Оценка баланса подземных вод

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 вод в сложных природных и интенсивно нарушенных условиях;

В) «конверты» и кусты скважин, служащие для расчета баланса грунтовых вод при двухмерном в плане движении и исследовании перетекания грунтовых и напорных вод по вертикали, оценки баланса межпластовых водоносных гори­зонтов;

Г) гидрометрические водомерные посты и створы на реках, каналах и озерах для наблюдений за горизонтами воды и расходами открытых водотоков, где отсутствует опорная наблюдательная сеть;

Д) ключевые балансовые участки и балансовые площадки, на которых режимные наблюдения за подземными водами допол­няются экспериментальными наблюдениями за основными элементами общего водного баланса (осадки, водоподача на орошение, потери водотоков на инфильтрацию, дренажный сток, суммарное испарение, влагозапасы в зоне аэрации и т. п.), необходимыми для составления общего водного баланса и оценки процессов формирования режима, питания и в целом баланса подземных вод.

В состав специальной наблюдательной сети входят:

А) короткие створы наблюдательных скважин с небольшими расстояниями между скважинами (50—250 м), необходимые для расчета гидрогеологических параметров, проведения деталь­ных расчетов элементов баланса подземных вод в сложных гидрогеологических и водохозяйственных условиях и воз­действия различных искусственных факторов;

Б) плановые группы из одиночных наблюдательных скважин, позволяющие выделить среди них расчетные «конверты» сква­жин и рассчитать элементы баланса подземных вод для сложных потоков грунтовых вод в плане при различных искусственных факторах;

В) опытные балансовые участки, на которых должна быть детальная сеть наблюдательных скважин, кустов ярусных пьезометров на разные водоносные горизонты, а также система экспериментальных установок (дождемеров, испарителей, лизи­метров и т. п.) для наблюдения за элементами общего водного баланса, баланса влаги в зоне аэрации, а также за работой тех или иных сооружений (дренажей, эксплуатационных скважин и т. п.);

Г) гидрометрические створы и водомерные посты на реках, каналах, водохранилищах.

Специальная наблюдательная сеть может создаваться одно­временно с опорной, так как одна дополняет другую.

Проектирование той и другой наблюдательной сети должно базироваться на гидрогеологическом районировании данной территории с учетом развития народного хозяйства. Расстояния между наблюдательными скважинами указаны в гл. 2.

Продолжительность работы специальной наблюдательной сети определяется сроком проектирования и эксплуатации тех или иных водохозяйственных систем, для обоснования которых организуются водно-балансовые исследования. С течением времени действующая наблюдательная сеть скважин и постов может менять свое назначение, а также использоваться для контроля состояния земель, определения мелиоративного эф­фекта мелиораций и для охраны окружающей среды.

В условиях одномерного в плане потока грунтовых вод, дренируемых рекой, направления створов наблюдательных сква­жин нормальны к урезу реки и гидроизогипсам (рис. 31, а, б). Первую скважину закладывают около уреза реки, дубли­рующую— на противоположном берегу. Эти скважины необ­ходимы для того, чтобы отразить в расчетах граничное условие первого рода.

Вторую скважину располагают в нескольких десятках мет­ров от первой; вместе с первой используется для расчета

Kh

Коэффициента уровнепроводности грунтового потока а= —

И

По данным о колебании уровней грунтовых вод при паводках в реке. Следующие скв. 3 — 5 и т. д. предназначены для расчета интенсивностей питания грунтовых вод сверху и их состав­ляющих за длительное время, т. е. величин инфильтрации осадков и^Дт и испарения этих вод «AS. Расстояние между последними скважинами примерно равно (2-4-3) yfat.

Для одномерного потока вод широко применяются метод конечных разностей и аналитический метод. Каждая скважина в первом методе оказывается в середине расчетного элемента потока, во втором — первая и вторая (смежная) скважины ограничивают собой расчетный элемент потока.

По возможности весь створ наблюдательных скважин стремятся расчленить на непрерывный ряд контактирующих между собой расчетных элементов потока. Для каждого из них по данным режимных скважин рассчитывают элементы баланса грунтовых вод за годовой цикл. В целях уточнения форм гидроизогипе при закладке скважин предусматривают несколько одиночных неглубоких скважин, оборудуемых по бокам основ­ного створа (см. рис. 31, а).

Рис. 31. Схемы расположения наблюдательных скважин в створах по потоку при одномерном в плане (а) и двухмерном (б) движении вод:

/ — водопроницаемые и водоносные отложения; 2- расчетный элемент потока; 3 4 скважины (3 — наблюдательная, 4 расчетная наблюдаїельная); 5— гидрОизогипсы

Протяженность створа скважин зависит от цели, пресле­дуемой расчетами баланса вод. Обычно створы продолжаются до водораздела подземных вод или другой реки, ограничи­вающей данный земельный массив в плане. Границами створа могут быть и сечения потока при резких изменениях в рельефе местности (бровки возвышенностей, депрессии в рельефе, контакты водоносных пород с непроницаемыми породами и т. п.), что часто совпадает с геоморфологическими грани­цами.

