Оценка баланса подземных вод

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПО ПЛОЩАДИ И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ БАЛАНСА

На автономных балансовых участках и экспериментальных речных бассейнах площадью до нескольких десятков и сотен гек­таров при наличии сгущенной сети наблюдательных скважин (см. рис. 5) расчетные элементы потока соприкасаются между собой.

Оценка средневзвешенных по площади элементов баланса производится на основании всех значений того или иного элемента баланса, определенного в каждом элементе, и раз­меров соответствующих площадей элементов потока. Напри­мер, для оценки среднего по площади стока применяют формулу (179) и аналогично этому вычисляют средние вели­чины питания и перетекания грунтовых вод. Причем для других

Элементов вместо используют wi или

Если усреднение выполняют для суммарных величин, отве­чающих генетическим промежуткам времени At, то все указан­ные в формуле значения элементов баланса умножаются на At (число суток в расчетном промежутке времени, месяце, сезоне года или за годовой цикл).

Распространение результатов расчета элементов баланса грунтовых вод на большие площади производится двумя путями: 1) с помощью интерполяции; 2) с помощью экстра­поляции.

Первый путь базируется на относительной однородности природных и водохозяйственных условий территории, при которой в узких пределах изменяются глубины до воды по площади, сравнительно однородно строение зоны аэрации, примерно одинаковы литология пород этой зоны, устройство дневной поверхности (рельеф, почва и растительность). При этом может применяться линейная интерполяция, которая также используется при составлении карт гидроизогипс.

В качестве исходных данных составляется карта распреде­ления на изучаемой площади расчетных центров элементов потока, которая сопоставляется с картами литологии пород зоны аэрации, глубин до воды и параметрами р, принятыми в расчет. Границы выделяемых градаций элементов баланса проводятся с помощью линейной интерполяции, которая час­тично может корректироваться контурами микрорельефа, раз­ной растительностью и последствиями хозяйственной деятель­ности (например, вырубка лесов, осушение земель, сельско­хозяйственное производство и т. п.).

Второй путь (экстраполяция) основывается на анализе количественных связей элементов баланса грунтовых вод с природными и искусственными факторами, а также на попут­ном картографировании этих факторов по всей территории исследования.

К природным факторам, с которыми тесно связаны элемен­ты баланса грунтовых вод, относятся: мощность зоны аэрации (глубина до грунтовой воды); величина параметра р (водо­отдача или недостаток насыщения пород зоны аэрации, а также верхней части толщи водонасыщенных грунтов); дренирован - ность местности (глубина вреза эрозионной сети, наличие заболоченности и т. п.), условия увлажнения на поверхности и поверхностный сток, а также метеорологические факторы (осадки, суммарное испарение, конденсация, атмосферное дав­ление и т. п.).

К искусственным факторам относятся: полив оросительной водой (водоподача на орошение, нормы полива); дренажный сток, коэффициент земельного использования (КЗИ); транспи - рация влаги растениями на орошаемых землях, водоотбор подземной воды для водоснабжения и осушения земель, местные и районные депрессии зеркала подземных вод и т. п.

Рассмотрим некоторые примеры исследования количествен­ных связей элементов баланса грунтовых вод с природными и водохозяйственными факторами. Они использовались непо­средственно для экстраполяции расчетных элементов баланса по площади водосборов.

Для составления детальных карт (масштаба 1:25 ООО и 1:50 ООО) сезонного распределения абсолютных величин ин - филътрации осадков, достигающих уровня грунтовых вод, или 112

Ги от этих вод в зону аэра­ции за данный год исследуются

Связи указанных величин элементов баланса со средней за соответствующий период глубиной до воды (рис. 19).

По каждому расчетному элементу потока вычисляют сум­марные величины того или иного элемента баланса грунтовых вод за два, три или более длительных промежутков времени At в миллиметрах слоя воды в году (например, за ранневесенний период, в который происходит основное инфильтрацион - ное питание грунтовых вод талыми водами и жидкими осадками сверху); за летний период преобладающего сни­жения уровня грунтовых вод под влиянием суммарного испарения, частично оттока воды к дренирующим рекам, а также за период осенне-зимнего спада уровня под влиянием подземного стока и дистилляции воды в зону аэрации). Для каждой величины элемента баланса, взятой за указанный период, из годовых ведомостей режимных наблюдений под­считывают соответствующую среднюю глубину стояния уровня грунтовых вод.

При этом в случаях выделения небольших градаций глубин до воды на равнинных территориях, отвечающих небольшим амплитудам годового колебания уровня воды, можно иссле­довать связи между данным элементом баланса грунтовых вод и средней годовой глубиной их залегания в соответствующем пункте.

