современное состояние региональных исследований естественных ресурсов подземных вод
- Климатические и ландшафтные факторы
- Гидродинамическое районирование и условия дренирования подземных вод эрозионной сетью
- Усовершенствование метода среднемноголетнего водного баланса
Введение к работе
Актуальность работы определяется назревшей необходимостью усовершенствования некоторых существующих методов изучения и оценки естественных ресурсов подземных вод, их адаптации к современным условиям и задачам, в том числе экологическим.
Сложные гидрогеологические условия, сравнительно маломощная зона пресных подземных вод в восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна определили наличие в регионе небольших месторождений подземных вод хозяйственно-питьевого назначения и связанную с этим проблему подтягивания некондиционных вод' из нижних горизонтов и в результате -недостаточное водообеспечение населения и хозяйства ряда районов и городов. Характерны случаи преждевременного истощения запасов подземных вод питьевого качества до истечения срока эксплуатации вплоть до их уничтожения (например, на Туймазинском месторождении).
Проблема усугубляется тем, что водоснабжение в регионе базируется, главным образом, на подземных водах (свыше 90%). Слабое использование речных вод связано с их значительным загрязнением — сельскохозяйственными загрязняющими веществами, фенолами (до 54 ПДК), нефтепродуктами (до 48 ПДК) и др.
В настоящее время требует усовершенствования метод расчета среднемноголетнего водного баланса, который до сих пор мог служить лишь для ориентировочной оценки ресурсов артезианских вод. Существующий метод нельзя использовать для изучения динамики артезианских вод сравнительно небольших регионов и построения для них гидродинамической карты.
Цель работы. Разработка более точной и детальной методики изучения и оценки естественных ресурсов напорных подземных вод, определения их динамических параметров на базе метода среднемноголетнего водного баланса и создание методики оценки опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод некондиционными водами зоны затрудненного водообмена на примере восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна.
Основные задачи исследований: 1) усовершенствование метода среднемноголетнего водного баланса с позиций системного подхода и теории моделирования; 2) оценка естественных ресурсов подземных вод, расположенных ниже зоны пресных вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна с помощью двух методик - существующей и новой, проверка и сравнительный анализ полученных результатов; 3) построение серии карт в едином масштабе 1 : 500 000; 4) выявление гидрогеодинамических и гидрогеохимических закономерностей формирования подземных вод верхнего гидрогеологического этажа; 5) разработка методики региональной оценки и построения карт опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод минерализованными водами; 6) оценка опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод минерализованными водами; 7) районирование региона по степени опасности и факторам загрязнения пресных вод с помощью разработанной методики.
Фактический материал и личный вклад автора. Диссертационная работа построена на результатах теоретического анализа и научно-практических работ, выполненных автором за 6-летний период с 2002 по 2008 гг. на основе фактического материала, собранного в Росгеолфонде, Башкирском республиканском центре мониторинга состояния недр (ГУЛ «Башгеолцентр) и фондах организации «Башгидромет». Автором на базе метода среднемноголетнего водного баланса разработаны: 1) методика определения величины питания (разгрузки) артезианских вод, гидродинамических характеристик, позволившая значительно усовершенствовать и расширить водно-балансовый метод; 2) методика количественной оценки степени опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод залегающими под ними некондиционными водами.
Автором получены новые данные по динамике артезианских вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна, установлен ряд гидрогеодинамических и гидрогеохимических закономерностей, построен комплекс тематических карт: 10 карт в масштабе 1 : 500 000 и ряд карт в
масштабе 1 : 2 500 00; среди них: гидродинамическая карта минерализованных вод (по усовершенствованному методу), карта опасности загрязнения подземных и поверхностных вод зоны интенсивного водообмена глубже залегающими минерализованными водами, карты гидроизопьез основных водоносных горизонтов, карта областей питания и разгрузки минерализованных подземных вод, элементов водного баланса и др. Произведена оценка опасности загрязнения пресных вод региона некондиционными водами и проведено районирование региона по степени и факторам загрязнения пресных вод с помощью разработанной методики. Автором оценены естественные ресурсы подземных вод зоны затрудненного водообмена с помощью водно-балансового метода.
