Оценка баланса подземных вод

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ БАЛАНСА ГРУНТОВЫХ ВОД

Расчет баланса грунтовых вод выполняется на последней стадии его изучения, когда уже проведены наблюдения за режимом этих вод, организованы и выполняются исследования динамики влаги в зоне аэрации, а также выполнены опреде­ления отдельных элементов общего водного баланса в опорных наблюдательных пунктах: балансовых участках — элементах потоков, представительных бассейнах малых и средних рек.

Методы изучения баланса грунтовых вод детально рас­смотрены в работах [4, 5]. В данной работе получили дальнейшее развитие гидродинамические методы, основанные на анализе режима грунтовых и напорных вод, а также приближенные методы, например приведения грунтового или напорного потока к неограниченному в плане с использованием данных наблюдений за режимом вод в одиночных скважинах. Для применения гидродинамических методов на практике должны быть известны результаты режимных наблюдений, гидрогеологические параметры и расчетные схемы движения подземных вод в плане и разрезе.

Для оценки баланса подземных вод в условиях грунтового потока используют следующие основные коэффициенты: уров - непроводности а; фильтрации основных водоносных к и 12 слабопроницаемых пород разделяющих их слоев к0; гравита­ционной емкости (водоотдачи) ji; приведенный коэффициент вертикального водообмена между смежными водоносными горизонтами с. Для оценки баланса напорных вод применяются коэффициенты пьезопроводности напорного водоносного пласта а*; упругоемкости (упругой водоотдачи) водоносного пласта }і*; приведенный коэффициент вертикального водообмена меж­ду данным водоносным пластом и смежным с ним пластом сн.

Большинство указанных параметров определяются по ре­жимным данным исходя из колебаний напоров (уровней) и значений коэффициентов водоотдачи ji и |і *.

Основные дифференциальные уравнения неустановившегося движения имеют вид: для грунтовых вод

(О

Для напорных вод

Tx = k'xm\ Тук 'упи

(2)

Где h — мощность грунтового потока, м; t—расчетный про­межуток времени, сут; Тхг и Туг — компоненты водопроводи - мосш грунтового потока по осям координат х и у, м2/сут; и' — интенсивность питания грунтовых вод сверху, м/сут; к0п — коэффициент фильтрации слабопроницаемых пород по вертикали для подошвы грунтового потока, м/сут; hn и //„ — напор воды в подошве водоносного пласта, м; Нп—от­метка уровня напорных вод, м; НК — напор воды в кровле водоносного пласта, м; Тх и Ту—компоненты водопроводи - мости напорного водоносного пласта по осям координат х и у, м2/сут; к'0к и k оп — коэффициенты фильтрации слабопроницае­мых пород по вертикали для кровли и подошвы первого напорного пласта, м/сут; m — мощность напорного водоносного пласта, м; к'х и к'у — коэффициенты фильтрации для напорного пласта пород в направлении осей координат.

Начало координат х, у и z для грунтового потока находится на его горизонтальной подошве; для напорных вод—на горизонтальной подошве первого от поверхности напорного потока — поверхности второго разделяющего слоя слабопро­ницаемых пород (рис. 1); при совместном рассмотрении грун­товых вод и напорных вод начало координат—на горизон­тальной подошве грунтового потока.

Рис. 1. Схема выделения расчетных элементов грунтового и подстилающего напорного потоков при одномерном движении подземных вод:

I водопроницаемые породы; 2 3 элементы потоков (2 грушового, 3 напорного); 4 5 слабо­проницаемые породы разделяющих слоев (4 первого, 5 - второго); 6- уровень грушевых вод в момеш времени />0; 7 8— уровни напорных вод (в момент времени г>0) напорных потоков (7 первого от поверхност и. 8 второго от поверхности); 9 кус г наблюдательных скважин, оборудованных фильтрами, и их номера; 10 напор межпластовых вод.

Е и г." ипіенсивносіи перетекания грунтовых и напорных вод через разделяющие слои слабопроницаемых пород; Q|, б, к, Q2 и QlH - расходы грунювых и напорных вод. приіекающих через сечение М и вытекающих через сечение N

Для жесткого режима фильтрации [1 ] пренебрегают дефор­мацией пород разделяющих слоев и изменением их упругой емкости в процессе неустановившегося движения. При этом допускают, что скорости фильтрации воды через поверхность подошвы грунтового потока, кровлю и подошву напорного потока, а также в самих разделяющих слоях обратно пропор­циональны мощностям соответствующих слоев топ, т'0к, т'0п и прямо пропорциональны величинам падения напоров воды

Cm приходящихся на эти слои.

С учетом изложенного выше, последнее слагаемое в правой части уравнения (1), выражающее интенсивность перетекания грунтовых вод по вертикали, заменяется величиной —є, третье и четвертое слагаемые правой части уравнения (2), выражающие интенсивности вертикального перетекания вод через кровлю и подошву напорного потока, заменяются величинами є' и —є": 14

Г

Є'

Величины с, е' и е" характеризуют интенсивности верти­кального перетекания воды через границы разделяющих слоев.