Для экстраполяции элементов баланса по площади водо­сбора в указанных случаях используют графические связи величин инфильтрации осадков и испарения с уровня грунтовых вод, вычисленные по сезонам года или генетическим периодам, с величинами среднегодовых глубин до воды, а также карту среднегодовых глубин до воды того же года.

На рис. 19 показана связь величин питания и испарения грунтовых вод со среднегодовой глубиной их стояния на Пехорско-Купавинском междуречье, сложенной флювиогляци - альными песчаными отложениями.

Расчетные данные были получены на основании гидроди­намического анализа режима грунтовых вод, выполненного нами с помощью метода конечных разностей [4]. В районе площадью 50 км2 было около 15 расчетных участков, которые имели не менее трех наблюдательных скважин в каждом, расположенных в створах по потоку вод.

На основании рассмотренных связей элементов баланса за год составляют карты сезонных инфильтраций осадков, испа­рения грунтовых вод и местного восполнения подземного стока с учетом карты глубин до воды. Затем для каждой градации глубин до воды, указанной на карте, с графиков (см. рис. 19) снимались показания величин положительного питания — инфильтрации осадков и испарения грунтовых вод за тот или иной сезон года.

При отсутствии возможности составления карт элементов ба­ланса по сезонам года можно ограничиться одной картой глу­бин до грунтовой воды, составленной по среднегодовым дан­ным режимных наблюдений в бассейне реки, и связью годовых величин элементов баланса со средней глубиной до воды.

Для составления детальных карт средне многолетних годо­вых величин инфильтрации осадков, испарения грунтовых вод и местного пополнения подземного стока с данного водосбора в масштабах 1:25 ООО, 1:50 ООО предварительно вычисляют сред­ние значения их за период наблюдений не менее 16—20 лет для каждого микроландшафта по данным выполненных расчетов элементов баланса в элементах потока с помощью гидроди­намического анализа наблюденного режима грунтовых вод.

Затем определяют: безразмерные коэффициенты инфиль -

/ Sh'.AT \

Трации осадков за год т|но = (—— 1 , испарения грунтовых

( ЕиД» \ (2»-,Дт\ ( ЕмМ \ вод Г|„0= , где —-1—- и I средние за мно -

\^0,Х-1х/о \^0,Х-1Х/о \ло, Х-1Х/0

Голетие коэффициенты инфильтрации и испарения грунтовых вод, равные отношениям соответственно норм инфильтрации и испарения к нормам осадков за гидрологические годы (с октября по сентябрь следующего года включительно). 114

В целях оценки влияния комплекса природных факторов на элементы баланса грунтовых вод указанные коэффициенты рассматриваются для различных микроландшафтов [5].

Так, на Пехорско-Купавинском междуречье были выделены: 1) поймы и озерно-болотные депрессии; 2) холмистые моренные возвышенности; 3) плоская слабо дренированная часть плато; 4) выпуклая высокая наиболее дренированная часть плато. Для каждого микроландшафта дана оценка режима, баланса и формирования подземного стока вод за многолетие.

На карте микроландшафтов охарактеризованы в водно-ба­лансовом отношении луга и верховые болота, сырой смешан­ный лес, пашни с перелесками и более возвышенные части плато, покрытые смешанными и хвойными лесами, а также пашнями.

Иллюстрацией выявленных закономерностей распределения инфильтрации осадков, испарения и стока грунтовых вод (их среднемноголетнего питания сверху) по микроландшафтам может служить график связи указанных безразмерных величин элементов баланса с мощностью зоны аэрации z, м (рис. 20).

По оси ординат отложены величины T|w а и г|и0 с обозна­чением того микроландшафта, к которому они относятся. Для сравнения величин подземного стока (норм питания грунтовых вод) выше от абсцисс даны зеркальные отображения кривых: Лио—/i(z)- Между последними и соответствующими кривыми r|Wi0=/(z) на рис. 20 выделены области, которые наглядно изображают размеры питания грунтовых вод в среднем за многолетие.

Например, в сосново-еловых лесах на флювиогляциальных песках при средней многолетней глубине до воды 2,65—4,81 м средняя годовая величина питания (или норма подземного стока) за 13 лет составила 110—118 мм слоя воды, а в аналогичных лесах с большими полянами при глубине до воды 1,96—10,47 м — 44 - 85,6 мм; при глубине до воды 1,96— 3,55 м — 78,7—85,6 мм. В то же время в поле (открытые пашни) на водораздельном плато при глубинах до воды 1,63—2 м величина питания равна 48,5—57,8 мм (за 20 лет). Причем на смешанном микроландшафте (пашня с перелеском и лесами) при глубине до воды 3,1 м величина питания грунтовых вод сверху составила 16,2 мм за тот же средний гидрологический год.