Основные методы исследования: а) среднемноголетнего водного баланса Б.И. Куделина, б) гидродинамический (на базе уравнения Дарси); в) определения испарения А.Р. Константинова; г) моделирования (водно-балансового, графического); д) статистические обработки данных (определения норм гидрометеорологических характеристик по рядам наблюдений разной продолжительности, различных погрешностей и коэффициентов, корреляционно-регрессионный анализ - приведение статистических параметров к многолетнему периоду, установление зависимостей от факторов и т.д.) и др.
Научная новизна:
1. Разработана методика локально-региональной оценки динамических
параметров напорных вод и построения гидродинамической карты на базе
метода среднемноголетнего водного баланса.
Разработана методика оценки опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод глубже залегающими некондиционными водами.
Установлен ряд гидрогеодинамических и гидрогеохимических закономерностей для территории восточной части Камско-Вятского
7 артезианского бассейна, которые могут быть характерны и для других регионов с аналогичными природными условиями.
Практическая значимость. Предлагаемые методики позволяют просто, но более детально и информативно определить: а) динамику подземных вод, залегающих под пресными водами; установить не только горизонтальное направление потока указанных вод, но и вертикальный водообмен (направление и величину), границы областей питания и разгрузки; б) выявить и объяснить гидрогеохимические закономерности; в) оценить опасность загрязнения пресных подземных и поверхностных вод некондиционными водами из нижележащих горизонтов, что дает возможность выявить потенциально опасные участки с точки зрения организации на них хозяйственно-питьевого водоснабжения и истощения ресурсов пресных вод.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается: результатами сопоставления выполненных водно-балансовых расчетов и карт (гидродинамической карты, величины W и др.) с другими гидрогеологическими величинами (гидрогеодинамическими — АН, I и др., гидрогеохимическими, урезами воды в реках и др.) и материалами (разрезами, картами — гидроизопьез, гидрогеологической, геологической, тектонической, геоморфологической, карста, климатической и др., общим гидрогеологическим строением и т.д.), значениями W, определенными с помощью формулы Дарси на 4 репрезентативных участках, расположенных в различных условиях. Оценивалась репрезентативность рядов гидрометеорологических наблюдений, были вычислены и учтены относительные среднеквадратические погрешности среднемноголетних величин, коэффициенты вариации речного стока и его относительные среднеквадратические ошибки. В расчеты внесены поправки, учитывающие влияние основных антропогенных факторов и точность измерительных приборов (осадкомеров) либо использовались данные с уже внесенными в них поправками (например, на влияние карста и гидроплотин на речной сток, потери речной воды в поймах рек и др.).
Апробация работы и публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, были доложены на VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2007), на IV Всероссийской научно-практической конференции «Организация территории: статика, динамика, управление» (Уфа, 2007), на научном семинаре в ИВП РАН (Москва, 2007), на X ежегодной конференции «Сергеевские чтения». Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии» (Москва, 2008), на заседании кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ) (Санкт-Петербург, 2008 г.).
Основные положения диссертации отражены в 11 опубликованных научных работах, в том числе 1 работе в издании, входящем в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, содержащего 146 наименований; изложена на 208 страницах, содержит 47 рисунков и 14 таблиц.
В первой главе диссертации приводится анализ современного состояния региональных исследований естественных ресурсов подземных вод. Во второй главе охарактеризованы природные и антропогенные факторы и условия формирования подземных вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна. Третья глава посвящена вопросам вертикальной гидрогеологической зональности и гидродинамического районирования указанной территории. В четвертой главе приводится методика региональной оценки естественных ресурсов подземных вод зоны затрудненного водообмена и гидродинамического картирования. В пятой главе рассматриваются гидрогеодинамические и гидрогеохимические закономерности формирования естественных ресурсов подземных вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна. Шестая глава посвящена оценке опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод нижезалегающими некондиционными водами.
Первое защищаемое положение обосновывается в четвертой главе, второе — в пятой, третье - в шестой главе.
