Оценка баланса подземных вод

Оценка баланса подземных вод

А. В. ЛЕБЕДЕВ

Оценка баланса подземных вод — количественное определе­ние его элементов, представляющих собой приход или расход масс воды, обусловливающих накопление или убыль водных запасов в балансовой области за расчетный промежуток времени. Такая оценка требует изучения режима подземных вод с широким применением теории неустановившегося движения.

Гидрогеологические исследования, проводимые в естествен­ных условиях для познания закономерностей формирования и распределения во времени и в пространстве подземных вод, а также для определения условий эксплуатации или управления их режимом, подразделяются на три основные стадии (этапы): 1) поиски; 2) разведка, 3) экспериментальные исследования в условиях эксплуатации.

Первая стадия исследований (поиски) проводится для обоснования схем строительства и технико-экономических докладов (ТЭД) с целью выявления перспективных водоносных горизонтов, способных удовлетворить потребность хозяйства в подземной воде. На этой стадии проводятся: гидрогеологиче­ские обследования, комплексные геологические и гидрогеологи­ческие съемки в мелком масштабе, проходка одиночных гидрогеологических скважин и геофизические работы в неболь­шом объеме.

На стадии поисков ведутся кратковременные наблюдения за естественными колебаниями уровня (напора), дебитом, темпера­турой и химическим составом подземных вод с помощью скважин и колодцев. По данным таких наблюдений, в течение года или сезона можно вычислить в первом приближении величину питания грунтовых вод [4]. На этой стадии сле­дует обосновать необходимость региональной сети наблю­дательных скважин и водомерных постов на реках, озерах и каналах, а также частично оборудовать их для последующих наблюдений.

Для предварительной оценки баланса подземных вод ис­пользуются результаты наблюдений за режимом вод в смежных и аналогичных районах, где указанные наблюдения уже организованы.

Вторая стадия исследований (разведка) проводится для оценки естественных ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод с целью обоснования проектов водоснабжения 6 или проектных заданий на строительство гидромелиоративных систем при орошении или осушении земель и т. п.

Кроме детальных гидрогеологических съемок на данной стадии выполняются опытные работы, например опытные гидрогеологические откачки, лабораторные и полевые фильтра­ционные исследования, тщательно изучаются условия эксплуа­тации водоносных горизонтов, возможность их загрязнения и способы защиты от него.

За основным (для водоснабжения) и смежным с ним водоносными горизонтами организуются режимные наблюде­ния. Наблюдательные скважины закладываются как в естествен­ных, так и в нарушенных условиях. Они должны обеспечить детальное изучение режима подземных вод и расчет их баланса на расчетных участках и на больших площадях водосборов.

Разведка подземных вод, в свою очередь, подразделяется на предварительную и детальную в зависимости от сложности природных условий, стадии проектирования и категории строи­тельства.

Результаты режимных наблюдений, проведенных в течение года и более, используются Для расчета гидрогеологических параметров (например, емкостный параметр ц, коэффициент уровнепроводности а и т. п.), а главное—для определения величин питания подземных вод сверху, их перетекания по вертикали, испарения и стока по горизонтали. Все это ис­пользуется при составлении баланса подземных вод в естествен­ных и нарушенных условиях, что позволяет детально исследо­вать процессы формирования подземных вод и их режим на выбранных территориях.

Стадия экспериментальных исследований при эксплуатации проводится с целью уточнения гидрогеологи­ческих параметров и элементов баланса подземных вод в районах крупных и сложных водозаборов. Эти исследования необходимы для обоснования прогноза условий многолетней работы указанных водозаборов, защиты их от загрязнения, преждевременного истощения запасов вод и т. п. На этой стадии проводятся исследования в условиях эксплуатации крупных и больших по площади гидромелиоративных систем при орошении и осушении земель с целью уточнения прогнозов режима вод. Особенно они нужны при расширении или реконс­трукции оросительной сети, дренажных сооружений и т. п.

Кроме систематических режимных наблюдений по сетям скважин, оборудованных на первой и второй стадиях исследова­ний, на третьей стадии расширяют сеть режимных наблюдений за искусственными факторами, например: за депрессиями напоров подземных вод, дебитом откачиваемых скважин, изменением качества и количества вод по сезонам года, а иногда и в течение ряда лет.

На орошаемых территориях ведутся наблюдения за элемен­тами водного и солевого баланса грунтовых вод, изменениями этих балансов под влиянием расширения оросительных и дренажных систем, а также за водоподачей на орошение, дренажным стоком и неблагоприятными последствиями мелио - раций — вторичным засолением почв и заболачиванием земель.

В районах действия крупных водозаборных сооружений или орошения и осушения выбираются типичные опытные балансо­вые участки для проведения детальных водно-балансовых исследований. По специальным программам организуются наблюдения за инфильтрацией осадков, поливных вод, потерей части речного стока, испарением, динамикой и балансом влаги в зоне аэрации, дренажным стоком и т. д.