В работе [5] приведены связи элементов баланса с метеоро­логическими факторами. Там же даны схематические карты инфильтрации осадков и испарения грунтовых вод, а также среднемноголетних величин местного пополнения подземного стока в бассейне р. Купавинки.

При составлении детальных карт элементов баланса необ­ходимо выполнять следующие требования:

Рис. 20. График связи средних многолетних коэффициентов инфильтрации осадков (tIwjo) и испарения (r)u0) грунтовых вод за гидрогеологический год со средней за ^О-летие глубиной до воды:

1 — для хвойного леса; 2—для леса с полями; 3 для полей со смешанным лесом; 4 по усредненным данным расчета; S -9 — расчетные коэффициеты инфильтрации осадков и испарения грунювых вод дія (5—хвойного леса. 6 - леса с полями и большими полянами, 7— полей со сметанным лесом, 8 забо­лоченных массивов вдали от рек, 9 заболоченных массивов по усредненным данным вдали и вблизи рек), 10 /2—области, отвечающие среднему многолетнему пигаиию грунтовых вод сверху или подземному стоку для (10- хвойного леса, 11— леса, чередующегося с полянами, 12— полей с небольшим лесом). Норма осадков за средний гидрологический год составляет 610,7 мм

А) на данном водосборе должно быть достаточное число наблюдательных скважин, позволяющих выделить такое ко­личество расчетных элементов потока, чтобы охватить все гидрогеологические районы, подрайоны и участки;

Б) по данным подготовительных исследований, которые предшествуют изучению баланса грунтовых вод, должны быть составлены карты распределения по площади бассейна ведущих факторов (например, геоморфология микрорельефа, литология пород зоны аэрации и водоносных пород, гидрогеология, глубины до воды, растительность, хозяйственные факторы, водозаборы, орошаемые и осушаемые земли и т. п.).

Число расчетных участков с различной глубиной до воды (от 0,5 до 10 м и более) при прочих равных условиях долж­но быть в районе не менее 5—10. Соответствующее чис­ло расчетных точек (более 5—10 значений отдельных эле­ментов баланса при известных глубинах до воды) позволяет произвести графическое построение надежных кривых связей (см. рис. 20 и 19).

При составлении карт элементов баланса грунтовых вод за конкретные годы кроме карт годовой инфильтрации осадков Еи^Ат, расходования грунтовых вод на испарение за год ХиАВ должна быть построена карта годового изменения запаса грунтовых вод ЕрАЯ, а также карта местного пополнения О —О

Подземного стока '-Д/ за тот же год. Последняя из этих

F

Карг получается в процессе наложения (совмещения) карт величин EvvjAt, £мАЗ и £рАЯ и расчета для каждого из участков величины

2 Яі~9і д/ = дт _ £МДЗ _ 1МА#. (195)

F

Рекомендуется также составление отдельной (промежуточ­ной) карты годового питания грунтовых вод сверху XwAt = = Lw1Ax —SmA9 путем совмещения карт инфильтрации и испа­рения и вычисления искомой величины по этому равенству. Вычисления удобно производить в точках пересечения изолиний градаций величин Lh-jAt и

Карта норм питания грунтовых вод сверху (и>А0о> по существу, представляет собой карту местного пополнения подземного стока или карту величин среднемноголетнего подземного стока с расчетных участков.

Если за каждый год, предшествующий составлению карты нормы питания, составляются соответствующие годовые карты величин питания, то основная из этих карт строится путем совмещения всех годовых указанных карт между собой и проведения контуров градаций величин по средним линиям среди годовых контуров.

При наличии перетекания грунтовых вод в бассейне реки учитывается величина еА/ и составляется карта этой величины, как указано выше, с использованием формулы (184). В правую часть формулы (195) добавляют слагаемое — "LeAt, вычисляемое по данным расчета величины г»А/ на каждом элементе потока за промежуток времени At данного годового цикла. Карта годовой величины ЕєАt также совмещается (накладывается) с картой величины питания сверху и картой изменения запасов грунто­вых вод ХрАЯ для оценки горизонтального стока —At.

Обзорные карты элементов баланса грунтовых вод (в масштабе 1:100000—1:2500000) в основном предназначаются для региональных оценок баланса подземных вод больших территорий, изучения закономерностей формирования подзем­ного стока в артезианских бассейнах, для составления регио­нальных гидрогеологических прогнозов режима баланса круп­ных регионов и т. п.

