Оценка баланса подземных вод

РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА БАЛАНСА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Выше были рассмотрены методы гидродинамического ана­лиза режима подземных вод и методика определения питания, перетекания и горизонтального подземного стока на расчетных участках (в элементах потока), в пределах которых имеется сеть наблюдательных скважин. При оценках горизонтального под­земного стока освещались вопросы определения стока грунто­вых вод на водосборах малых рек.

Вместе с этим весьма актуальна региональная оценка баланса подземных вод больших территорий—бассейнов сред­них рек, частей артезианских бассейнов. Сложность этой оценки связана с необходимостью охватить расчетами крупные геогра­фические регионы, на которых отсутствует детальное исследо­вание режима и формирования баланса подземных вод.

Региональная оценка питания и стока подземных вод необходима для изучения закономерностей формирования раз -

=І5 ЕЕЗ» GHEI7 ГШв EEEL

Риє. 17. Схема региональных потоков грунтовых и напорных вод:

1—3- породы (/ водопроницаемые. 2- относительно водоупорные в зоне активного водообмена, 3 - слабопроницаемые); 4— водоупорное ложе; 5- уровень грунтовых вод; б пьезометрическая поверх­ность напорных вод; 7- линии гока подземной воды; 8 питание грунювых вод сверху; 9- подошва подзоны балансовой области (дренирующего влияния речной еечй мелких и средних рек). І -ТІ - подзоны (I - дренирования мелкими н средними реками, II - глубинного стока к крупным рекам, большим озерам и морям)

Ных генетических типов этих вод, определения их запасов и ресурсов, составления региональных прогнозов изменения режи­ма вод в условиях широкого развития сельскохозяйственных мелиораций земель (орошение, осушение), организаций, водо­снабжения при гидротехническом, промышленном строительст­вах и т. п.

Сущность метода региональной оценки баланса подземных вод заключается в количественном определении для больших областей величин питания, горизонтального и вертикального стоков этих вод по данным режимных наблюдений в опорных пунктах, на соседних экспериментальных балансовых участках и репрезентативных бассейнах малых рек. В состав данного метода включается специальное картографирование элементов баланса подземных вод на картах разного масштаба. Это позволяет составлять прогноз элементов водного баланса во времени и в пространстве. Таким путем существенно повы­шается эффективность результатов стационарного изучения режима и баланса подземных вод, проводимого в опорных пунктах и на балансовых участках, гидрогеологических постах и в целом на территориях деятельности гидрогеологических стационаров.

Балансовую область на первом этапе исследований ограни­чивают сверху дневной поверхностью, снизу — подошвой верх­ней подзоны дренирующего влияния местной гидрографической сети; в плане границы области проводятся по водоразделам малых и средних речных бассейнов, а также по краевым линиям тока воды, направленным нормально к гидроизогипсам и гидроизопьезам и рекам (рис. 17). 104

Дренирующее влияние малых и средних рек (с площадью водосборов 1000—50000 км2) в разрезе ограничивается верхней подзоной зоны активного водообмена. Эта зона с пресными водами достигает большой мощности. Например, такие напор­ные воды в Московском и Прибалтийском артезианских бассейнах простираются до глубин более 200—300 м, что значительно превосходит мощность подзоны дренирующего влияния местной речной сети.

В такой подзоне в пределах водосборов малых и средних рек линии тока грунтовых вод направлены к рекам, которые дренируют эти воды. Ниже подошвы этой подзоны (см. рис. 17) линии тока глубже находящихся вод выклиниваются в более глубокие реки, крупные озера и моря за пределами рассматри­ваемой территории.

Вблизи подошвы выделенной подзоны, которая принимается за балансовую, часто распространены слабопроницаемые поро­ды в виде разделяющих слоев. Через эти слои при наличии падения напора воды по вертикали устанавливается нисходящая фильтрация — перетекание грунтовых вод в подстилающий межпластовый часто напорный водоносный горизонт (при є > 0) или восходящий переток напорных вод в грунтовый поток (при £ < 0). Возможны также гидрогеологические «окна», через которые происходит более свободный водообмен между водо­носными комплексами пород.