В условиях радиальных потоков, распространенных вблизи излучин рек, движения вод могут быть сходящимися и расходящимися в плане (см. рис. 31,6). При двухмерном в плане движении вод наиболее подходит для расчетов метод конечных разностей (см. гл. 2). Кроме основного створа скважин, ориентированного по потоку вод (скв. 1—4), в обязательном порядке закладываются по одному дополни­тельному боковому створу с каждой стороны (скв. 5—7 и 8—-10), которые позволяют уточнить построение гидроизогипс и определение размеров в плане для расчетного элемента потока. На реках (см. рис. 32), оборудуют водомерные посты вблизи скв. 1.

Размещение наблюдательных скважин вдоль створов, ориен­тированных по потоку грунтовых вод, облегчает выбор расчетных схем (моделей) и помогает увязать результаты расчета элементов баланса грунтовых вод, особенности их режима с геоморфологией, региональной динамикой подземных вод и достичь полноценного изучения формирования подземных вод больших территорий при минимальной затрате материаль­ных средств.

На различных аллювиальных террасах в долинах рек и междуречном водораздельном массиве створы наблюдательных скважин закладываются также по потоку вод и изображены на рис. 32. На каждой террасе должно быть не менее двух скважин, расположенных по потоку вод при одномерном движении в плане (см. рис. 32, а). Вблизи границ потока в пределах поймы и низких надпойм применим аналитический метод расчета пита­ния грунтовых вод сверху. В удалении от рек (высокие террасы, водораздельное плато) применяется метод конечных разностей. Кроме гидрогеологического разреза по потоку вод следует учитывать возможную двухмерность потоков в плане.

Заслуживают внимания водоразделы и уступы террас, около которых закладываются наблюдательные скважины для получе­ния данных о режиме грунтовых вод на границах потока (см. рис. 32, б).

В случаях многослойного строения междуречных массивов, заключающих кроме грунтовых межпластовые воды, например подморенные (рис. 33) как в четвертичных, так и в коренных отложениях, в балансе может иметь значение перетекание этих вод по вертикали, особенно в том случае, если отмечается значительная разность напоров воды по вертикали и породы разделяющих слозв имеют заметную водопроницаемость (см. гл. 2).

Для исследования баланса грунтовых вод закладывают створ мелких скважин (см. рис. 33, скв. 1—9) на глубину минимального стояния этих вод. Для изучения баланса меж­пластовых вод в подморенных отложениях закладывают створ скважин большей глубины (1—7) и, наконец, на подстилающий напорный водоносный горизонт в коренных отложениях — створ глубоких скважин (1—7). На грунтовые воды заклады­вают максимальное число наблюдательных скважин, значи­тельно меньше—на первый и еще меньше на второй меж­пластовые напорные горизонты.

Для каждого водоносного горизонта применяют методы конечных разностей и аналитический (гл. 2) с учетом пере­текания вод по вертикали. Большое внимание уделяют плано­вому расположению дополнительных наблюдательных скважин на местности в случаях отклонения линий токов от направления створа. При отклонениях этих токов от направления створа, превышающих 30°, боковые скважины для уточнения формы

Рис. 32. Схемы расположения наблюдательных скважин на древнеаллювиаль - ной террасе (а) и междуречном плато (б):

1—2- уровни грунювых вод (I — в начальный момент времени, 2- на копец расчетного промежутка времени); 3 наблюдательная скважина и ее номер

Рис. 33. Схема расположения наблюдательных скважин на междуречье при трех-четырех водоносных горизонтах:

/— водопроницаемые и водоносные породы; 2— супесь, служашая водоупором верховодки; 3- суглинок; 4— моренный суглинок с галькой; 5 — песчаные глины коренных пород; 6 ичвесіняк трещиноватый; 7 - куст наблюдательных скважин и его номер; 8 уровень грунтовых вод; 9 подпорный горичонт воды в реке

Гидроизогипс закладывают с обеих сторон створа.

На рис. 33 приведен пример междуречного массива, в пределах которого оборудовано пять кустов наблюдательных 152
скважин на все три водоносных горизонта и, кроме того, столько же дополнительных кустов на два верхних водоносных горизонта, не считая мелких скважин на грунтовые воды.

При изучении режима и баланса линз пресных грунтовых вод, плавающих на соленых (рис. 34), что часто встречается в зоне эоловых песчаных отложений в полупустынях, пустынях и приморских дюнах, длинные створы наблюдательных скважин располагаются вдоль длинной оси линзы. Поперек этого створа закладывают до трех коротких створов, которые позволяют выделить в пределах линзы расчетные элементы потока, учитывающие двухмерность движения вод в плане.