Составление таких карт должно базироваться на корреля­ционных связях безразмерных коэффициентов инфильтрации

Атмосферных осадков KWi=—100 = r|Wi и испарения грунто­вых вод — 100 = г|ы с мощностью зоны аэрации z и

1С

Рис. 21. Графики связи коэффициентов инфильтрации осадков с мощностью зоны' аэрации для районов, расположенных на юго-востоке европейской части СССР:

1- междуречья; 2 Хвалымская равнина; 3 аллювиальные террасы; 4 6- средние значения коэффи­циентов инфильтрации дня (4 междуречий в суі липках, 5 Хвалынской равнины в суглинках и песках, б--аллювиальных террас в песках)

Гидрометеорологическим районированием территории. В общем случае балансы грунтовых вод составляются для любых лет (годовых циклов). При этом указанные коэффициенты вычис - 118

Z. M

T « » « і ї ї < і і « t t і » t tiii' її ї ї ( t і і

1 3 5 7 $ 11 13 15 17 19 21 23 25

Рис. 22. График связи отношения питания грунтовых вод к инфильтрации осадков для среднего по водности года с мощностью зоны аэрации:

/- для аллювиальных террас: 2— для междуречий; 3—для Хвальшской равнины; 4—б - средние значения отношений Х,'т| для (4 — аллювиальных террас в песках, 5 — междуречий — в суглинках, 6 - Хвалынском равнины - в суглинках и песках)

Ляют для данного года і, для которого используются соответ­ствующие годовые суммы осадков Хь инфильтрации (Еи^Дт),- и испарения

Однако, учитывая недостаточную изученность режима под­земных вод в многолетнем разрезе на ряде обширных территорий поверхностных и подземных водосборов, можно прийти к выводу о целесообразности начинать картографиро­вание со среднемноголетних балансов подземных вод, для которых величиной годового изменения уровня грунтовых вод можно пренебречь, т. е. считать величину ЪШ за год равной нулю. После картирования норм питания и стока вод следует вычислять вероятные отклонения от них.

Иллюстрацией региональных связей коэффициентов ин­фильтрации осадков с глубиной до воды, т. е. кривых Г|„, ~/(z)> для юго-востока европейской части СССР может служить рис. 21. Этот график составлен по данным расчета элементов баланса режимных наблюдений за колебанием уровня грунто­вых вод в средней части Прикаспийской низменности, на Волго-Донском и Терско-Кумском междуречьях и Черных землях в Прикаспии.

Представляют интерес и графики связи отношения величины питания к величине инфильтрации осадков для среднего по
водности года с мощностью зоны аэрации (рис. 22). Указанное отношение записывается в виде

У = 100, (196)

(Еи',Дт)0

Где (Хн'Аг)0~ годовая норма питания грунтовых вод сверху для расчетного участка; (1и,1Ат)0 — годовая норма инфильтрации осадков до грунтовых вод на том же участке.

Из этого графика следует, что при одних и тех же глубинах до воды (3—5 м) испарение имеет меньшее значение в формировании питания и стока в условиях песчаного разреза зоны аэрации и водоносных горизонтов, чем в условиях суглинистого строения (террасы рек Терека, Кумы и др.). Поэтому уже на глубине 4 5 м относительное питание грунтовых вод для песчаного разреза близко к 95—100% от величины инфильтрации. При пестром составе водоносных пород и зоны аэрации (суглинки, пески на Хвалынском равнине) этот коэффициент достигает той же относительной величины только при глубинах до воды 9—11 м.

Наконец, при суглинистом составе зоны аэрации и водо­носных горизонтов (междуречья Волги, Дона и другие районы) испарение грунтовых вод полностью прекращается и относи­тельные величины питания достигают 100% при глубинах до воды 12—13 м.

По данным многочисленных расчетов величин интенсивностей инфильтрации осадков и^ и испарения грунтовых вод и, выполненных по режимным наблюдениям с помощью анали­тического метода, для части территории СССР произведена

Корреляция коэффициентов г|и. =-и'Лт-100. Хи = • 100 с

1 X Ew'j Ах

Мощностью зоны аэрации (рис. 23, 24) [5].

Для грунтовых вод центральных, северо-западных районов европейской части СССР, включая Прибалтийские республики, коэффициент корреляции величины lgt|w с глубиной до воды 2 составил г — —0,78 (при п = 51, где п— число пар коррелируемых величин), и для связи lg? iu С z г=—0,62 (при п= 37). При расчетах указанных коэффициентов брались вычисленные в элементах потока годовые суммы инфильтрации осадков, испарения грунтовых вод и годовые суммы атмосферных осадков. При таком же анализе результатов балансовых расчетов по юго-востоку европейской территории СССР ис­пользовано 40 расчетных годовых балансов грунтовых вод в разных пунктах и за разные годы.

