Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные сведения и характеристика месторождений подземных вод в речных долинах 14
1.1. Месторождения подземных вод в речных долинах 14
1.2. Балансовая структура эксплуатационных запасов 23
1.3. Анализ механизмов взаимодействия подземного и поверхностного стока, особенности их протекания в условиях сезонной изменчивости 46
1.3.1 Механизмы взаимодействия подземных и поверхностных вод 48
1.3.2. Формирование свободного режима фильтрации подземных вод под рекой 58
1.3.3. Закономерности процессов осушения и насыщения пород 60
Глава 2. Изучение влияния сезонной изменчивости стока на формирование баланса эксплуатационного водоотбора 66
2.1. Особенности постановки гидрогеодинамической задачи в условиях изменчивости поверхностного и подземного стока 67
2.2. Постановка задачи исследований 68
2.3. Однослойная расчетная схема 70
2.3.1. Схематизация модельных экспериментов 71
2.3.2. Изучение гидрогеодинамических процессов при изменчивом поверхностном стоке 76
2.3.3. Естественные условия формирования стока 77
2.3.4. Нарушенные эксплуатацией условия формирования стока. 83
2.4. Двуслойная расчетная схема 98
2.4.1. Схематизация модельных экспериментов 100
2.4.2. Естественные условия формирования стока 102
2.4.3. Нарушенные эксплуатацией условия формирования стока 102
2.5. Особенности гидрогеодинамических процессов при изменчивом подземном стоке 111
Глава 3. Оценка параметрической области существования свободного режима фильтрации подземных вод под рекой 120
3.1. Постановка задачи исследований 120
3.2. Методика численных модельных экспериментов 123
3.3. Результаты модельных экспериментов и их обсуждение 129
Глава 4. Исследование изменения поверхностного стока при эксплуатации месторождений в долинах малых рек 137
4.1. Гидравлическая модель поверхностного водотока 138
4.2. Практические решения гидравлической модели поверхностного водотока 140
4.3. Изучение влияния эксплуатационного водоотбора на формирование ущерба поверхностному стоку 145
Глава 5. Построение внутригодового распределения элементов стока 155
5.1. Построение расчетного распределения поверхностного стока 156
5.2. Факторы внутригодового распределения поверхностного стока 161
5.2.1. Климатические факторы 162
5.2.2. Факторы подстилающей поверхности 164
5.3. Географические закономерности внутригодового распределения поверхностного стока 166
5.4. Изменчивость инфильтрационного питания подземных вод 171
Глава 6. Формирование сезонных запасов подземных вод в долинах малых рек 174
6.1. Исследование влияния факторов формирования сезонных запасов 174
6.2. Роль сезонных запасов в эксплуатационном водоотборе 183
6.3. Особенности разведки и оценки эксплуатационных запасов 189
Глава 7. Анализ условий формирования эксплуатационного водоотбора для водоснабжения г. Белгорода 192
7.1; Орогидрографическая и климатическая характеристикаприродных условий 193
7.1.1 Климат 195
7.1.2 Гидрография 197
7.2. Геологическое строение 204
7.3. Гидрогеологические условия 206
7.4. Эксплуатационный водоотбор. 214
7.5. Режим подземных вод 217
7.6. Анализ произведенных оценок эксплуатационных запасовподземных вод 221
7.7. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод с учетомизменчивости стока 224
Заключение 232
Список использованной литературы 239
- Балансовая структура эксплуатационных запасов
- Естественные условия формирования стока
- Методика численных модельных экспериментов
- Роль сезонных запасов в эксплуатационном водоотборе
Введение к работе
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. Л.С. 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 Л.К. Гохберга, СО. Гриневского, С.Н. Епихова, А.А. Кашеварова, И.С. Пашковского, СП. Позднякова, А.А. Рошаля, В.Г. Румынина, В.М. Шестакова, Р.С. Штенгелова, M.S. Hantush, СЕ. 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.
Балансовая структура эксплуатационных запасов
Под эксплуатационными запасами подземных вод понимается [36] их количество, которое может быть получено на месторождении (участке) с помощью геолого-технически обоснованных водозаборных сооружений при заданных режиме и условиях эксплуатации, а также качестве воды, удовлетворяющем требованиям ее целевого использования в течение расчетного срока водопотребления с учетом природоохранных требований.