В уравнениях (1) и (2) величины перетекания по вертикали могут быть положительными и отрицательными в зависимости от направления движения фильтрующейся воды.

При увеличении напоров воды в направлении, обратном направлению координатной оси ог, расходы перетекающей воды положительны и направлены вниз. При движении воды вверх напоры увеличиваются, двигаясь сверху вниз, расходы є, є' и е" становятся отрицательными и направлены вверх.

М)

Величины С]'к и представляют собой разности отметок соответственно зеркала грунтовых и уровня (отметки) напорных вод или отметок уровня напорных вод верхнего и данного (исследуемого) водоносного горизонта и, наконец, разность отметок уровней напорных вод второго и третьего горизонтов напорных вод. Поэтому признаками нисходящего перетекания вод являются неравенства:

Сп>0; Ск>(); С>0.

Признаки восходящего движения вод через разделяющие слои слабонроницаемых пород—условия:

Сп<0; с;<0; £<0.

Для получения величин С^, Q надо из отметки уровня воды вышележащего горизонта вычесть отметку уровня вод нижележащего горизонта.

При подстилании подошвы грунтового потока непосредст­венно напорным водоносным горизонтом величины £ и є' (при жестком режиме фильтрации в разделяющем слое пород) равны между собой, а также и к0п~к'0к, Јtt = С'к. т0п = т'0к.

Главнейшими элементами баланса грунтовых вод, входя­щими в уравнения (1) и (2), являются: инфильтрация атмос­ферных осадков или поливных вод с поверхности H'j t\ расход грунтовых вод на суммарное испарение или передвижение их в

О

Зону аэрации ut\ горизонтальные приток ~t (где F—расчетная

F

Площадь участка в плане) и отток 1 за период времени

F

Вертикальное перетекание грунтовых вод в подстилающий часто

Напорный водоносный горизонт при £/> 0 или восходящее подпитывание грунтового потока напорной водой снизу при ££<0. Интенсивности всех элементов принято измерять в миллиметрах в сутки.

В общем виде баланс грунтовых вод для участка суши или элемента потока площадью F за время At выражается так:

ЦАН^1 QlAt + wL At - єД/. (6)

F

Это уравнение аналогично уравнению (1).

Левая часть уравнения (6), которое аналогично уравнению (1), выражает собой изменение запаса грунтовых вод в элементе или участке за время At. Величины Ах и $—отрезки общего времени At, на протяжении которых наблюдались соответст­венно инфильтрация осадков или испарение воды, причем

At = Ах + AS; (7)

WAt = wtAx — мА9. (8)

На рис. 1 приведена схема расчетного элемента одномерного в плане потока грунтовых вод, имеющих переток вниз в напорный поток (межпластовый водоносный горизонт). Здесь по направлению потока грунтовых вод заложен створ кустовых скважин, режимные данные по которым позволяют рассчитать положительное и отрицательное питание грунтовых вод и разность между их притоком и оттоком в горизонтальном направлении, а также перетекание по вертикали.

Основными элементами баланса напорных вод по каждому горизонту являются: питание данного водоносного горизонта сверху за счет перетекания вниз части грунтовых вод £'; перетекание напорных вод вниз, в подстилающий водоносный

Горизонт є"; горизонтальные приток — и отток напорных

F F

Вод (см. рис. 1). Алгебраическая сумма указанных элементов составит изменение упругих запасов напорных вод за тот или иной отрезок времени At.

По аналогии с уравнениями (2) и (6) имеем для напорных вод данного горизонта уравнение баланса

Ц *АЯИ = At+в'At - г"At. (9)

При положительных значениях элементов баланса алгеб­раические знаки перед ними в уравнении (9) остаются, при отрицательных — изменяются на обратные.

Определения величин элементов баланса грунтовых вод по режимным данным будут рассмотрены ниже при описании методов анализа режима этих вод. 16

Методы расчета величин питания грунтовых вод и оценки их баланса можно подразделить на две группы: точные и приближенные. Здесь не рассматриваются методы моделирова­ния, так как они заслуживают специального исследования и описания.

К точным относятся методы: конечных разностей; анали­тических решений дифференциальных уравнений неустановив­шегося движения вод; общего водного баланса, иногда допол­няемый лизиметрическим. К приближенным методам относятся: метод уравнений связи; метод приведения потоков подземных вод к неограниченному потоку в плане; упрощенный метод для одиночных скважин.

Расчетные схемы для грунтового потока и для напорного водоносного горизонта, находящегося ниже грунтового потока, приведены на рис. 1.

Определив для каждого расчетного промежутка времени At величины элементов баланса По формуле (6), подсчитывают их суммы за год. В результате получают: годовое изменение запаса грунтовых вод І. цЛН; годовую величину инфильтрации осадков, достигающих уровня воды, или инфильтрации по­ливных вод EvvjAt; годовую величину испарения грунтовых вод совместно с потоком влаги в зону аэрации ХмА9 годовую величину перетекания грунтовых вод по вертикали ЕєЛ/. За годовой цикл принимается гидрологический или календарный год (365 сут). Годовое пополнение подземного стока равно

S fii-fi'-Д/.

F