Коэффициент годовой суммы инфильтрации осадков для центральных и северо-западных районов европейской части СССР, включая Прибалтийские республики, связан с глубиной до воды z следующим образом: 120

TiWi = ехр (3,380 - 0,294 2 ± 0,476). (197)

Инфильтрационный коэффициент годового испарения грун­товых вод для тех же территорий

Хи = ехр (5,02 — 0,522 z ± 0,506), (198)

Где Хц = |"^-100.

Б

Рис. 23. Корреляция величин lgT]H. (а) и lg/.u (б) с глубиной до воды г для районов, расположенных на северо-западе европейской части СССР, включая Прибалтийские республики (1), на юго-востоке европейской части СССР (2), в Литовской (3) и Белорусской ССР (4)

Еи^Дт

Рис. 24. Зависимость усредненных коэффициентов (К) элементов баланса грунтовых вод от мощности зоны аэрации для северо-запада, включая Прибалтийские республики (а) и юго-восток европейской части СССР (5):

1—5—коэффициенты (1 инфильтрации осадков г|„.г 2—испарения грунтовых вод Л'„, 3- питания грунтовых вод сверху или восполнения подземного стока К,=г|„.1 — *■„); 4 -5 — эпюры подземного стока (4 восполнения, 5 расходования притока на испарение)

На основании указанных зависимостей средних величин исследуемых коэффициентов от глубины до воды (без учета поправок) были построены графики усредненных за многолетие коэффициентов годовых сумм инфильтрации осадков, испарения грунтовых вод совместно с оттоком влаги в зону аэрации, изменяющихся по глубине для северо-запада, запада и юго - востока европейской части СССР (рис. 24). Корреляционные зависимости балансовых коэффициентов от глубины до воды для других районов СССР даны в работе [5].

Коэффициент испарения грунтовых вод Ки = - . взятый по

Отношению к осадкам расчетного года:

TOC \o "1-3" \h \z Ки = ЦщК, (199)

А коэффициент питания грунтовых вод сверху за тот же год составляет

V _£п-А/ ІК',АТ ЪиАЪ v onm

Avw р —J ^ '

Полученные из уравнений типа (197), (198) и (200) коэффи­циенты (без поправок) rj „, Хиср

И Kwt ср для каждого района СССР, по существу, представляют собой нормы этих коэффи­циентов за многолетие по площади, используемые при карто­графировании элементов баланса грунтовых вод. Эти коэф­фициенты в дальнейшем будут обозначаться так: т]и, і0 = ^-иО» K\vt О* 122

Для нормы (среднемноголетнего значения во времени и для данного региона) относительной величины питания грунтовых вод сверху или величины пополнения подземного стока дейст­вительно соотношение

Kwt0 — Kq0 — - — t\w-о~ Ки0, (201)

Ло

Где индекс «0» обозначает норму.

Для определения среднемноголетнего расхода подземных вод в замыкающем сечении потока необходимо на карте распрост­ранения Kq0=f(z) измерить площади полей щ с разными значе­ниями коэффициента KqQi и вычислить результаты по формуле

В

£ Kq o {О,-

К, 0 = -^--, (202)

Где щ—площадь градации данной величины Kq0i на карте;

П

Ещ=0—общая площадь водосбора; п—число градаций ко - 1

Эффициента внутри контура бассейна.

В работе [5] проанализированы корреляционные связи вели­чин питания грунтовых вод с речным стоком в бассейне р. Купавинки, впадающей в р. Клязьму. Бассейн площадью 50 км2 сложен флювиогляциальными песками мощностью до 30 м. Наблюдательные скважины были расположены в створах по потоку грунтовых вод с расстояниями между ними 0,8—1,5 км; средняя глубина до воды 3,1 м.

По значениям модулей речного стока (за период 13 лет) (у = Мр) и годовому изменению запасов грунтовых вод (х = [хАН) получено уравнение регрессии

J = 0,324x+5,415+1,17. (203)

Коэффициент корреляции г = 0,75, среднеквадратичная по­грешность последнего гаг = 0,118, число пар значений (х, у) в коррелируемых рядах и =14.

Нахождение региональных зависимостей режима грунтовых вод от стока рек позволяет сократить число наблюдательных пунктов (скважин) на подземные воды или оборудовать за счет них дополнительно на неизученных водосборах аналогичные пункты.