Если некоторые реки питают водоносные горизонты, то балансовая область в разрезе ограничивается первым региональным относительным водоупором, через который также возможен вертикальный переток грунтовых вод, в основном дренируемых отдаленными большими реками или морями.

Мощность подзоны дренирующего влияния реки можно приближенно определить исходя из расхода выклинивающихся подземных вод, знания фильтрационных свойств водоносных пород, напорных градиентов грунтового потока вблизи русла реки и двойной длины последнего.

Для этого расчета действительна формула

Где hcр—средняя мощность грунтового потока вблизи реки; (2р = 0,274• 10~5ГПП — расход подземных вод, поступающих в реку; Yn — подземная составляющая речного стока; Q — пло­щадь водосбора"; L — двойная длина русла реки, дренирующей грунтовые воды; к—средний коэффициент фильтрации водо­носных пород; I—напорный градиент потока вод по гори­зонтали вблизи реки.

При этом величина /п определяется с помощью генети­ческого расчленения гидрографа реки или по карте выклини­вания подземных вод в реки (питание рек подземной водой).

Большинство элементов регионального баланса подземных вод определяется независимыми методами (см. выше), в опорных расчетных пунктах—на расчетных участках (в элемен­тах потока) по данным режимных наблюдений за уровнем грунтовых вод, а также с помощью широкой экстраполяции (см. ниже).

В первую очередь региональный баланс составляют за среднемноголетний годовой цикл, поэтому составляющие его представляют собой среднемноголетние величины (нормы при­хода и расхода воды).

Отклонения от норм для отдельных элементов баланса, вызываемые различной водностью отдельных лет, оцениваются с помощью методов вариационной статистики с учетом заданной обеспеченности этих элементов.

В результате составления такого баланса для данного водосбора или его участка оцениваются региональные и зональные нормы инфильтрации атмосферных осадков, испа­рения грунтовых вод совместно с восходящим током влаги от грунтовых вод в зону аэрации, величины питания этих вод сверху или нормы подземного стока. Определяется также норма питания сверху глубоких межпластовых (часто напорных) подземных вод, находящихся ниже подошвы балансовой об­ласти.

Все элементы регионального баланса подземных вод карто­графируются, что позволяет экстраполировать эти элементы на недостаточно изученные территории.

На основе балансового уравнения (6) для оценки региональ­ного баланса грунтовых вод в пределах части водосбора площадью F, удобно воспользоваться уравнением

Р ДВД = (Q,- Q2) At + w^At - в^А t, (182)

Где і—индекс, указывающий на принадлежность соответству­ющих величин к одному любому участку или части водосбора (элементу потока); —интенсивность питания грунтовых вод сверху на этом участке, равная разности величин инфильтрации осадков и испарения грунтовых вод за время At; є,— интен­сивность перетекания грунтовых вод вниз (ег>0) или перете­кания напорных вод вверх (е,<0); (Q1-Q2)i — разность между притоком и оттоком грунтовых вод в горизонтальном направ­лении на участке /; АНІ—изменение уровня грунтовых вод на участке за время At.

При выклинивании стока грунтовых вод в реки для водосбора, ограниченного водораздельной линией, действительны следую­щие уравнения: 106

ЦЛЯср = WcpA? — Ya—ЄсрА t;

Л n

ІД ад I iv.-Fi

АЯср = ~- ; и-ср = і£у~; єСр = ~»

ДгїЙі-бгЬ-0„Д/ = -УпП, (183)

І

Где Qn — суммарный расход всех дренируемых подземных (грунтовых) вод с водосбора речной сетью в объемных единицах измерения за сутки; Уп—суммарное подземное питание реки и ее притоков в пределах водосбора за время At, измеряемое высотой слоя воды; АЯср, wcp, єср—величины,

П

Усредненные на площади водосбора; 0=EFf; п — число расчет -

1

Ных участков (элементов потока).

Величина Yn определяется методом Куделина—генетическо­го расчленения гидрографа реки для нижнего замыкающего гидрометрического створа. Норма этой величины закартогра - фирована для всей территории СССР.