В результате работ на стадии экспериментальных исследо­ваний уточняются эксплуатационные запасы пресных вод, а также оптимальные тины водозахватных сооружений, дрен и режим их эксплуатации.

Переходя к конкретным задачам оценки баланса подземных вод на разных стадиях, необходимо подчеркнуть единство понятий режима и баланса подземных вод.

Режим подземных вод — порядок изменения во времени количества и качества этих вод в конкретной природной и водохозяйственной обстановке. Баланс подземных вод количест­венно выражает собой комплексный процесс формирования этих вод, при этом он требует достоверных знаний о размерах и последовательности воздействия на изучаемые воды таких процессов, как инфильтрация осадков, поливных вод с поверх­ности, испарение с уровня грунтовых вод, перетекание по вертикали, горизонтальный сток воды в водоносном горизонте, а также генетические взаимосвязи подземных и поверхностных вод. Для интерпретации естественного режима и баланса необ­ходимы знания о природных факторах, таких, как гидрогеоло­гические, гидрологические и метеорологические условия, а для анализа нарушенного режима и баланса — об естественных и искусственных факторах. К искусственным факторам относятся: водоотбор из эксплуатационных скважин, приводящий к мест­ным и районным понижениям напоров воды; водоподача на орошение; дренажный сток и т. п.

Для оценки баланса подземных вод на изучаемой террито­рии необходимо:

Знание общих гидрогеологических условий района (нали­чие карт водоносных горизонтов, гидрогеологических разрезов и профилей);

Наличие данных о режимных наблюдениях за колебанием уровня грунтовых и напорных вод в виде годовых ведомостей срочных наблюдений и хронологических графиков изменения элементов режима как в естественных, так и в нарушенных 8 условиях, а также за ходом изменения во времени гидроло­гических, метеорологических и водохозяйственных факторов;

Установление количественных связей режима подземных с режимом поверхностных вод, колебанием метеорологических факторов и изменением во времени искусственных факторов;

Знание региональной (для крупных территорий) и локаль­ной (на расчетных участках) динамики подземных вод (карты гидроизогипс, гидроизоиьез, глубин до воды, водопроводимо - сти водоносных горизонтов и т. д.);

Знание параметров водоносных пород и грунтов зоны аэрации, которые в последующем должны уточняіься по режимным данным;

Проведение гидродинамического анализа режима уровня грунтовых и напора межпластовых вод с составлением их баланса по месяцам, сезонам года, годам и многолетиям;

Знание элементов общего водного баланса на поверхнос­ти, в зоне аэрации по участкам и гидрогеологическим регионам (осадки, испарение, водоподача на орошение, речной и дренаж­ный сток и др.);

Интерпретация и увязка расчетных балансов подземных вод с общим водным балансом речных водосборов;

Картографирование элементов баланса грунтовых и меж­пластовых вод основных водоносных горизонтов (инфильтра - ционного питания сверху, испарения грунтовых вод, вертикаль­ного водообмена грунтовых потоков с подстилающими водо­носными горизонтами, горизонтального подземного стока).

Перечисленные требования действительны для всех стадий гидрогеологических исследований, которые различаются между собой главным образом глубиной проработки и детальностью изучения. Последнее требование включает в себя отображение итогов предшествующих исследований, проведенных в данном или смежных регионах, и одновременно совпадает с формули­ровкой результата, ожидаемого от регионального изучения баланса подземных вод в целом.

Все конкретные задачи изучения баланса и режима подзем­ных вод можно объединить в две группы: региональные и специальные.

Первые из них охватывают крупные территории — бассейны средних (до 50 ООО км2) и крупных (более 50 ООО км2) рек, вторые возникают на малых водосборах площадью не более 1000 км2; различаются они глубиной и направленностью изуче­ния элементов водного баланса.

На стадии поисков выполняют следующие исследования регионального характера:

1) типизацию водных балансов и составление предваритель­ной характеристики основных элементов баланса грунтовых вод (питание сверху, испарение их и сток в зону аэрации, горизонтальный и вертикальный стоки или подток снизу напорных вод) по ключевым или расчетным участкам регио­нальных створов наблюдательных скважин, пересекающих геоморфологические районы по направлению потока вод;

Определение важнейших гидрогеологических параметров (коэффициент уровнепроводности грунтового потока, водоотда­ча, недостаток насыщения и т. д.) по режимным данным при пересечении региональным створом наблюдательных скважин рек, каналов, крупных озер и водохранилищ в прибрежных зонах;

Картографирование основных элементов баланса грунто­вых вод с использованием корреляционных связей расчетных элементов баланса грунтовых вод с мощностью зоны аэрации, речным стоком и метеорологическими факторами [5 ];

Систематизацию и обобщение результатов ранее прове­денных исследований режима и баланса грунтовых и напорных вод в данном и смежных с ним регионах для выбора значений параметров jj. (водоотдача пород или недостаток их насыще­ния), коэффициентов фильтрации пород, уровнепроводности потоков вод и т. п. для балансовых расчетов;

Обоснование состава и конструкции сети наблюдательных скважин и водомерных постов на открытых водотоках и водоемах для последующих длительных режимных наблюдений.