Менее тесная корреляция отмечалась между годовыми величинами питания грунтовых вод HwAt и речного стока Yp. Коэффициент линейной корреляции для указанных величин и периода наблюдений составил г = 0,64; средняя квадратическая погрешность последнего тг— ±0,158, уравнение регрессии

У = 0,0369х + 4,918 +1,73, (204)

Где у = Мр; x = T, w&t.

Для подготовки исходных данных к составлению обзорных карт элементов баланса грунтовых вод большое значение имеют исследования корреляции норм питания грунтовых вод с гидро­метеорологическими факторами, а также оценка изменчивости элементов баланса грунтовых вод во времени и в пространстве [5 ].

Норма питания грунтовых вод сверху для любого участка су­ши определяется из уравнения типа (157) при Dlo = 0, D2, о = 0 в виде

(wAt)0 = X0-Z0-Yaoa0, (205)

Где Z0- норма суммарного испарения с поверхности за вычетом конденсации водяных паров на поверхности и в зоне аэрации; Гпов0 — норма поверхностного (склонового) стока с данной территории.

В среднем за многолетие изменения запасов поверхностных вод и влагозапасов в зоне аэрации принимаются равными нулю, так как в многолетнем ряду встречаются годы с положитель­ными и отрицательными значениями величин и D2 (индекс «0» означает норму данной величины). Безразмерные коэффициенты

Ka = X0/{X0-Z0)-, А'р— Ypa/X0 и Kz = Z0!X0 (206)

Связаны между собой следующим образом:

Кр = ±; = Kz + Kp = 1, (207)

Где Ка — коэффициент бессточности участка (района) суши; Кр — коэффициент речного стока; Kz—коэффициент суммарно­го испарения.

Так как исходные данные по элементам водного баланса Х0, Z0, Гпов0, и Yp взяты на основании экспериментальных определений, то получаемая из уравнения (205) величина нормы питания грунтовых вод сверху принимается также по экспери­ментальным данным. В соответствии с этим мы имеем право безразмерный коэффициент питания грунтовых вод

I/ Xo — Zo— ^повО /ОАОЧ

Лшг(Ьксп v (ZU5)

Считать среднемноголетним показателем величины питания, который вычисляют по экспериментальным данным для круп­ного водосбора.

В работе [5] определены коэффициенты корреляции величин х

Kwt о эксп и —для средних рек бассейнов морей: Белого и

■Хо — ^о

Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского, Каспийского и

Западной части Карского, а также р. Волги.

124

Рис. 25. Графики связи коэффициентов питания грунтовых вод с обрат­ной величиной коэффициента речного стока по данным корреляции двух переменных величин (I) и по режимным данным гидродинамического анализа (II) с учетом поправок на осадки для речных бассейнов, находящихся в бассейнах морей;

I - Белого и Баренцева; 2--Балтийского; J Черного и Ачовского; 4 — Каспийского; 5 — Карского (западная часть); 6— р. Волій

На рис. 25 показаны результаты расчета усредненного по площади и во времени коэффициента Кт0, определенного аналитическим методом, исходя из данных режимных наблюде­ний за грунтовыми водами.

Х

При числе пар « = 84 значений и —- был получен

Aq—-ZQ

Коэффициент корреляции г = —0,835; средняя погрешность по­следнего mr= ±0,032.

Уравнение регрессии имеет вид

КтОэксп = 0,123-0,0097±0,022. (209)

Сопоставление коррелируемого коэффициента Kwt0aксп с расчетным значением Kwt0, полученным по режимным данным для крупных регионов (см. рис. 25), указывает на их близкое сходство. Это обстоятельство открывает возможность широко распространять по территории коэффициенты питания грунто­вых вод, полученные по режимным данным.

X

Полученные зависимости величин Kwt0эксп от — -— или

Лq—ZQ

X — Z

—5 использованы для районирования части территории

Xq

СССР и составления обзорных и схематических карт питания грунтовых вод сверху [5].

При региональной оценке изменчивости во времени и в пространстве элементов баланса грунтовых вод используется массовый материал по режимным наблюдениям, проводимым в разных природных условиях и в течение различных лет. Для решения вопроса об изменчивости величин этих элементов наиболее пригоден вариационно-статистический метод, в част­ности, метод построения кривых обеспеченности исследуемых величин. Этот метод применялся в центральных, северо-запад­ных и юго-восточных районах европейской части СССР, включая Прибалтийские республики.

По данным наблюдений за изменением уровня грунтовых вод на сети скважин (по 51 участку—в центральных и северо-западных районах и по 40 участкам в юго-восточных районах) аналитическим методом определены величины lgr]Wi за отдельные годы.