9 Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д. г.-м. н., проф. СМ. Сударикову за помощь при подготовке диссертационной работы, сотрудникам кафедры Г и ИГ и СПГГИ (ТУ). Автор благодарит д. г.-м. н., проф. И.С. Пашковского за предоставленные материалы и консультацию; зав. кафедрой гидрогеологии МГУ д. г.-м. н., проф. В.А. Всеволожского и преподавателей кафедры, д. г. н. А.П. Белоусову (ИВП РАН); сотрудников Башкирского республиканского центра мониторинга состояния недр и Башгидромета за предоставленные фактические материалы. Особую благодарность автор выражает ректору БГПУ д. п. н., проф. P.M. Асадуллину, сотрудникам БГПУ и зав. кафедрой эконом, географии к. г. н., доц. И.В. Голубченко за помощь и поддержку.
Современное состояние региональных исследований естественных ресурсов подземных вод
Проблема изучения естественных ресурсов подземных вод какого-либо региона является многогранной и так или иначе требует с одной стороны изучения всех основных природных особенностей этой территории, а с другой — затрагивает ряд общетеоретических вопросов и проблем гидрогеологии. К ним в первую очередь можно отнести вопросы, касающиеся принципов гидрогеологического районирования и определения вертикальных гидрогеодинамической и гидрогеохимической зональностей, которые, несмотря на давнюю историю развития и многочисленные труды различных авторов, до сих пор остаются открытыми [29; 30], вопрос определения глубины дренирования подземных вод эрозионными врезами, который также не является окончательно проработанным, вопрос влияния различных факторов на формирование ресурсов подземных вод той или иной гидродинамической зоны и, наконец, вопрос о методах изучения естественных ресурсов подземных вод, усовершенствовании существующих и разработке новых методов [50].
Общая работа по описанию всех завершенных исследований по подземному стоку и естественным ресурсам подземных вод уже выполнена [46; 30; 48; 47]. Поэтому остановимся лишь на основных трудах, принадлежащих, главным образом, второй половине 20-го - началу 21-го вв.
Обобщая накопленный на сегодняшний день теоретический материал, результаты практических исследований по вопросу о вертикальной гидрогеодинамической и гидрогеохимической зональности, можно сделать вывод, что, несмотря на широкое развитие данного учения, в настоящее время отсутствует общепринятая схема выделения вертикальных зон. Причинами такого положения, по всей видимости, может быть следующее: 1) неоднозначность выделения основных критериев определения вертикальных зон различными авторами; 2) разное положение границ выделяемых зон, получаемое при опоре на различные критерии; 3) неопределенность некоторых самих критериев при отдельном рассмотрении каждого из них; 4) наличие возможности (в отдельных случаях — необходимости) отступления от общепринятого трех-зонального разреза, выделения больше (или меньше) трех зон в зависимости от конкретных условий.
Все перечисленное, разумеется, вносит определенные трудности и неопределенность при изучении ресурсов подземных вод какой-либо определенной гидродинамической зоны конкретной территории, так как в этом случае в первую очередь возникает необходимость установления вертикальных и горизонтальных границ зоны, определения водоносных горизонтов и комплексов в ее составе.
Сразу же следует подчеркнуть, что изучение вопроса о вертикальной зональности не является основной целью настоящей работы. Но его необходимо рассмотреть, так как важно практически определить в пределах изучаемой территории интервал гидрогеологического разреза (водоносные горизонты), подземные воды которого должны были стать и в итоге явились объектом исследования.
Среди критериев определения границ гидродинамических зон, выделяемых различными авторами и широко используемых в настоящее время, можно назвать следующие: уровень эрозионного вреза, наличие и положение кровли региональных слабопроницаемых толщ (или пластов), глубину дренирующего воздействия рек (?), темпы (время, сроки или коэффициент) водообмена, скорости движения или расходы пластового потока, гидрохимическую зональность, пьезометрические градиенты, возраст подземных вод и др.
Все перечисленные критерии при рассмотрении в отдельности представляются вполне обоснованными. При использовании же их в совокупности создается определенная путаница, поскольку каждый критерий чаще всего по-разному определяет границы гидродинамических зон, причем даже в том случае, когда речь идет об одной и той же территории.
Таким образом, многочисленность предлагаемых критериев не облегчает задачу выделения вертикальных гидродинамических зон. В некоторых литературных источниках можно встретить практическое отождествление каких-либо двух различных критериев, подмену одного критерия другим, например: уровня эрозионного вреза (или, к примеру, кровли регионального относительного водоупора) и глубины дренирующего воздействия рек. При этом данный уровень (или региональный водоупор) рассматривается как граница, ниже которой дренирующее влияние практически не распространяется.
