Оценка баланса подземных вод

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭЛЕМЕНТОВ БАЛАНСА ГРУНТОВЫХ ВОД ПО РЕЖИМНЫМ ДАННЫМ В ОДИНОЧНЫХ СКВАЖИНАХ И РЕЗУЛЬТАТАМ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ЭЛЕМЕНТАМИ ОБЩЕГО ВОДНОГО БАЛАНСА

Исходя из данных о колебании уровня грунтовых вод в одиночной скважине, В. Г. Ткачук предложила метод расчета их питания. Величину питания сверху определяют из уравнения

WAt=~ + Ty, (147)

Где АЯ-общая высота подъема уровня грунтовых вод за время Г; А':)ф—коэффициент эффективности осадков, равный АН/Х4; Хх—количество воды, поступившей в водоносный горизонт за время Т; Т—период подъема уровня грунтовых вод; у—средний за этот период отток грунтовых вод за вычетом притока.

Коэффициент эффективности осадков &эф — величина, обрат­ная недостатку насыщения или водоотдаче почвогрунтов 1/ц, взятых в пределах перемещения уровня грунтовых вод и подпертой капиллярной каймы. В. Г. Ткачук вычисляет этот коэффициент по разности между полной влагоемкостью и влажностью пород в пределах колебания уровня грунтовых вод, что значительно преувеличивает его, а недостаток насыщения преуменьшает. Будет правильнее учитывать изменение влаго - запаса по разрезу от минимального положения уровня воды до

85

Максимального положения поверхности подпертой капиллярном каймы за период наблюдений.

Величина оттока грунтовых вод >!, по существу, представля­ет собой разность между оттоком Q2 и притоком грунтовых вод Q в горизонтальном направлении, при этом возможное перетекание грунтовых вод в подстилающий водоносный горизонт отсутствует, т. е. є=0. Определяется эта величина по данным о зимнем снижении уровня воды, когда расходная часть баланса грунтовых вод представлена только подземным сто­ком, а расходования их на переток в зону аэрации не происходит.

Так, при понижении уровня грунтовых вод в зимний или осенне-зимний период на величину h за время At разность между оттоком и притоком вод составит:

Как отмечает В. Е. Водогрецкий, зимний отток грунтовых вод на разгрузку в водоисточники принят тождественным оттоку в весенне-летний период высокого их стояния. Такое допущение является неоправданным, особенно в районах с довольно пересеченным рельефом, разными глубинами до воды и неравномерным распределением атмосферных осадков по площади.

Так как инфильтрационное питание грунтовых вод опреде­ляют с помощью рассматриваемого метода только для периодов подъема их уровня, то при малых глубинах до воды остается неопределенной величина расходования этих вод на испарение или восходящий ток влаги в зону аэрации. Поэтому задача составления баланса грунтовых вод в целом (например, за год) остается нерешенной.

Кроме расчетов величин питания грунтовых вод в пунктах заложения одиночных скважин по формуле (147) можно вычислить усредненное для данного района питание, приняв вместо АЛ и j их среднеарифметические выражения для ряда наблюдательных скважин.

Н. Н. Биндеман предложил аналогичный метод расчета величины инфильтрационного питания грунтовых вод весной после снеготаяния, приняв ее равной

Ah + Az /і лп\

» -~At • (149)

Где Ah — наблюдаемое повышение уровня грунтовых вод после снеготаяния за время At; Az— величина, на которую уровень грунтовых вод снизился бы за время A t за счет оттока по водоносному пласту. 86

При этом последняя величина определяется по разности между минимальным предвесенним уровнем и тем экстраполя - ционным уровнем, который установился бы при продолжении с прежней интенсивностью зимнего спада по кривой его до момента весеннего максимума.

Здесь, так же, как и в предыдущем методе, допускается постоянство во времени интенсивности подземного оттока за вычетом притока в периоды подъема и предшествующего спада уровня, а также не учитывается в другое время года расход грунтовых вод на испарение или восходящий ток в зону аэрации. Восходящий ток влаги от уровня при глубине до воды 2—4 м, для которой рекомендуется данный метод, может быть весьма существенным. Поэтому расчетное восполнение запасов грунтовых вод без учета их испарения летом и в другие сезоны года может быть значительно завышенным.

За весь годовой цикл колебания уровня грунтовых вод среднегодовая величина инфильтрации определяется по фор­муле

(150)

Где (AA + Az); — повышение уровня грунтовых вод совместно с возможным понижением его вследствие подземного стока за конкретный промежуток времени A if.

В. С. Ковалевский предложил комплексный метод оценки питания грунтовых вод по режимным наблюдениям в оди­ночных скважинах с учетом генетических различий условий формирования режима подземных вод на различных элементах рельефа. При этом выделяются виды режима подземных вод: приречный (или прибрежный), террасовый, склоновый и между­речный (или водораздельный).