Показатель точности исходных данных для этих регионов составил 4,1-4-4,5%, коэффициент вариации 28,9 — 28,2%. Результат такого анализа изображен графически на рис. 26. На основании этих данных можно сделать следующие выводы.

Кривые обеспеченности величин lgT|Wi близки к прямым линиям, а величин TjWj— к степенным функциям.

Так как верхний предел величины rjWj —100% от осадков, то пользоваться данным графиком целесообразно в пределах 5 — 95%-ной обеспеченности.

3 Максимальный размах колебаний коэффициента годовых величин инфильтрации, происходящих при совместном влиянии смены водности лет и глубин до воды на разных элементах рельефа и при других факторах, равен 12-кратному для центральных и северо-западных и 14-кратному для юго-восточ - ных районов европейской части СССР. При этом минимальный для маловодного года предел этого коэффициента (4,6 — 5,5%) взят при обеспеченности 95% (повторяемость—один раз в 20 лет или один из 20 вариантов) и максимальный предел для многоводного года (55 — 76%) — при обеспеченности 5% (также один раз в 20 лет).

Максимальное отклонение коэффициента инфильтрации от среднего значения для центральных и северо-западных районов составляет 55—13,9 = 41,1%, а юго-восточных районов 75,9— 17,8 = 58,1%. Максимальные значения величин rjWj взяты при 5%-ной обеспеченности.

Средний многолетний коэффициент годовой инфильтра­ции осадков для центральных и северо-западных районов, составляющий 13,9%, отвечает средней глубине до воды 2,6 м, а для юго-восточных районов, равный 17,8%, соответствует средней глубине 4,4 м от поверхности и обеспечен примерно на 50%. Этот коэффициент под влиянием совместного воздействия 126

Рис. 26. Кривые обеспеченности lgriw (1—2) и г|и, (3— 4) для различных районов европейской части СССР: 1 1

/—северо-западного, включая Прибалтийские республики; 2- юго-восточного; 3— цен грального и северо-западного, включая Прибалтийские республики; 4 — юго-восточного; р~- обеспеченность

Изменений водности лет и глубин до воды при обеспеченности в 5% увеличивается почти в 4 раза. При переходе от обеспечен­ности 50% (1 раз в 2 года) к обеспеченности в 95% (1 раз в 20 лет) средний годовой коэффициент инфильтрации уменьшается почти в 3 раза.

Если обратиться к эмпирическим уравнениям связи коэффи­циента инфильтрации с глубиной до воды [см. формулу (197)], то легко заметить, что средние расчетные отклонения этого коэффициента от среднего за весь ряд значения определяются средней ошибкой уравнения регрессии. Эти отклонения уклады­ваются в пределы 20 — 90% от величины ординат рассмотрен­ной кривой обеспеченности (см. рис. 26).

Таким образом, пользование средней погрешностью уравне­ния регрессии типа (197) позволяет учитывать диапазон изменений водности лет и одновременно изменчивость гидро­геологических условий инфильтрации осадков с поверхности для данного региона.

Приведенный выше график обеспеченности величин коэффи­циента инфильтрации осадков (см. рис. 26) может служит для внесения поправок к средней величине TjWiCp, получаемой из уравнения (197), для учета заданной обеспеченности.

Например, зная норму коэффициента инфильтрации осадков rjWi0 и модульный коэффициент искомой величины Ks—f{p), гдер—обеспеченность коэффициента инфильтрации (%), кото­рый берут, зная р, из расчетной таблицы [5], находим значение коэффициента инфильтрации заданной обеспеченности по формуле

TlwlP=^sTWo> (210)

Где т| н, i р—коэффициент годовой инфильтрации осадков задан­ной обеспеченности р, %; Ks—модульный коэффициент той же обеспеченности р; ilWi0 — норма коэффициента годовой ин­фильтрации осадков.

При составлении обзорных карт элементов баланса грунто­вых вод используют указанные выше безразмерные коэффи­циенты KWj, Ки, v и др., а также районирование территории по величине атмосферных осадков и глубинам до воды.

Для крупных территорий, включающих в себя несколько бассейнов средних рек и разные ландшафты, строят карты х

Величины Ка= — С этой целью используют карты норм

Атмосферных осадков Х0 и суммарного испарения Z0, а для гумидных регионов—речного стока /р0. Масштаб таких карт тот же, что и для составляемых карт норм питания грунтовых вод

В процессе составления таких карт совмещаются карты осадков и суммарного испарения. В точках пересечения изо­линий норм осадков и суммарного испарения вычисляют значения коэффициента Ка. На основании таких построений и расчетов выделяются районы с теми или иными градациями х

Величины Ка — 0—.