Согласно классическим представлениям между динамикой подземных вод и гидрогеохимическими условиями на разных уровнях гидрогеологического разреза существует тесная связь (Ф. А. Макаренко, Н. К. Игнатович, А. И. Силин-Бекчурин, Б. И. Куделин, В. А. Всеволожский, И. С. Зекцер, Е. В. Пиннекер и др.).
В то же время существует мнение о том, что не всегда гидрогеодинамические зоны в разрезе совпадают с зонами гидрогеохимическими [97; 66]. Е. В. Пиннекер считает, что несовпадение чаще всего касается переходных и нижних зон, в то время как верхние зоны (интенсивного водообмена и пресных подземных вод) по мощности обычно совпадают, что может быть связано с влиянием в этой части разреза исключительно одной группы факторов — экзогенных [97].
Одним из первых выделенных и до сих пор широко используемых критериев установления гидродинамической зональности является базис дренирования (эрозионный врез), который в отношении различных зон может быть местным, региональным (уровень эрозии рек) или морским. Большинство исследователей второй половины 20-го столетия считает, что представление о вертикальных гидрогеодинамических зонах, опирающееся на уровень базисов дренирования, нуждается в подкреплении другими показателями, например, положением регионального относительного водоупора, различными количественными, в том числе гидродинамическими, характеристиками.
Климатические и ландшафтные факторы
Климат региона умеренно-теплый, континентальный, \ отличается достаточно резкими контрастами между теплым и холодным периодами. Зима холодная, продолжительная и многоснежная. Лето вследствие обилия солнечного света и тепла сухое и даже жаркое. Переходные сезоны (весна и осень) короткие. Континентальность климата региона определяется его положением внутри континента (почти в центре материка). Влияние континента сказывается в основном на увеличении годовых и суточных амплитуд температуры воздуха, на непостоянстве в выпадении осадков, проявляется в быстром повышении температуры весной и быстром понижении осенью и т.д. Чем больше разность между экстремальными суточными и годовыми величинами, тем континентальнее климат. На равнинной территории абсолютная амплитуда температуры воздуха изменяется в пределах 82-85 С. На климат региона большое влияние оказывает также Атлантический океан. Его влияние проявляется в западном переносе воздушных масс, благодаря которому сюда поступают основные запасы влаги. Приходящие с Атлантического океана влажные массы воздуха зимой приносят тепло, летом прохладу. Резкие похолодания в регионе летом связаны с вторжениями арктического воздуха, зимой - континентального воздуха из Сибири. Среднегодовая температура воздуха изменяется от +0,5 (крайний северовосточный район) до +2,5 С (западные и юго-западные районы).
Существенную роль в формировании климата восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна играют Уральские горы. Вытянутые с севера на юг, они являются естественной преградой господствующему западному (атлантическому) переносу воздушных масс. Такое положение заметно увеличивает увлажненность не только в горной части, но и на равнине.
В то же время существенное влияние оказывает близость территории к Сибири и Казахстану. Зимой под влиянием азиатского антициклона массы континентального холодного воздуха распространяются далеко на север, захватывая всю территорию и принося с собой морозную и сухую погоду. Температура самого холодного месяца (января) на равнине изменяется в пределах -16, -15 С, на западе она несколько выше (Аксеново, -14,2 С). В предгорной части территории и на Уфимском плато холоднее. Изотерма января -16 С проходит вдоль Уральских гор к западу от них. В очень холодные суровые зимы абсолютный минимум температуры воздуха на ровных и возвышенных участках изменяется от -44 до -47 С. В пониженных формах рельефа и на лесных полянах абсолютный минимум понижается до -50, -52С.
Температурный режим летом в основном обусловливается радиационными и циркуляционными факторами. Кроме того, сказывается влияние подстилающей поверхности, в особенности абсолютной высоты местности и формы рельефа, вследствие чего зональное распределение температуры воздуха нарушается. Самым теплым месяцем в году является июль. Июльские изотермы 18 и 19 С имеют почти меридиональное направление. При таком распределении северные районы (Дюртюли, 19,2 С) имеют те же температуры, что и более южные (Чишмы, 19,2 С). Западные районы являются более теплыми, средняя июльская температура здесь выше 19 С (Раевский, 19,7 С). В редкие жаркие дни максимум повышается до 38 С на севере и 41 С на юге территории. Таким образом, расположение на стыке воздействия различных циркуляционных типов воздушных масс, а также заметное влияние Уральских гор определили различия климата в разных областях региона.
