Введение к работе
Актуальность темы. Объективная необходимость решения комплекса социально-экономических и'народно-хозяйственных задач обусловила шгрокое развитие мелиоративного и водохозяйственного строительства. За прошедшие более чем двадцать лет (1967-1987гг.) площади, орошаемых земель в странах бывшего СССР увеличились с 9,0 до 19,8 млн.га в основном за счет освоения новых регионов в Средней Азии и Закавказье, в Поволжье, на Украине и Северном Кавказе, отличающихся специфическими и достаточно сложными с точки зрения мелиоративного освоения природными условиями.- Столь существенное возрастание антропогенного воздействия на естественные ландшафты определило изменение природной среда не только в пределах собственно орошаемых массивов, но и на прилегающих территориях. Предшествующее мелиоративному освоению этих территорий водохозяйстзенное строительство, прежде всего, в пределах крупных бассейнов 1 порядка таких как pp.Волга, Днепр, Дон и др., связанное с созданием водохранилищ комплексного (гидроэнергетического, рыбохозяйственного, ирригационного, коммунального) назначения, енєсли существенные изменения е естественные условия формирования гидрологии сули - режимов временных распределений объемоЕ, скоростей и химсостава етика поверхностных вод, гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод и т.п. Указанные изменения становятся мощной первопричиной негативных экологических последствий.
В свою очередь, потери оросительной воды из каналов и на орошаемом поле, которые в реальных условиях эксплуатации, как правило, превышают соответствующие проектные величины, определяет заметное изменение структуры водного баланса зоны аэрации и насыщенной зоны, что приводит к подъему уровня грунтовых вод со скоростью 0,3...0,8 до 1,0—1,5 и более ы/год, в зависимости от конкретных природных и ирригационно-хозяйственных условий орошаемых земель.
Резиш уровня грунтовых вод, отличающийся в естественных условиях многолетней ритмичностью с циклами в II, 33, 88 лет и т.д., на вновь орозаамых к прилегающих землях приобретает существенно нестационарный характер.
Антропогенные гидродинамические процессы, формирующиеся под влиянием водохозяйственного и мелиоративного строительства, становятся ордой из основных причин подтопления и заболачивания . как собственно орояаемых, тан я прилегающих к ним. .земель; глу- . бинное просачивание оросительной воды приводит к загрязнению подзешых вод минеральными и органическими удобрениями и ядохимикатами; с процессами цодъена ЛВ связаны значительные по своим масштабам гидрогеохицические процессы, суть . которых состоит в растворедан вековых запасов дисперсно развитых солеи и солевых горизонтов в породах зоны аэрации (С.Ш.Аверьянов, 1964; Д.М.Кац, 1968; Н.Ы.Решеткина, 1975 и др.) и включение их в современный солеоборог. Близкое залегание УГВ приводит-к изменению-мелиора— тивного реаима ородаемых почв, связанному с трансформацией поч- вообраэователышх процессов из автоыорфного режима в лолугадро-ыорфныи и ирригациошо-гидроыорфный и развитием процессов вто- -ричного засоления и осолонцевания, особенно в -условиях степного и аридного климата (И.П.Айдаров, 1975; А.И.Голованов, 1974; В.В. . Егоров, 1984; Б.А.Замовец, 1988; В.А.Ковда, 1985, 1989; Н.Г.Ыи-нашина, 1983; Н.Ы.Решеткина, I960, 1962 и др.).
Таким образом, возникновение многих негативных последствий орошения связано в первую очередь с нарушениями естественного гидродинамического режима подземных вод, развивающиеся на фоне водохозяйственного преобразования реаиыа поверхностных источников. Под гидродинамическим рехиыом подземных вод на орошаемых землях мы понимаем изменение во времени и пространстве уровней (напоров) подземных вод, скоростей и расходов фильтрационного потока, которые происходят под влиянием комплекса антропогенных (мелиоративных и водохозяйственных) и естественных (экзогенных -метеорологических, гидрологических; эндогенных - неотектоничес-кмх) факторов (Д.АЛІанукьян, 1990; В.Ы.Шестаков, М.С.Орлов, 1988) Отсюда вытекает необходимость пространственно-временных прогнозов изменения естественного гидродинамического реаиыа подземных вод в' связя с водохозяйственным и мелиоративным строительством — на всех иерархических даолнях природных объектов (Н.Й.Парфенова, Н.М.Решеткша, 1992; Л.В.Кирейчева, 1993)
Именно эти'прогнозы долены леаать в основе выбора, концепции развития водохозяйственного и мелиоративного строитзльства в пределах крупных рзгионов и бассейнов и слугить одним из ваг-
пых критериев для определения экологических ограничения при принятии технических и технологических ркаений. В то Ее Бремя гидродинамические прогнозы представляют собой основу для выполнения гидрогеохимических, почвенно-мелиоратиЕных и иняенерно-геологических прогнозов. Необходимо также -иметь в виду, что гидродинамические процессы на ландшафтно-географичееком и региональном уровнях приобретают новое качество, развиваются более высокими темпами и сопровождаются более серьезккаи экологическими последствиями (Е.Я.Кочика, Н.Ы.Решетккна, 1994). Поэтому повышение достоверности и обоснованности прогнозов реки- .. ма Подземных вод на орошаемых и прилегающих землях представляет собой актуальную научно-методическую проблему, а успешное ее решение имеет болылое практические значение.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка теоретических положений и методологии прогнозирования гидродинамического режима подземных вод на орошаемых землях на основе принципов, предполагающих оптимальные условия функционирования и учитывающих экологическую устойчивость природных объектов на различных иерархических уровнях в различных ландзафтно-геог-рафических зонах.