Для практического использования уравнения (183) необходимо иметь: средневзвешенные по площади водосбора величины АЯср, wcp и еср за каждый промежуток At, а также величины подземного питания реки Yn и водоотдачи или недостатка насыщения пород р, усредненные на площади водосбора.

Для среднемноголетнего года (Аґ=365 сут) действительны: АЯср=0, wcp = wcp0, єср = єср0, Fn=Fn0. Индекс «О» указывает на многолетнюю норму. На основании этого получаем

(еАг)ср0 = (и>Аг)ср0-7П0. (184)

Таким образом, для расчета нормы питания сверху подсти­лающих межпластовых часто напорных вод или нормы перетекания грунтовых вод через первый разделяющий отно­сительный водоупор в бассейне реки (&At)cp0 необходимо знать норму усредненного по площади питания грунтовых вод сверху (wAt)c^0 и норму подземного питания реки, приходящиеся на данный водосбор реки Уп0.

С помощью уравнения (184) можно вычислить питание сверху глубоких межпластовых водоносных горизонтов, подстилающих грунтовые потоки, т. е. величину (eAf)cp0. При отрицательном значении этой величины мы получаем размер разгрузки глубоких межпластовых вод, происходящей путем вертикаль -

107

I

I

ПШг

Рис. 18. Схема взаимосвязи грунтовых вод с напорными водами и реками:

/ — известняки; 2 гшіание грунтовых вод сверку и их расход на испарение; I - Т и II - И плоскоеги сечений.

Остальные условные обозначения см. на рнс. 17

Ного перетекания последних в грунтовый поток или к дневной поверхности. Эта разгрузка глубоких вод представляет собой дополнительный источник восполнения запасов грунтовых и тех межпластовых вод снизу, которые находятся в подзоне гори­зонтального дренирования местными реками.

Районирование крупных территорий по величине (єДфро или ПО соотношению ее компонентов (w&t)срО и ГпО может явиться основой для выбора направлений осушительных мелиорации земель, поскольку возможный приток к поверхности напорных вод снизу часто весьма угрожающий фактор переувлажнения земель.

Для количественной оценки размера глубинного горизон­тального подземного стока, дренируемого большими реками и проходящего в разрезе ниже подошвы подзоны дренирую­щего влияния местной гидрографической сети, поступаем следующим образом (рис. 18). На междуречном пространстве выделяют площади водосборов Fu F2 и F3. На первой и третьей из них грунтовые воды перетекают в напорный водоносный горизонт, находящийся ниже подошвы подзоны дренирующего влияния местных средних рек, причем єА и є больше нуля. На площади F2 напорные подземные воды подпитывают грунтовый поток снизу с интенсивностью г. 2 (меньше нуля).

Грунтовый поток, располагающийся выше подошвы подзо­ны дренирующего влияния местных рек, целиком дренируется глубокой рекой I. На своем пути от реки II до реки I этот поток сверху получает инфильтрационное питание из зоны аэрации с 108 интенсивностью ± w и теряет или получает подпитывание снизу путем перетекания напорных вод с интенсивностью |е2|>0.

Между грунтовым потоком и напорными водами находятся слабопроницаемые породы и гидрогеологические «окна», через которые происходит вертикальный переток воды. На опреде­ленной глубине напорный поток подстилается региональным водоупором.

Напишем уравнение баланса грунтовых вод в виде

РАЯ=^1 ~ Qu At + wAt - єА/, (185)

F

А баланса напорных вод при отсутствии перетока вод через региональный водоупор в виде

Р* АЯН - —п~®2н At + єА/, (186)

F

Где Fl+F2 (см. рис. 18)—общая площадь правобережной части водосбора на одном берегу реки I, т. е. от водораздела грунтовых вод—сечение II — II до замыкающего сечения I — I около реки, причем Fx — площадь возвышенной части между­речья, где и' > 0; F2 — площадь террасированной части между­речья, где w может быть более и менее нуля; АН и АЯн—средние изменения уровня соответственно грунтовых и напорных вод за промежуток времени At; Qlr и QiH — приток грунтовых и напорных вод за единицу времени через верхнее сечение II --II; Q2t и Q2h — отток грунтовых и напорных вод за единицу времени через нижнее сечение I—I, отстоящее от уреза реки примерно на 1,5—2 мощности не вскрытых рекой водоносных пород с грунтовой водой; w и є—средние по площади F интенсивности питания грунтовых вод сверху и перетекания этих вод в напорный водоносный горизонт.