Режим увлажнения территории также определяется главным образом циклонической деятельностью и особенностями рельефа. Наличие с восточной стороны Уральских гор обусловливает увеличение осадков в предгорной части (территория Предуральского краевого прогиба), к западу от этой зоны с понижением местности суммы осадков убывают (рис. 6). Пониженное количество их отмечено по долинам реки Белой и ее левых притоков Сюнь, Чермасан, Дема, где осадков в год выпадет от 400 до 500 мм. На Белебеевской возвышенности годовые суммы осадков возрастают до 550-600 мм, в отдельные годы здесь выпадает и больше осадков (были случаи выпадения до 650 мм в год). В целом по территории количество летних осадков значительно преобладает над зимними (на равнинной части - в 2-2,5 раза).
Испарение с поверхности суши по данным, полученным методом Константинова (методику расчета см. в разделе 4.3), составляет 340-420 мм/год (рис. 7). Величина испарения, как известно, зависит от двух основных, факторов: количества влаги (атмосферных осадков) и количества тепла, поступающих на земную поверхность. В целом распределение величины испарения, так же как и осадков и температуры воздуха, подчинено широтной географической зональности и высотной поясности. Поэтому наибольшие величины годового испарения, с одной стороны, приурочены к предгорным районам (Предуральскому прогибу), а также южной части Уфимского плато, а с другой — к наиболее теплым районам, например, бассейну р. Чермасан. Уменьшение величины испарения происходит на юго-западной равнинной территории, что объясняется недостатком влаги в этом районе и в то же время не самыми высокими температурами, и в северо-восточных районах Уфимского плато и Приайской равнины, где интенсивность испарения лимитируется снижением среднегодовых значений осадков и температуры воздуха.
Гидродинамическое районирование и условия дренирования подземных вод эрозионной сетью
Одним из первых вопросов, возникающих при оценках баланса подземных вод, изучении их динамики в пределах верхнего гидрогеологического этажа и, в конечном итоге, ресурсов подземных вод, является вопрос о положении границы между зонами дренирующего влияния местной гидрографической сети и зоной так называемого глубокого подземного стока. Данным вопросом в разное время занимались такие исследователи, как М. А. Вевиоровская, И. С. Зекцер, В. А. Всеволожский и др. Результаты исследований этих авторов доказывают, что дренирующее влияние даже сравнительно небольших рек на подземные воды может распространяться на значительную глубину. В пределах различных территорий в зависимости от конкретных гидрогеологических условий зона дренирующего воздействия местных рек может охватывать подземные воды различные по динамике, минерализации и химическому составу [108; 109].
Одним из способов определения глубины дренирующего влияния рек является анализ карт гидроизопьез отдельных водоносных горизонтов [108; 45; 141 и др.]. Эти карты позволяют установить: какой рекой и на каком участке ее долины происходит дренирование того или иного водоносного горизонта. Кроме того, соотношение пьезометрических поверхностей отдельных горизонтов позволяет достаточно четко определить границы областей их питания и разгрузки.
Для построения карт гидроизопьез использовался обширный фактический гидрогеологический материал, собранный из отчетов Росгеолфонда и Башкирского республиканского центра мониторинга состояния недр. Этот материал включает: информацию по скважинам и колодцам (уровни подземных вод, интервалы опробования, абсолютные отметки устья и глубины скважин и колодцев, состав и возраст водоносных пород), данные о глубинах залегания водоносных горизонтов и комплексов, гидрогеологические разрезы и колонки, абсолютные отметки выходов родников (также учитывался тип родника — восходящий или нисходящий, состав и возраст водоносных пород), данные по минерализации и химическому составу подземных вод в скважинах, колодцах и родниках, мощности водоносных горизонтов и комплексов, слабопроницаемых пластов, значения водопроводимости и коэффициентов фильтрации пород, данные режимных наблюдений за уровнем вод, топографическая основа масштабов 1 : 500 000 и 1 : 200 000 и др. Данные по водозаборным скважинам брались до начала их эксплуатации. Неточная, вызывающая сомнения и не имеющая подтверждения информация отбраковывалась.