Таким образом, эксплуатационные запасы (по физическому смыслу) представляют собой производительность конкретного водозаборного сооружения и выражаются в размерности м /сут. Как правило, для целей хозяйственно - питьевого водоснабжения режим эксплуатации водозаборных сооружений является постоянным. Соответственно, ЭЗ представляют собой постоянную производительность водозабора, в соответствие которой ставится некоторое предельное достигнутое понижение (за расчётный срок или в стационарном режиме), не превосходящее допустимого.
Эксплуатационные запасы являются особой учетной категорией, рассматриваемой и, что принципиально важно, существующей только в связи с эксплуатацией месторождений подземных вод, и обеспечиваются [45,76,78,81] изменениями объема воды в водоносной системе и суммарными изменениями расходов естественного водообмена через ее внутренние и внешние границы.
Говоря о структуре эксплуатационных запасов, гидрогеологи пользуются терминами «запасы» и «ресурсы» подземных вод, понимая под первыми объем воды, находящейся в водоносной системе, а под ресурсами - обеспечение в водном балансе водоносной системы поступления подземных вод. Б.В. Боревский, Л.С. Язвин справедливо отмечают [8], что различие между запасами и ресурсами не является абсолютным, поскольку подземные воды верхней части зоны активного водообмена находятся в постоянном движении и их запасы подвержены замещению в процессе водообмена.
Вопросы классифицирования запасов и ресурсов подземных вод рассмотрены в трудах М.Е. Альтовского, Н.Н. Биндемана, Б.В. Боревского, Ф.М. Бочевера, Б.И. Куделина, Ф.А. Макаренко, Ф.П. Саваренского, Л.С. Язвина и других видных гидрогеологов. Теоретический анализ существовавших представлений о классифицировании запасов и ресурсов подземных вод выполнен Б.И. Куделиным [42].
В настоящее время представления о классифицировании запасов и ресурсов подземных вод остаются предметом дискуссии. В практике разведки подземных вод распространена классификация Н.Н. Биндемана, модифицированная авторами [8]. Особенности воды, как весьма подвижного и способного к возобновлению полезного ископаемого, требуют четкого разделения категорий запасы и ресурсы, что, к сожалению, в действующих нормативных документах не сделано. Термины запасы и ресурсы часто рассматриваются как синонимы, что не позволяет создать единую терминологическую и понятийную базу действующих нормативных документов.Структура эксплуатационных запасов выражается балансовым уравнением [8]:Q, =а,Оп.л. +a2Qn.e. +a3Q,u, +a4Q„.e. + Qnp, где (1.1)Q3 - эксплуатационные запасы;Qna природные (естественные и антропогенные) динамические ресурсы; Qne. -расход, который может быть получен за счет полной сработкиприродных емкостных запасов за расчетное время эксплуатации t; QH д - искусственные динамические ресурсы;QHe -расход, который может быть получен за счет полной сработки искусственных емкостных запасов за расчетное время эксплуатации t;Qnp - привлекаемые ресурсы;а,,а2,а3,о.4 - коэффициенты использования соответствующих видов запасов и ресурсов.Qne. и QHe. = » гДе V(n,H) - объем соответственно природных илиискусственных емкостных запасов пласта; t - расчетное время.
Приведенная балансовая запись структуры эксплуатационных запасов практически неудобна тем, что оперирует полными величинами запасов и ресурсов с коэффициентами использования. При этом неясно, к чему относятся полные величины и как, например, провести пространственные границы на плане подсчета запасов. Так, одна и та же величина емкостных запасов, обеспечивающая эксплуатационный водоотбор, может быть формально определена различными коэффициентами использования при разных природных емкостных запасах. Таким образом, балансовая значимость предлагаемой формы записи полностью зависима от условного ограничения рассматриваемой водоносной системы. Указанные неопределенности эффективно преодолеваются при использовании разностной формы балансового уравнения эксплуатационного водоотбора ("дельта-баланс"), предложенной Р.С. Штенгеловым [20]:Q,= + AQp+AQn, (1.2)где AV, - использованная величина запасов эксплуатируемого пласта (в гравитационном или упругом выражении), т.е. теоретически объем депрессионной воронки, AQp - изменение расхода дренирования потока (суммарно по всеммеханизмам естественной разгрузки) в области депрессии напоров, AQn— изменение расхода питания потока (суммарно по всем механизмам) в той же области.
Разностная форма представления баланса эксплуатационного водоотбора наиболее наглядна в физическом смысле, так как однозначно, в прямом выражении, демонстрирует основной принцип существования материальных систем: любое изменение одного из элементов баланса системы (в данном случае - появление новой расходной статьи в виде эксплуатационного водоотбора) может быть компенсировано только равными по количеству и противоположными по знаку суммарными изменениями других балансовых элементов (уменьшением объема воды в водоносной системе, уменьшением интенсивности её естественного дренирования и увеличением притока извне).