Около большинства мелких скважин на грунтовые воды проходят глубокие наблюдательные скважины на подсти­лающие высокоминерализованные воды, на которых форми­руется линза пресных вод.

Режим пресных и минерализованных вод наблюдают одно­временно. При этом фиксируют общую минерализацию тех и других вод, определяют плотность и вязкость нижнйх вод, особое внимание обращают на тщательность изоляции пресных вод в скважинах, заложенных на глубокие воды.

Расчет питания грунтовых вод производят с учетом плот­ности и вязкости воды по вертикали, особенно тщательно при минерализации соленых вод более 30—40 г/л [4].

Наблюдательная сеть скважин на подгорных шлейфах и предгорных равнинах должна пересекать типичные конусы выноса, их сочленение с пролювиально-аллювиальной равниной по главному направлению подземного стока, идущего от гор к рекам (рис. 35).

Каждая гидрогеологическая зона —инфильтрации поверхно­стных вод (в пределах галечниковой части конусов выноса), транзита подземных вод, выклинивания их, вторичного погру­жения и прибрежная зона влияния реки —должна иметь хотя бы по одному расчетному ключевому участку с расчетными створами наблюдательных скважин. Такие створы в зоне инфильтрации пересекают ирригационные каналы и исполь­зуются для расчета потерь поверхностной воды на инфильтра­цию, расчета площадного питания грунтовых вод и их стока в нижерасположенные по рельефу зоны.

В зоне транзита стока грунтовых вод и других зонах (см. рис. 35) каждый расчетный створ должен состоять из кустов ярусных скважин — двух и более в каждом пункте с фильтрами на грунтовые воды в суглинках и в подстилающих песчано - гравийных отложениях с напорной водой.

Кроме анализа естественного режима грунтовых вод, под­счета их баланса по зонам, в данных условиях необходимо учитывать искусственные факторы, включающие расходы и горизонты воды в каналах, реках, дренах, водоподачу на

I — коренные породы; 2 — галечник; 3- песок; '/-супесь; J-суглинок; 6—уровень грунтовых вод; 7 —источник.

Рис. 34. Схема расположения наблюдательных скважин вдоль длинной оси линзы пресных вод, залегающих на соленых водах:

/—водопроницаемые и водоносные породы, 2— линза пресных вод; 5 - уровень грунтовых вод; 4 мелкая наблюдательная скважина; 5- глубокая наблюдательная скважина с фильтром в соленых водах; 6—расчетный элемент потока

Рис. 35. Схема расположения наблюдательных скважин на подгорной и предгорной наклонных равнинах:

I—V- зоны (I — инфильтрации поверхностных вод и осадков. II — транзита подземного стока, III — выклинивания подземных вод, IV — вторичного погружения грунтовых вод, V — прибрежная)

Рис. 36. Расположение наблюдатель­ных скважин на опытном балансовом участке в условиях орошения:

I - распределитель; 2- ороситель; і - наблюда­тельная скважина; 4- - расчетный элемент потока; S - метеорологический пункт; б - лизиме і ричесгая площадка; 7— испарительная площадка; S—кол­лектор; 9—гидрометрический створ на канале и гидромеїрические усіройства на распредели і елях, оросителях и коллекторе

Орошение, а также другие элементы водного баланса—испаре­ние, транспирацию растений, сток сбросных вод и т. п.

Для детального изучения формирования баланса грунтовых вод с всесторонним учетом влияния различных факторов поливного орошения или с определением эффективности раз­личных дренажей и агротехнических мероприятий организуют опытные балансовые участки. Такие участки, например, необхо­димы в каждой из указанных выше зон предгорной и подгорной области (см. рис. 35).

Обычно балансовые участки (рис. 36) оконтуриваются водотоками (каналами, распределителями и дренирующими коллекторами), естественными депрессиями и эрозионными формами рельефа. Площадь их может составлять 100 — 200 га. На этих участках соблюдают общепринятые для окружающих территорий режимы орошения. На типовых поливных картах орошения тех или иных сельскохозяйственных культур обо­рудуют сгущенную сеть наблюдательных скважин, включая кусты их на разные водоносные горизонты по вертикали. На специальных площадках проводят наблюдения за суммарным испарением, транспирацией растений, влагозапасами в зоне аэрации и т. п. С целью оценки влияния глубины до воды на ее баланс организуют наблюдения за элементами этого баланса по лизиметрам с большой повторностью.