Изучение материалов наблюдений за естественным режимом уровня подземных вод в скважинах за период с 1965 (по некоторым скважинам - с 1949 г.) по 2001 гг. проводился с целью дополнительного обоснования условий залегания подземных вод и степени воздействия на них экзогенных (гидрометеорологических) факторов. В зависимости от этого при построении карт гидроизопьез были использованы данные скважин, показывающие отсутствие связи подземных вод с атмосферой. К ним также условно были отнесены скважины, где колебание уровня в многолетнем разрезе составило не более 1 метра. Кроме этого такой анализ наряду с анализом гидрогеологических разрезов и других материалов способствовал более точному установлению территориальных границ перехода напорных горизонтов в грунтовые.
В ходе анализа геологического строения и данных поинтервальных опробований в скважинах было установлено, что описываемые напорные и субнапорные водоносные горизонты верхнего гидрогеологического этажа разобщены и каждый из них имеет самостоятельную пьезометрическую поверхность. Разница между уровнями подземных вод в смежных горизонтах составляет в среднем не менее 5-10 метров (более подробно об этом будет сказано ниже).
Для построения карт гидроизопьез привлекались дополнительные данные по неогеновому водоносному горизонту, подземные воды которого гидравлически связаны с водами камышинского и бураевского горизонтов, образуя с водами каждого из них единый подземный поток. Эти два подземных потока расположены друг над другом и разделены слабопроницаемыми бураевскими или неогеновыми (в районах палеодолин рек) отложениями — глинами, аргиллитами и алевролитами (см. разрез на рис. 9).
Карты гидроизопьез строились для водоносных горизонтов, подземные воды которых являются напорными фактически на всей площади распространения горизонта или в одной его части, а в другой являются субнапорными и безнапорными. В пределах первого гидрогеологического этажа восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна к таким горизонтам относятся камышинский (практически полностью напорный), залегающий в основании шешминского водоносного комплекса (отложения уфимского яруса), бураевский, расположенный в средней части шешминского комплекса и являющийся напорным на площади развития казанских отложений и напорно-субнапорным или безнапорным на остальной большей части левобережья р. Белой, а также нижнеказанский водоносный комплекс, являющийся напорным в крайних западных районах исследуемой территории. Построить карту гидроизопьез чекмагушевского водоносного горизонта (верхняя часть шешминского водоносного комплекса) для территории Белебеевской возвышенности, где он по всей очевидности тоже является напорным, нам не удалось в связи с отсутствием по нему данных. На карте гидроизопьез бураевского горизонта также не были проведены изолинии в центральном районе Белебеевской возвышенности, так как количество фактического материала (данных по уровням подземных вод) для этой территории по бураевскому горизонту было недостаточно (имелись лишь данные по нескольким скважинам). Таким образом, были построены карты гидроизопьез нижнеказанского водоносного комплекса, бураевского и камышинского водоносных горизонтов шешминского комплекса в масштабе 1 : 500 000 (см. рис. 27-29).
Усовершенствование метода среднемноголетнего водного баланса
Главной из них является простота самой водно-балансовой модели и одновременно имеющаяся определенная сложность и ограничения ее применения, что с одной стороны делает этот метод «заманчиво простым» [109], а с практической точки зрения — нередко трудно применимым. Наряду с обязательным гидрологическим этапом, снижением погрешностей, связанных со значительной изменчивостью во времени гидрологических элементов, входящих в уравнение, приходится решать не менее важную проблему пространственной изменчивости (неоднородности) гидрогеологической характеристики W. Это приводит к необходимости выполнения достаточно трудоемкого и длительного первого геолого-гидрогеологического этапа исследования, включающего сбор и обработку значительного объема фактического материала, построения различных карт и пр., в конечном итоге — весьма тщательного изучения (в том числе на основе различных количественных данных) гидрогеологических (гидродинамических) условий территории.
Практика исследований различных авторов, и наша в том числе, показала, что метод дает более или менее удовлетворительный результат только при осторожном к нему подходе, внимательном отношении к выбору объекта исследования, учете с одной стороны особенностей самого метода, а с другой — особенностей исследуемой территории. Пренебрежение тем или(и) другим условием может привести к большим погрешностям и даже недостоверным результатам. Пример такого исследования, выполненного для Уральской области, приведен выше.