Естественные условия формирования стока
Балансовые диаграммы (рис.2.4), представляющие естественные условия формирования стока, наглядно демонстрируют развитие процессов берегового регулирования. Графическое представление дополнено таблицей, в которой для характерных времен развития рассматриваемых процессов приведены модельные балансы, обеспечивающие информационную поддержку анализа. В отличие от баланса эксплуатационного водоотбора, приводимого в главе 1 (рис. 1.2), балансовая диаграмма отражает приходные и расходные статьи баланса подземных вод месторождения. Принцип составления балансовых диаграмм состоит в наложении диаграммы расходных статей (рис.2.4, Б) на диаграмму приходных (рис.2.4, А) статей баланса подземных вод МПВ. Диаграммы приходной и расходной частей баланса подземных вод МПВ представляют собой интегральное изображение всех статей соответствующей части баланса. Полная балансовая диаграмма подземных вод МПВ (рис.2.4, В), таким образом, отражает все статьи совместно, когда условие отсутствия дисбаланса для каждого момента времени визуально контролируется идентичными интегральными ординатами приходной и соответствующей расходной статьи.
Единица шкалы всех балансовых диаграмм, представленных в настоящей главе, составляет 1x10 м3/сут. Представление баланса подземных вод без абсолютных числовых характеристик связано с тем, что принципиальное значение имеет только взаимоотношение рассматриваемых балансовых составляющих и ее эволюция в периоде изменчивости, поскольку абсолютное значение той или иной статьи баланса может оцениваться лишь в сопоставлении с другими. Рассматривая в следующем разделе Рис. 2.4, Баланс подземных вод участка месторождения в естественных условиях. Приходные статьи баланса: I - инфильтрационное питание; 2 - приток поверхностных вод; 3 - расходование емкостных запасов подземных вод.
Расходные статьи баланса:4 - разгрузка подземных вод в реку; 5 - накопление емкостных запасов подземных вод; 6 - схематизированный гидрограф поверхностных вод79 балансово-гидродинамическую ситуацию в нарушенных эксплуатацией условиях, будем обращать внимание прежде всего на изменения, вызванные эксплуатацией подземных вод. Таким образом, для проводимого сравнительного анализа нет необходимости в абсолютной численной характеристике графических зависимостей.
На балансовой диаграмме (рис.2.4, В) представлен также гидрограф поверхностного водотока с шагом шкалы в 1 м, наглядно позволяющий синхронизировать изменения условий поверхностного стока с процессами берегового регулирования в рассматриваемой водоносной системе. Поскольку временная дискретизация модели выполнена равномерными временными интервалами, линии, соединяющие соседние моменты времени на балансовых диаграммах, могут использоваться для точной количественной оценки элементов баланса, а площади образуемых фигур являются интегральной характеристикой каждой выделенной балансовой статьи.
На балансовой диаграмме (рис.2.4) четко выделяется временной участок а резкого сокращения и последующего прекращения разгрузки подземных вод в реку, отвечающий периоду половодья, а также летнему и осеннему паводочному периодам. Наблюдаемый балансовый эффект имеет причиной значительное увеличение расхода поверхностного водотока и соответствующий ему подъем уровня реки. Подъем уровня реки приводит к резкому снижению напорного градиента между подземными и поверхностными водами, что соответствует участку начала сокращения разгрузки подземных вод в реку. Дальнейший подъем уровня в реке приводит к прекращению разгрузки и формированию обратных уклонов напорной поверхности подземных вод, когда начинается процесс фильтрации поверхностных вод в борта речной долины. Этот участок характеризуется полным прекращением разгрузки подземных вод в реку и формированием дополнительных емкостных запасов в водоносном горизонте. Обратим внимание, что в формировании емкостных запасов регулирования участвуют как фильтрующиеся в борта речной долины поверхностные воды, так и расход естественного потока подземных вод, не разгрузившийся вследствие изменения условий на границе поверхностного водотока, обусловленных подпором подземных вод поверхностными.
Гидродинамическое влияние процессов берегового регулирования может распространяться на несколько сотен метров вглубь бортов речной долины; в качестве экстремальных значений Б.И. Куделин [42] приводит оценки в первые километры для крупных равнинных рек. В рассматриваемом случае гидродинамическое влияние процессов берегового регулирования распространяется на всю рассматриваемую область, что наглядно демонстрируют графики прослеживания уровней подземных вод (рис.2.5) в наблюдательных скважинах.