Структуризация данной проблемы позволила для ее реаения сформулировать следующий комплекс задач:
1. -Обобщить-теоретические--и экспериментальные данные по
влиянию водохозяйственной и мелиоративной деятельности на изме- ,
нения естественного гидродинамического режима подземных вод,
оценить масштабы и интенсивность этих изменений на природные
объекты различных иерархических уровней и их экологические по
следствия.
-
Разработать пространственно-временную структуру природ-но-мелиоратиЕНЫх объектов tсистем) в целях прогнозирования гидродинамического -реяима подземных вод, основываясь на геолого-структурных и геофильтрационных моделях и моделях функционирования рассматриваемых объектов в различных дандшафтви-геогра-фических зонах.
-
Установить гидрогеоэкологические показатели и ограничения нарушений естественного гидродинамического реаииа в связи с развитием водохозяйственной деятельности и орошния, определяющих разумную их интенсивность.
-
Разработать единую методологию пространственно-временного протезирования гидродинамического режима подземных вод"на" орошаемых землях, включающую комплекс приемов получения необходимой-точности недостоверности- выполняемых прогнозов с учетом различных целей прогнозирования и иерархии природно-медиоративных объектов.
-
Усовершанетвовать существующие и разработать новые математические модели гидродинамических и гидрогеохимических процессов и их информационного обеспечения, отражающих пространственно-временную структуру объектов прогнозирования.
Научная новизна работы заключается в разработке комплекса теоретических положений"и методических принципов прогнозирования гидродинамического решша подземных вод на орошаемых землях, исходя из условий экологической устойчивости природно-ыедиоративных объектов различного уровня. В работе впервые разработаны или подучили дальнейшее развитие: .
I. Понятие о природно-мелиоративных объектах, сформулированное с учетом обратных связей между управляемыми мелиоративными, воздействиями и показателями антропогенных гидродинамических процессов.
2.. Пространственно-временная структура и иерархия природно- мелиоративных объектов, построенные с учетом-их целевого назначения и особенностей функционирования. Система математических моделей прогнозирования гидродинамического и гидрогеохимического ревима подземных вод, адекватно описывающих дриродно-мелио-рагивные процессы в границах объектов различного масштаба, отличающихся информационным единством и феноменологической независимостью.
-
Гидродинамические факторы формирования эколого-мелиора-тивнои обстановки на орошаемых и прилегающих к шш землях^ критерии оценки функционирования и устойчивости природно.-иелиора-гивных объектов различных иерархических уровней.
-
Единая методология прогнозирования гидродинамических процессов на орошаемых землях, включающая:'
- качественные и количественные' методы выбора, оценки и ранжирования ведущях'факторов формирования гидродинамического режима подземных вод с использованием методов теории чувствительности; выбор адекватных моделей процессов;
комплекс эвристических, логических и формально-математических методов и приемов схематизации природних и ирригационяо-хозяйственных условий для построения и оценки достоверности расчетных геофильтрационных схем вероятностного характера на основе методов теории планирования экспериментов;'
методы имитационного моделирования гидродинамических процессов, позволявшие учесть неопределенность и случайную природу исходной информации с цельп получения вероятностных оценок результатов прогнозов.
5. Принципы и методы информационного обеспечения гидродинамических прогнозов, включающие методы анализа чувствительности, определения гидрогеологических параметров и показателей по данным лабораторных, опытно-фильтрационных работ и наблзадений и с помощью решения обратных задач фильтрации, а такие методы и модели осреднения исходной информации для расчетных гидродинамических схем природно-мелиоративных объектов различного масштаба.-
Методология исследований основывалась на философских и общетеоретических трудах В.И.Бернадского, В.В.Докучаева, В.Р.Виль-ямса, А.Н.Костякова, В.А.Козды, на научно-методических и прикладных исследованиях С.Ф.Аверьянова, И.П.Айдарова, А.И.Голованова, Д.М.Каца, П.Я.Кочиной, Н.Ы.Решеткиной, Н.В.Роговской, В. М.ІІІестакова и др. и состояла в последовательном выделении и анализе основных элементов, образующих природно-ыелиоративные объекты различных уровней; исследовании процессов, протекающих в граетщах этих объектов и их закономерностей; прогнозировании и оценке .устойчивости функционкрования природно-мглиоративных объектов - нл основе системного подхода и представлений о рациональном природопользовании.