Главный результат регионального изучения баланса подзем­ных вод — выявление общих закономерностей формирования питания и стока подземных вод как в естественных, так и в регионально нарушенных условиях. Эти результаты являются основанием для планирования дальнейших поисков и разведки пресных подземных вод.

Содержание исследований специального назначения, которые выполняются для удовлетворения локальных запросов народно­го хозяйства, а также для научно-методических целей, определя­ется спецификой проектов водохозяйственных систем и инже­нерных сооружений, их воздействием на подземные воды при эксплуатации, а также необходимостью защиты геологической среды от загрязнения и преждевременного истощения запасов пресных подземных вод. Основные этапы специальных исследо­ваний приурочиваются к стадиям разведки и эксплуатации вод и сооружений.

В области водоснабжения специальное изучение баланса подземных вод выполняется преимущественно на стадии развед­ки и включает: 1) детальную оценку процесса формирования баланса грунтовых и напорных вод как в условиях естественно­го, так и нарушенного режима; 2) расчеты эксплуатационных запасов подземных вод и выявление генетических связей естественного и нарушенного режима и баланса этих вод с режимом водоотбора и другими факторами; 3) расчеты гидро - 10 геологических параметров в нарушенных условиях и прогноз их изменения в процессе эксплуатации; 4) оценку защищенности подземных вод от загрязнения и преждевременного истощения ресурсов вод; 5) выявление сезонной, годовой и многолетней изменчивости величин питания подземных вод сверху, а также перетекания напорных вод по вертикали; 6) оценку гидравли­ческой роли граничных условий в процессе эксплуатации водоносных горизонтов.

В районах орошения в засушливых зонах и районах осушения при избыточном увлажнении исследования ба­ланса подземных вод включают: 1) районирование территорий по условиям инфильтрации осадков и поливных вод, испарению грунтовых вод, вертикальному подтоку напорных вод и подземному стоку, предопределяющим мелиоративное состоя­ние земель; 2) обоснование режимов орошения и осушения земель; 3) обоснование мелиоративных мероприятий по борьбе с вторичным засолением почв и заболачиванием; 4) прогноз изменения режима грунтовых вод при реконструкции сущест­вующих и в условиях проектирования дополнительных мелио­ративных систем; 5) систематичедкий контроль за режимом подземных вод с помощью постоянной наблюдательной сети и водно-балансовой оценки текущего состояния земель и т. д.

При этом 2-й и 3-й пункты исследований выполняются совместно с изучением динамики водорастворимых солей в зоне аэрации, их баланса и другими почвенно-мелиоративными исследованиями.

Специальные балансовые исследования проводятся на опыт­ных балансовых участках, площадках и в опорных пунктах, размещенных в пределах мелиоративных систем и за их пределами. Размеры балансовых участков — от нескольких до 300 га и более.

Специальные балансовые исследования, подобные рассмот­ренным, предусматриваются отдельно для гидротехнического строительства, лесомелиоративных мероприятий, эксплуатации месторождений полезных ископаемых, на урбанизированных территориях и т. п. [4, 7].

Кроме опытных балансовых участков с определенными условиями эксплуатации сооружений и нарушенным режимом вод, специальные исследования проводят на опорных регио­нальных ключевых балансовых участках или научно-методи­ческих стационарах.

Назначение балансовых участков заключается в следующем: 1) систематическое определение большинства элементов вод­ного, теплового и солевого балансов основных водоносных горизонтов при естественном и регионально нарушенном режимах; 2) непрерывный и многолетний анализ генетических связей элементов баланса с гидрометеорологическими и водо­хозяйственными факторами; 3) экстраполяция результатов расчета элементов баланса по площали; 4) исследование режима подземного стока и его изменений в пространстве и во времени; 5) составление балансов подземных вод для изучаемой терри­тории, дополненное водно-балансовой оценкой динамики влаги в зоне аэрации; 6) подготовка исходных данных для составления прогноза режима грунтовых вод при заданных проектом изменениях водохозяйственных условий на больших терри­ториях.

Опорные балансовые участки успешно организуются и действуют наравне с опорной региональной режимной сетью. Весь комплекс методических вопросов, связанных с изучением баланса грунтовых вод, освещен в работах [2, 4—7].

Ниже будут рассмотрены методы оценки баланса подземных вод применительно к тем или иным гидрогеологическим моделям подземных потоков и стадиям изучения подземных вод с учетом специфики этого изучения при проведении водоснабжения и мелиорации земель.