Для приречного вида режима амплитуда колебаний уровня грунтовых вод в чистом виде или зона насыщения, образовав­шаяся при подъеме уровня, характеризует точно размеры восполнения запасов грунтовых вод на период их питания. Следовательно, величина последнего

Н'А/ = рА#, (151)

Где АН—подъем уровня грунтовых вод в прибрежной зоне.

Такая интерпретация динамики подземных вод вблизи рек и озер отвечает частному случаю, когда приток Qt и отток этих вод Q2 становятся равными, т. е. при Qx ~Q2 или при Q1==Q2 = 0. Этот случай имеет место на низких и плоских поймах, где в период половодья уклон потока вод равен нулю или имеет малое значение в течение длительного времени.

В общем же случае при подпоре вод Q{ > Q2, что вызывает подъем уровня грунтовых вод, часто превышающий подъем, вызванный инфильтрацией талых вод и жидких осадков. Поэтому формулу (151) можно применять лишь на низких поймах, вдали от рек, озер и дрен при весьма неглубоком уровне воды. Эту же формулу мы рекомендуем и при глубоком залегании уровня грунтовых вод, но для неограниченных в плане потоков вод и в отсутствие их перетекания по вертикали.

Для террасового вида режима, по В. С. Ковалевскому, в балансе грунтовых вод заметную роль играет неравенство притока (>, и оттока Q2 этих вод. Разность последних учитывается, по Н. Н. Биндеману, путем прибавления к вели­чине весеннего подъема уровня ДА дополнительной абсолютной величины спада уровня А г, который происходит в отсутствие инфильтрации осадков за расчетное время A t. Интенсивность спада уровня принимается равной интенсивности наблюденного в предшествующий период понижения того же уровня.

Размеры годового выполнения запасов грунтовых вод определяют по формуле (150). Для склонового вида режима грунтовых вод характерна слабая связь этих вод с местными атмосферными осадками, которые расходуются в значительной мере на поверхностный сток. Колебание уровня грунтовых вод происходит преимущественно под влиянием изменения запасов этих вод, т. е. их сработки (в частности, разгрузки в виде источников), а также, очевидно, подпора грунтового потока.

При этом режим потока вод рекомендуется рассматривать независимым или упорядоченным, для которого используется готовое решение Майэ-Буссинеска. По аналогии с этим реше­нием В. С. Ковалевский предлагает зависимость для величины превышения мощности водоносного горизонта над уровнем разгрузки подземных вод Я, от времени tt в виде

Я~(ЗЯ0е-а('.-Ч (152)

Где Я0 — наблюдавшееся превышение мощности водоносного горизонта над уровнем разгрузки подземных вод на исходный момент времени t0; а—коэффициент истощения, определяемый по двум замерам уровня воды в моменты времени и t2; Р—коэффициент, учитывающий степень связи расхода и мощ­ности водоносного горизонта, определяемый после расчета коэффициента се. Зная Я, и Я0, по разности этих величин находят расчетную величину амплитуды (изменения) уровня за время (/, — /0) по формуле:

А/?, — Я; — Я0. (153)

Умножая Ahi на параметр р, получают величину притока за вычетом оттока грунтовых вод для местности, окружающей наблюдательную скважину.

Для водораздельного вида режима грунтовых вод, в котором инфильтрация осадков усиливается и соизмерима с 88 ролью горизонтального стока, величину питания находят, по Биндеману, с помощью формулы (149). При этом величину Az вычисляют по линейной зависимости интенсивности снижения уровня Az/A/; от средней мощности водоносного горизонта hcp с учетом расчетного промежутка времени. Для получения ука­занной зависимости расчетных величин сопоставляют значения, например, зимнего снижения уровня и соответствующие средние мощности потока hcp в периоды отсутствия питания грунтовых вод сверху.

Оценивая в целом метод В. С. Ковалевского, необходимо указать на следующее:

Разделение способов расчета величин питания грунтовых вод с учетом особенностей баланса грунтовых вод, свойствен­ных различным типам их режима, является весьма перспектив­ным и положительным методическим приемом;

Большинство способов расчета питания аналогично мето­дике Н. Н. Биндемана, поэтому замечания по ним остаются прежними;

Расчет подземного оттока за вычетом притока грунтовых вод с использованием решения Буссинеска связан с допущением постоянства уклона потока, что вряд ли приемлемо, так как эта величина наиболее изменчива во времени;

Для междуречного режима грунтовых вод требуется довольно громоздкое вспомогательное исследование изменений уровня воды во времени в зависимости от мощности потока вод при отсутствии питания этих вод сверху, что не всегда имеет место в натуре.