Методика численных модельных экспериментов
Выбор метода модельного эксперимента для решения поставленной задачи обусловлен следующими обстоятельствами: необходимостью решения нелинейной гидродинамической задачи расчета потока подземных вод в ненарушенных условиях для определения 124 допустимого положения уровня подземных вод в эксплуатационной траншее, необходимостью определения положения уровня подземных под урезом реки в нарушенных эксплуатацией условиях, когда в центральной .части депрессии задача может быть нелинейной. Изучение влияния каждого из выделенных факторов и геофильтрационных параметров на развитие ограниченно-активной БСВ требует рассмотрения как минимум пяти вариантов каждого из них при условии характеристики всего рассматриваемого диапазона для каждого фактора. Такое число рассматриваемых вариантов обычно [61] рассматривается как минимально необходимое для получения эмпирических зависимостей.
Для рассматриваемых пяти факторов при пяти вариантах значений каждого полное число сочетаний составит более 3 тыс. Поскольку решение гидродинамических задач осуществляется с целью изучения влияния каждого фактора, то теоретически необходимо получить решение для всех возможных сочетаний выделенных факторов. Эффективным приемом выхода из этой практически непреодолимой ситуации является применение [35,46,72] метода рационального планирования эксперимента. Кратко остановимся на необходимых сведениях о его методике.
Планирование эксперимента применяется [61], когда приходится рассматривать большое число влияющих факторов и проверить на опыте все возможные сочетания этих факторов не представляется практически возможным из-за большого числа таких сочетаний.
Обычно термином «метод рационального планирования эксперимента» в литературе обозначают метод поиска оптимального режима работы предприятия или установки с помощью минимального числа опытов без существенных нарушений режима работы предприятия [61].
В производственных условиях, когда наблюдения входных и выходных параметров производятся случайным образом без изменения режима роботы технологического оборудования, проводится пассивный эксперимент.
При активном планировании любой фактор является управляемым - его значения можно устанавливать на разных уровнях. В многофакторном активном эксперименте факторы должны быть независимыми.
Все возможные сочетания уровней изучаемых факторов встречаются при полном факторном эксперименте. В этом случае общее количество испытаний равно взаимному произведению чисел уровней каждого из факторов.
Активные эксперименты ставятся таким образом, что в каждом опыте независимые факторы варьируются по специальному плану. Методы активного планирования эксперимента позволяют нейтрализовать пропущенные сочетания уровней.При планировании эксперимента должны выполняться следующие предпосылки:1) результат эксперимента является независимой нормально распределенной случайной величиной, что обеспечивается независимостью рассматриваемых факторов; 2) дисперсии отклика эксперимента равны между собой в любой точке факторного пространства, что обеспечивает воспроизводимость результатов с равной точностью; 3) значения факторов изменяются с малыми ошибками по сравнению с ошибками отклика, т.е. значения факторов являются неслучайными величинами. Методика получения эмпирических зависимостей основана на построении планов на латинских квадратах и используются в тех случаях, когда интересующие, факторы имеют более двух уровней значений. Совместное наложение планов для разных пар факторов, построенных на латинских квадратах, приводит к общему плану эксперимента на греко-латинском квадрате. Это свойство наложения является одним из замечательных свойств латинских квадратов. Не затрагивая далее методику построения плана факторного эксперимента на латинских квадратах, кратко охарактеризуем достоинства предлагаемого М.М. Протодьяконовым [61] метода построения сокращенных комбинационных схем: метод пригоден для любого числа факторов т и числа их вариантов п. сокращение числа рассматриваемых экспериментов составляет и " . Достоинства метода построения планов эксперимента на латинских квадратах и его модификациях заключаются и в том, что хорошо разработана методика анализа результатов. Методика построения планов экспериментов при различном числе факторов и числе вариантов каждого фактора рассмотрена в работе [61], где также приведены методические рекомендации по обработке результатов и получению эмпирических формул.
Роль сезонных запасов в эксплуатационном водоотборе
Оценка возможной доли сезонных запасов в общем эксплуатационном водоотборе является необходимым условием доказательства часто доминирующей роли сезонной изменчивости как в обеспечении эксплуатационного водоотбора, так и в формировании гидрогеодинамики месторождения в целом.