Важной особенностью выполненных исследований является широкое применение методов качественного и количественного анализа, используемых в различных естественных науках геолого-гидрогеологического и механико-математического направления, а также методов теории чувстзктельности и планирования экспериментов, методов решения некорректно поставленных задач и методов интегральных преобразований и численных методов - при рассмотрении задач влагопереноса и теории фильтрации и т.п.
- б -
Практическая значимость работы. Разработанная методология и система иоделей прогнозирования позволяет избежать крупных просчетов при составлении схем использования водных и земельных ресурсов.в пределах речных бассейнов. Кроме того, разработанные .методы оценки гидрогеологических параметров и показателей, методы построения моделей природной среды, процессов влагодерешеа и фильтрации и вероятностных расчетных схем, модели гидродинамического регима подземных вод нашли и могут в дальнейшем найти широкое применение при обосновании проектов строительства ноеых и реконструкции существующих мелиоративных систем, а такге в других прикладных задачах гидродинамики, учитывающих экологическую устойчивость природных ландшафтов.
Реализация работ. Методические положения к практические рекомендации были использованы при составлении различных методических и нормативных документов, регламентирующих состав,, объемы и методику проведения гидрогеологических исследований' и прогнозов при обосновании проектов строительства и реконструкций гидромелиоративных систем: "Гидрогеологические прогнозы" -пособие-к ВСН 33-2.1.05-85 (Минводхоз СССР, 1907), "Гидрогеологические и инженерно-геологические изыскания для мелиоративного и водохозяйственного строительства" (Минводхоз'СССР, 1987), "Рекомендации по- эксплуатационным' прогнозам уровня 'грунтовых вод на орошаемых землях" (Минводхоз СССР, 1987), "Методические рекомендации по гидрогеологическим исследованиям на водно-балансовых станциях" (Минводхоз СССР, 1988).
Результаты выполненных исследования были использованы при составлении проекта мероприятий по защите окружающей среды от последствий аварии на Чернобыльской АЭС (1986), в проектах ре-' конструкции орошаемых массивов на территории Мугано-Сальянской и-Карабахской степей Азербайджанской ССР (I960), Мецамор-Раэ-данского массива Армянской ССР (1983), Аштского массива Таджикской ССР (1985), на орошаемых массивах Волгоградского Заволзья
Кисловская, Тааинская, Палласовская, Большая Волгоградская и других мелиоративных системах. Кроме того, ряд разработок автора вошли в проекты освоения мелиоративных земель гуыидной зоны
Приозерная и Щурсхольекая системы (оз.Неро йрославской обл.), Саранского водохранилища (Мордовская АССР), в проекты мелиорации массивов "Эль-Габя и "Эль-Рудис", в проекты освоения Алеп-
- пских земель (Сирия) и зеыель Санского бассейна (ЙАР), где автор
работал в качестве консультанта в 1984, 1985 и 1985 гг.
Ряд разработок автора были отмечены наградами - "Методические рекомендации по водно-оаланеовш исследованиям" - бронзовая медаль ВДНЛ; за активное участие в разрабогке защяткпг мероприятий по предотвращению загрязнения вод рр.Припять, Днепр, а тан-ъ.в подзешых вод от последствий аварии на ЗДЗС - "Почетная грамота" Минзодхоза СССР.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуа-датась на иездунарсдных конгрессах, всесоюзних, региональных, -межведомственных и отраслевых совещаниях, семинарах,'^основными из которых являются: XIX Международный конгресс гидрогеологов
- (Карловы Вары, 1936), Международные высшие гидрологические кур
сы ШЕЕКО лри МГУ (1979, I960), Всесосзные совещания по мелиора
тивной гидрогеологии и инженерной геологии (Баку, 1976; Ашхабад,,
1980; Новая КахоЕка, 1984), I Всесоюзная гидрогеологическая кон
ференция Шосква, 1982), Всесоюзное совещание по применения ма
тематических методов и моделированию в гидрогеологии (Новоси
бирска 1934), Всесоюзное научно-техническое совещание "Совериен-
ствованке методов надзора за мелиоративным состоянием орошаемых земель и оценки влияния водных мелиорации на окружажкую среду* (Апхабад, 198";), I Всесоюзный съезд инженер-геологов, гидрогеологов и геокриологов . (Киев, 1938), Всесоюзные совещания руководящего состава гкдрогеолого-мелиоративной службы на ВДНХ (Москва, 1983, 1934, IS85), Выездные' сессии ВАСЭДШ (Волгоград, 193/5 Коломна, 1991), Ученые Советы ЕНИИГкМ (19/9-1994), ЕСЕГИНГЕО.
(1984), научные семинары и совещания по международному сотруд-
качеству (Рурки, Ендия, 1990), (Вагенинген, Голландия, 3991,
1992, 1994), (Мюхенберг, Германия, 1994) и т.п.
Публикации. Основные результаты научно-методических исследований опубликованы в УЗ печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заклшения, списка литературы из 76 наименовании, приложений; работа изложена на 428 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 33 таблицы..