При этом учтем, что расход грунтовой воды в нижнем сечении I — I равен подземному питанию речного стока, направленного к реке с одного берега, т. е.

Q2rAt= YnF. (187)

Расход грунтового потока на водоразделе, в сечении II— II, равен нулю, т. е. Qit = 0. Учитывая это, сложим уравнения (185) и (186):

РАЯ+ р*АЯи = At + wAt, (188)

Откуда найдем

At = At — Yn+wAt—(р АЯ+р* АЯН). (189)

Эта формула действительна при отсутствии вертикального потока напорных вод через их региональный водоупор. Для среднемноголетнего года будем иметь Д#=0; Д#н = 0 и вместо выражения (189) получим уравнение

^Д/=£ії°Д/-Уи0+(и;Д*)0. (190)

F F

Индекс «0» означает норму данной величины. Приток напорных вод через верхнее сечение II—II можно найти по карте интенсивности перетекания, если известна водосборная площадь, ограниченная указанным сечением и рекой или водоразделом пьезометрической поверхности напорных вод. На рис. 18 такая площадь равна F3. Итак, имеем

Qi*At = B3.oF3At, (191)

Где £3>0 — норма интенсивности перетекания грунтовых вод на площади F3.

Из уравнений (190) и (191) получаем расчетную формулу 9f>At=e3.0^At-Ya0+(wAt)0. (192)

Заметим, что все члены в правой части уравнения (192) могут быть определены с помощью карт, на которых закарто - графированы среднемноголетние величины: перетекания грун­товых вод (еА/)0, подземного питания рек Гп0 и питания грунтовых вод сверху (»'Д/)0.

Пример. За среднемноголетний год по указанным выше картам примени­тельно к схеме, данной на рис.18, определены: езоАг=10мм; Уп = 60 мм; (и'А?)о = 70 мм. По картам планиметрированием найдены: F3 = 100 км2, ^=500 км2. Требуется рассчитать среднемноголетние расходы напорных и грунтовых вод в замыкающем сечении I — I (см. рис. 18).

Согласно уравнению (192), получим за год:

At= Ю^Р —60 + 70 = 12 (мм) F 500

Или

02ll0Af = 0,012-500-106 = 6-106 (м3);

2-0 = ^=16450 (м3/сут)= 191 (л/с).

365

Среднемноголетний расход грунтовых вод в сечении I — I (см. рис. 18) при Qi =0, Д#=0, согласно уравнениям (184) и (187), составит

%°ДГ=И/)о-(ЕД0о=^о. (193)

Г

Отсюда

, F 60-500-106 „„ , , ч

Qio=Yna— = =953 (л/с).

П0А t 365-86400

Из сравнения расходов воды напорной и грунтовой следует, что расход напорных вод в сечении II — II составляет всего 20% от расхода грунтовых вод, выклинивающихся в реку. Указанные 20% расхода воды не дренируются рекой I. а отводятся за пределы ее водосбора — к руслу большой реки.

Внутри водосбора данной реки (/-=F1 + F2) напорный поток глубоких вод увеличивает свой расход на величину

AQ*°AtJІ*] A'. (194)

F \ F F

Где А/-365 сут; Af= .

F F

Подставив числовые значения, получим

AQH0 4 10 • 100 —А?= 12 ~ ~ = 10 (мм/год)

Или величину, на которую увеличивается расход напорных вод на площади F:

10 • 500 • 10б Ae-=W864W=159(J1/C)-

Таким образом, выполнена оценка ресурсов грунтовых и напорных вод в условиях их взаимосвязи. Эти данные необходимы для обоснования источников водоснабжения за счет подземных вод.