Проведенные в настоящей работе исследования показывают, что доля сезонных запасов подземных вод в общей структуре эксплуатационного водоотбора может быть значительной. Так, в модельном эксперименте, предпринятом в главе 2, показано увеличение величины эксплуатационного водоотбора на 17%, а при оптимизации конструкции водозаборного ряда - до 30%. В рассматриваемом примере весь расход сезонного поверхностного стока, т.е. превышающий величину минимального меженного расхода, участвует в формировании сезонных запасов. Необходимо отметить, что используемое в этом модельном эксперименте представление внутригодовой изменчивости поверхностного стока носит только принципиальный характер, обозначая основные фазы водного режима реки.Исследование гидрогеодинамических условий формированияэксплуатационного водоотбора в долинах малых рек, когда величины водоотбора и меженного стока реки являются сопоставимыми (раздел 4.3), показало возможность увеличения водоотбора одиночной эксплуатационной скважины за счет сезонных запасов на 30%. В этом модельном эксперименте использовалось расчетное внутригодовое распределение поверхностного стока (рис.4.3), полученное методом 184 компоновки и отвечающее условию постоянства принятой вероятности превышения расходов каждой фазы водности. Как показано в главе 5, использование метода компоновки позволяет с принятой вероятностью превышения получить внутригодовое распределение расходов реки с необходимой степенью дискретизации.
Примененное в описываемых моделях внутригодовое распределение поверхностного стока, отвечает наиболее часто встречаемому типу сезонной изменчивости, когда в период весеннего половодья может проходить до 50-60 % суммарного годового стока реки. Как отмечалось выше, такой тип гидрографа отвечает рекам со снеговым питанием и ярко выраженным весенним половодьем, являющимся наиболее распространенными на территории России.
Как может изменяться доля сезонных запасов в общей величине водоотбора? Для ответа на это вопрос необходимо заметить, что включение в геофильтрационную схему месторождения внутригодовой изменчивости поверхностного стока не является достаточным, поскольку необходимо также изучить возможность существования ограниченно-активной БСВ. Анализ гидрогеодинамических условий существования ограниченно-активной БСВ показывает, что определенную роль, помимо геофильтрационных параметров месторождения, играет конструкция водозаборного сооружения и величина принимаемого допустимого положения уровня в эксплуатационных скважинах. В этой связи необходимо обратить внимание, что в учебно-методической литературе (например, [8]), допускается принудительное ограничение понижения уровня подземных вод под рекой: «Допустимое понижение уровня может быть ограничено также особенностями изменений условий формирования эксплуатационных запасов (например, глубиной отрыва уровня от русла реки или...)». Возможное принудительное ограничение эксплуатационных возможностей месторождения в этом случае обусловливается, вероятно, необходимостью сохранения активной БСВ.
Возможный диапазон доли сезонных запасов в общей величине водоотбора покажем на результатах модельного эксперимента при сопоставимых величинах водоотбора и меженного стока реки (раздел 4.3). К полученному решению для одиночной эксплуатационной скважины в условиях ограниченно-активной БСВ выполним дополнительные решения в следующих модификациях постановки:1. допустимое понижение уровня в одиночной эксплуатационной скважине дополнительно ограничено таким образом, чтобы постоянно во времени существовали условия активной БСВ; 185 2. в условиях возможного существования ограниченно-активной БСВ в геофильтрационной схеме месторождения внутригодовая изменчивость поверхностного стока не учитывается; Предложенные варианты постановки задачи позволяют оценить роль сезонных запасов при различной схематизации изменчивости поверхностного стока.
Полученные решения в балансово-гидродинамической части обнаруживают полное качественное совпадение с ранее рассмотренными в главе 2 условиями формирования активной и ограниченно-активной БСВ. Выполнение дополнительных решений позволяет сопоставить оценки эксплуатационного водоотбора и гидрогеодинамические условия его формирования, полученные в различных геофильтрационных схемах одного и того же месторождения подземных вод. В (табл.6.1) представлены возможные ошибки оценки эксплуатационных запасов и достигаемых допустимых понижений уровней подземных вод для трех рассмотренных геофильтрационных схем месторождения. Поскольку рассматриваемые варианты представляют собой различные фильтрационные схемы одних реальных природных условий, то эксплуатационные запасы выражены по отношению к наиболее адекватному варианту (учитывающему сезонную изменчивость поверхностного стока и условия ограниченно-активной БСВ). Величина допустимого понижения в водозаборных скважинах принята в 50% от мощности обводненной части водоносного горизонта в период меженного поверхностного стока и одинакова для всех рассматриваемых случаев. Понижение уровня подземных вод также выражено по отношению к понижению, формируемому в наиболее адекватном варианте.