В то же время, по нашему мнению, вышеуказанные ограничения метода нисколько не умаляют все имеющиеся его достоинства, а относятся лишь к методике определения и картирования элемента W. Ведь уравнение (7), так же как и математические уравнения (математические модели) в гидродинамическом моделировании, по существу являются только математической записью физической модели, в качестве которой в данном случае выступает комплекс карт. Поэтому от правильности и полноты физической модели зависит соответствие выполняемой в итоге моделирования (в нашем случае — водно-балансового) количественной оценки реальной природной обстановке. Данное условие, как известно, является одним из главных при любом моделировании, в том числе моделировании гидрогеологических процессов [137; 32; 31 и др.]. Именно в методике применения известного водно-балансового уравнения, принципах отображения водно-балансовых элементов на физической модели, на наш взгляд, заложена основная причина всех затруднений, возникающих при использовании водно-балансового метода. Изменив методику построения физической модели, другими словами - принципы картирования, можно не только добиться более достоверного результата при существующей степени оснащенности исходным количественным (гидрометеорологическим) материалом, но и перейти от представления осредненных количественных соотношений на модели, к изучению гидрогеологического процесса. Такое возможно с помощью моделей с распределенными параметрами.
Суть последних, как известно, состоит в нахождении величин параметров в точках (или узлах) без пространственного осреднения. Однако построение пространственных моделей подобного типа целесообразно лишь в том случае, если в математическую модель входит временная координата (при изучении нестационарного процесса) либо, если входящие в модель среднемноголетние значения имеют минимальное отклонение от нормы. Осуществить переход к модели с распределенными характеристиками в те годы, когда создавалась модель (7), было фактически невозможно из-за больших погрешностей определения среднемноголетних значений X, Y, Z, а, следовательно, и W. Значительное снижение в настоящее время данных погрешностей в связи с удлинением рядов наблюдений за гидрометеорологическими характеристиками (см. далее) предоставляет такую возможность.
Как известно, характерной особенностью таких моделей, как водно-балансовая модель (7), является их способность накапливать погрешность, которая тем больше, чем меньше период наблюдений за элементами правой части уравнения. Поэтому суммарная величина этих погрешностей всегда входит в искомую величину (в нашем случае — величину ±W). Это является одним из важных недостатков подобного типа моделей. Результаты исследования, проведенного для восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна, показали, что в настоящее время наблюдается значительное снижение (в несколько раз) погрешностей определения среднемноголетних величин элементов водного баланса по сравнению с исследованиями, проводившимися в 50-60-е годы прошлого столетия. Следовательно, можно сделать вывод о том, что один из недостатков метода, связанный с непостоянством, изменчивостью гидрометеорологических характеристик во времени, устраняется само собой, а отклонение определяемых их среднемноголетних значений от нормы с течением времени стремится к нулю. Выявленное в ходе исследования значительное снижение временных погрешностей позволяет в настоящее время перейти к созданию более точных пространственных схем и моделей.
Второе важное ограничение метода, связанное с недоучетом сложности процессов динамики подземных вод на различных участках территории, оказалось возможным в значительной степени уменьшить с помощью другой методики определения и картирования питания (разгрузки) напорных вод. Водно-балансовое уравнение при этом осталось без изменений.
По новой методике величина ±W определяется не как средняя на площадь участка (речного бассейна), а в точках, в качестве которых служат метеостанции, где измеряют атмосферные осадки и другие метеорологические характеристики, по которым вычисляется испарение. Значения речного стока и недостающие данные по испарению для этих точек определяются путем интерполяции по предварительно построенным соответствующим картам в изолиниях. По вычисленным в точках с помощью уравнения (7) значениям W строится карта способом изолиний, которая, как будет показано далее, отображает одновременно и границы областей питания и разгрузки, и величину ±W. Поэтому данная карта названа автором картой областей и величины питания и разгрузки. Другое ее название — гидродинамическая карта напорных вод (рис. 37). Границей между областями питания и разгрузки подземных вод на ней служит изолиния со значением 0 мм/год. До настоящего времени распределение значений ±W по территории и границы областей питания и разгрузки напорных вод с помощью такой карты не отображались.