Общее для всех рассмотренных методов—отсутствие в них приемов определения перетекания грунтовых вод в подстилаю­щие напорные водоносные горизонты, а также цельной методи­ки составления балансов вод за годовой цикл и в целом для речных водосборов.

В связи с разработкой методических указаний по гидрогео­логической съемке на закрытых территориях, автором предло­жен приближенный метод оценки элементов баланса грунтовых вод по режимным данным в одиночных скважинах. Сущность этого метода заключается в применении формулы (151) как для периодов подъема уровня грунтовых вод, когда АН>0 и вычисляется инфильтрация атмосферных осадков ^>0, так и для периодов понижения уровня АН<0, для которых вы­числяется расход грунтовых вод на суммарное испарение и отток влаги в зону аэрации. При этом перетекание вод по вертикали отсутствует и uAt=— рАЯсп, где АНсп — изменение уровня за период его спада At; и — интенсивность испарения грунтовых вод или отрицательное питание; А#сп<0.

Такой прием расчета питания не вызывает сомнений при неограниченности грунтового потока в плане, когда Qx =Q2 или
<2, =0, Q2 = 0 - - при отсутствии вертикального водообмена данного водоносного горизонта с подстилающим.

Этот метод приемлем для равнинных территорий и мест, значительно удаленных от поверхностных водотоков, водоемов, с которыми гидравлически связаны грунтовые воды, а также при одинаковых условиях увлажнения на поверхности и отсутствии связи с напорными водами.

(154)

В случае нахождения наблюдательной скважины на неровной поверхности при разной растительности в районе влияния дрен и поверхностных водотоков разность между притоком Qt и оттоком воды Q2 на расчетном участке не равна нулю. Если к тому же глубины до воды более 5—6 м, при которых зимнее охлаждение почв не вызывает существенного тока влаги в зону аэрации, то указанная разность при отсутствии питания сверху (и' = 0) для зимнего периода определяется по формуле

А = ц А Н3

Где At3—продолжительность зимнего периода, когда питание грунтовых вод отсутствует; А#3— изменение уровня грунтовых вод за тот же период; F—площадь участка.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭЛЕМЕНТОВ БАЛАНСА ГРУНТОВЫХ ВОД ПО РЕЖИМНЫМ ДАННЫМ В ОДИНОЧНЫХ СКВАЖИНАХ И РЕЗУЛЬТАТАМ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ЭЛЕМЕНТАМИ ОБЩЕГО ВОДНОГО БАЛАНСА

Допуская постоянство во времени вычисленной по формуле (154) интенсивности притока за вычетом оттока в течение года, можно для любого промежутка времени At вычислять величину питания грунтовых вод в виде

(155)

Где АН—изменение уровня грунтовых вод за расчетный период времени At.

Все рассмотренные здесь методы базируются на данных наблюдений за режимом грунтовых вод. Вместе с этим заслуживают применения и методы, основанные на предвари­тельном определении элементов общего водного баланса конкретных участков суши, например склонов возвышенностей и равнин. Причем каждый элемент водного баланса изучается экспериментально (с помощью тех или иных приборов), а режим грунтовых вод характеризуется по данным одиночных скважин.

И. Б. Вольфцун широко использует метод общего водного баланса участка суши для определения величины питания грунтовых вод сверху. В качестве примера им выбран ряд склонов и логов в бассейнах малых рек на Валдайской возвышенности — экспериментальные водно-балансовые водо­сборы Валдайской научно-исследовательской гидрологической лаборатории им. В. А. Урываева (ВНИГЛ).

Инфильтрационное питание грунтовых вод на отдельных склонах водосборов рассчитывается по уравнению водного баланса зоны аэрации (в обозначениях Вольфцуна):

Wn — M-{-X~ YnoB — Еп — AUnoH + AUa, (156)

Где М—хлой водоотдачи из снега; X—количество осадков, выпавших за расчетный период; 7П0В—поверхностный осадок, обусловленный снеготаянием или выпадением дождя; Еп — испа­рение с почвы (в периоды снеготаяния—испарение с поверх­ности снежного покрова и с проталин); A £/пон— потери воды на аккумуляцию в понижениях на поверхности склона; A Ua — поте­ри на доведение влажности всей зоны аэрации до значения наименьшей влагоемкости (со знаком минус) или отдача избытка влаги над наименьшей влагоемкостью из верхних слоев почвы (со знаком плюс).