Далее, пользуясь графиком связи АГ№10=/(^-) (см.

Рис. 25), для каждого выделенного по величине коэффициента Ка гидрометеорологического района с указанного графика снимают соответствующее значение Kwt0. Таким образом, получают карту среднемноголетних относительных величин питания грунтовых вод сверху.

Наконец, для построения карты норм питания грунтовых вод (Еи'А?)0 необходимо в каждом районе на предыдущей карте определить диапазон (пределы градаций) норм атмосферных осадков и вычислить нормы питания грунтовых вод по формуле

(~LwAt)Q = KwAt0X0, (211)

Где KwAt—коэффициент питания грунтовых вод, снимаемый с графика (см. рис. 25); Х0 норма осадков в данном районе.

Для территорий с отсутствием рек коэффициент KwAt0 показывает, какая часть выпадающих осадков достигает уровня грунтовых вод путем инфильтрации с поверхности при условии, 128 что X0>Z0. В условиях превышения суммарного испарения над осадками Z0>X0 этот коэффициент выражает долю участия грунтовых вод в общем расходе влаги из зоны аэрации на испарение с поверхности.

Вместо формулы (211) для расчета нормы питания грунто­вых вод сверху можно воспользоваться формулой

(ZwAt)0 = K'Wbt0Ip о, (212)

Где K'Wb,0= — усредненный за многолетие коэффициент

Xq — Zq

Питания грунтовых вод, взятый по отношению к норме речного стока; /р0— норма речного стока или разности Х0 — Z0.

Вычисление значений величины K'w&t0 производится по формуле

— ЛН, д(0 —- _7 7 •

Ло ^о

При расчете коэффициента нормы питания грунтовых вод сверху поступаем следующим образом.

При наличии ранее определенной связи инфильтрации осадков, а также испарения грунтовых вод со среднегодовой глубиной до воды выбирают соответствующую эмпирическую

Формулу для величин Г|н, і0= и Ки0= подобную

Уравнениям (197) и (198), далее по разности их находят ереднемноголетний коэффициент питания грунтовых вод сверху

KWA,0 = T\Wl0 — Ku0= — ---—. (214)

Л о

Эта формула аналогична формуле (200), но выражена для норм ее слагаемых.

Для каждого гидрометеорологического района (с определен -

Х

Ной величиной или градацией коэффициента Ка0 = - и

Xo-Zo

Крайних значений величины Kw&t0 рассчитываем искомый коэффициент по формуле (213).

В целях установления региональных закономерностей фор­мирования баланса подземных вод в пределах крупных природ­ных зон, оценки водного баланса и подземного стока систем артезианских бассейнов и решения задач по прогнозу изменений водных ресурсов в региональном плане весьма важны схемати­ческие карты регионального баланса подземных вод [5], состав­ляемые в масштабе 1 : 1 ООО ООО и мельче. Методика составле­ния таких карт, иллюстрированная примерами, в качестве образца дана в работе [5].

Для построения схематически к карт питания в качестве исходных используют карты районирования территории в масштабе 1 : 1 ООО ООО и мельче (гидрогеологических структур, геоморфологии, распределения осадков, испарения, речного стока, подземного питания рек), а также систематизированные по районам и регионам многолетние данные о режиме, балансе грунтовых вод в виде абсолютных величин и относительных (безразмерны*) коэффициентов питания грунтовых вод, отнесен­ных к осадкам KwAt0 и речному стоку K'wAt0. Подобно составлению обзорных карт баланса, производится гидро -

X

Метеорологическое районирование по величине — 0 - и речному

А'0 — Z0

Стоку.

Для каждой зоны или региона определяют коэффициент Kw&tисходя из графика связи этого коэффициента с X

Величиной - - (см. рис. 25). Затем вычисляют аналогичный

А(|- Z0

Коэффициент по отношению к речному стоку или разности (Х0 - Z0) по формуле (213) и выбирают характерное (часто встречающееся) значение последнего коэффициента для каждой зоны.

Величину нормы питания грунтовых вод в пределах зоны региона вычисляют по формуле (212).

Кроме схем регионального районирования территории по

Коэффициентам А'()й== —- , А';.Л1()= f^5 и значению

Л0 Z. Q Л 0 /о - т> О

Составляют схемы распределения зональных годовых норм питания (в мм/год) грунтовых вод сверху, а также среднемного­летнего площадного питания глубинного стока подземных вод или перетекания грунтовых вод по вертикали. Последнее рассчитывается предварительно для каждой гидрометеорологи­ческой зоны или области по формуле (184). Указанные схемы для части территории СССР даны в работе [5].