Уравнение (156) аналогично нашему выражению величины питания грунтовых вод для участка суши, которое имеет вид [4]:

WAt=X-(Z-K1) + (Yi~Y2)-Dl~D2, (157)

Где X—атмосферные осадки; ^ — конденсация водяных паров на поверхности и в зоне аэрации; Yx и Y2 — приток и отток поверхностных вод на данном участке; Z—суммарное испаре­ние, включающее испарение с почвы, транспирацию растения­ми, испарение с водной поверхности и снега; Dt— изменение запаса воды на поверхности, включая аккумуляцию ее в понижениях, водоемах и водотоках за время At; D2—изменение запаса воды за то же время в зоне аэрации (от дневной поверхности до максимального положения подпертой капил­лярной каймы над грунтовыми водами).

Все элементы водного баланса на поверхности и в зоне аэрации определяются общепринятыми в гидрологии и гидроге­ологии методами. Расчет средних величин инфильтрационного питания грунтовых вод для водосбора И. Б. Вольфцун произво­дит разными методами. В частности, из водного баланса на поверхности и в зоне аэрации следует

W'n = X+ К— Упов —£—А£/пов —А£/а—у + Г}, (158)

Где W'n — средняя величина инфильтрационного питания грун­товых вод на водосборе за любой промежуток времени; X—количество выпавших осадков; К—подпитывание зоны аэрации грунтовыми водами; Fn0B—поверхностный сток с водосбора; Е—испарение с водосбора (за вычетом конденса­ции); A UnoB—изменение запаса воды на поверхности водосбора; А£/а — изменение запаса влаги в почвогрунтах зоны аэрации; у — водозабор на хозяйственные нужды; т) — возврат в реку ранее изъятых вод.

Все составляющие уравнения (158) представляют собой средние по водосбору ВеЛИЧИНЫ, ПрИ ЭТОМ КОМПОНеНТЫ А С/пов и А£/а могут быть положительными и отрицательными.

Предлагается также метод водного баланса первого от поверхности водоносного горизонта.

Сущность этого метода сводится к определению отрица­тельных составляющих водного баланса указанного горизонта. Так, величина инфильтрационного питания грунтовых вод на водосборе

W'n = Егр + Frp + А С/гр + W', (159)

Где Етр — расход грунтовых вод в зону аэрации на восполнение испарившейся влаги; УгР — сток грунтовых вод в русловую сеть, дренирующую водоносный пласт; А С/Гр — изменение запаса грунтовых вод за расчетный интервал времени; W' — подзем­ный водообмен рассматриваемого водосбора с соседними бассейнами.

В работе И. Б. Вольфцуна даны рекомендации по опреде­лению перечисленных элементов баланса с использованием режимных данных об уровнях грунтовых вод для расчета их испарения, а также рассмотрены примеры расчета инфильтра­ционного питания в разрезе года.

В. Е. Водогрецкий, изучая колебания уровня грунтовых вод на склонах логов Валдайской возвышенности, в качест­ве основного использовал принцип, предложенный впервые В. Г. Ткачук, который вычислял интенсивность подземного оттока по формулам (154) и (155).

Величину параметра р для периодов подъема уровня воды он принимал равной разности между полной и наименьшей влагоемкостями. Для периодов с большой амплитудой колеба­ния уровня грунтовых вод должно учитываться содержание в капиллярной кайме и ниже уровня воды защемленного в порах грунта воздуха. При этом параметр р вычисляется также по разности между капиллярной и наименьшей влагоем­костями в объемном выражении.

Для нахождения скорости понижения уровня грунтовых вод

В зимний период, т. е. величины по каждой наблюда­

Тельной скважине строятся графики связи этой величины с

АН

Глубиной 2 ДО ВОДЫ, Т. е. ~^f—f{z)-

Для оценки точности вычисления питания грунтовых вод сопоставлялись измеренные величины изменения влагозапасов в зоне аэрации с вычисленными по уравнению

AE/a = JT - Y-Z-W,
Где А £/а — изменение влагозапасов в зоне аэрации; X—осадки; Y—поверхностный сток; Z—испарение с почвы; W—питание грунтовых вод, которое определяется по формуле, анало­гичной (155).

Вычисленные величины А £/а отклонялись от наблюденных в среднем на ±20%, хотя крайние из них расходились до 70%.

Оценка баланса подземных вод

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИН ПИТАНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД СВЕРХУ И ИХ ПЕРЕТЕКАНИЯ

ТИПЫ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ И БАЛАНСОВЫХ УЧАСТКОВ

В состав опорной наблюдательной сети входят: А) региональные створы наблюдательных скважин, закла­дываемые в типичных гидрогеологических и водохозяйственных условиях; Б) локальные створы наблюдательных скважин для деталь­ного изучения режима и баланса подземных …

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ РАСЧЕТА ПИТАНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД ПО РЕЖИМНЫМ ДАННЫМ

Рассмотрим погрешности методов конечных разностей и аналитического, которые нами относятся к категории точных, поскольку они базируются на дифференциальном и интеграль­ном исчислении и учитывают все известные граничные и начальные условия. Оценка …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.