Балансовые участки, входящие в состав опорной наблюда­тельной сети с естественным режимом, целесообразно имено­вать ключевыми, а входящие в состав специализированной сети — опытными. На тех и других участках детально наблю­дается режим грунтовых и межпластовых, часто напорных вод. Балансовые участки автономны в том смысле, что определение элементов баланса не зависит от данных аналогичных наблюде­ний на смежных территориях.

Элементы водного баланса на поверхности — сток, испаре­ние, осадки, водоподача на орошение и дренажный сток — наб­людаются с помощью гидрометрических устройств стационар­ного типа и на испарительных площадках с помощью весовых испарителей (типа ГГИ-500; FFM-3000, Б-1000 и т. п.), сети наземных дождемеров и плювиографов, насадок на водотоках и т. д. [4].

На склонах водосборов оборудуются водно-балансовые и стоковые площадки по примеру ВНИГЛ. С лх помощью определяют сток поверхностных вод, подземный сток верховод­ки по горизонтали и вертикали и детальные элементы водного баланса по уравнению (215).

Для типичных участков зоны аэрации составляют водный баланс почвенно-грунтовой призмы согласно уравнению

+ (216)

Где Сх и С2 —начальный и конечный влагозапасы в зоне аэрации, считая от ее дневной поверхности до зеркала грунтовых вод; п — полная влагоемкость грунта в объемном выражении, равная пористости за вычетом объема защемлен­ного воздуха; wa — величина интенсивности влагообмена зоны аэрации с атмосферой или с дневной поверхностью, наблюдае­мая в течение расчетного промежутка времени At.

Если за данный промежуток времени At на типичных участках были экспериментально определены: осадки X, расход воды на орошение /ор, испарение осадков с поверхности Zoc, испарение поливных вод (не успевших просочиться в почву) Zop и испарение совместно с транспирацией растительностью той влаги, которая была накоплена ранее в зоне аэрации или которая уже просочилась (включая влагу из грунтового потока) Za, то при отсутствии поверхностного стока и аккумуляции влаги на поверхности (конденсацией водяных паров пренебре­гаем) величина влагообмена зоны аэрации с атмосферой на данном участке

WaAt~X+ /ор — Zoc — Zop — Za. (217)

Зная величину waAt, а также левую часть равенства (216), из последнего можно вычислить размер подземного стока с участка или балансовой площадки за время At, происходящего как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, т. е.

Сумму величин J^2 —sjAt.

Кроме того, из выражения величины влагообмена зоны аэрации с атмосферой w'aAt и уравнения водного баланса на поверхности всего балансового водосбора получим

W'aAt = X—(Z—Kl) + (Il—I2)—D1, (218)

Рнс. 37. Схема расположения наблюдательных скважин в бассейне малой реки:

1— пойма,- 2—3- -надпойменные террасы (2—первая и вюрая, 3—третья); 4 — водораздельное плаго; 5 водораздельная линия; б — граница хвойного леса; 7 8 -наблюдательные скважины (7- на грунтовые воды, 8 на подморенные воды); 9- «конверты» скважин; 10- замыкающий гидрометри­ческий створ на реке. Цифры - - глубины до воды, м

Рис. 38. Гидрогеологический разрез 1-І (см. рис. 37):

] ~ почвенно-раст и тельный слой; 2- песок, 3 суглинок (морена); 4 глина; 5--известняк; 6—куст наблюдательных скважин; 7 - нанор воды в кровле водоносного горизонта; 8 - уровень грунтовых вод; 9- 10 пьезометрические уровни вод (9—подморенных, W в известняках)
где обозначения те же, что и в уравнении (157). Можно вычислить суммарное испарение за вычетом конденсации водяных паров (Z—Л^).

Величина питания грунтовых вод сверху wAt связана с величиной влагообмена зоны аэрации с атмосферой waAt следующим образом:

W'aAt=wAt+D2, (219)

Где В2—изменение запаса влаги в зоне аэрации за время At, считая ее от дневной поверхности до наивысшего положения подпертой капиллярной каймы.

В формуле (219) искомая величина w'aAt, а в формуле (218) — [Z—Ky). Все другие методические указания по расчетам баланса влаги в зоне аэрации даны в работе [4]. Величина питания грунтовых вод wAt определяется по режимным данным.

Общая компоновка одиночных, кустовых и наблюдательных скважин на створах иллюстрируется рис. 37 и 38.

Границы балансовых водосборов совпадают с водораздель­ными линиями, реками и линиями тока, проходящими через замыкающий гидрометрический створ на малой или средней реке. В каждом районе имеются «конверты» скважин и короткие их створы, позволяющие анализировать режим и баланс грунтовых вод рассмотренными выше методами.

Если в бассейне малой реки балансовые районы выделены в согласии с геоморфологией местности (см. рис. 37), то на междуречном массиве границы районов часто совпадают с гидроизогипсами, позволяющими четко оконтурить балансовые территории каждого района. Районы подразделяются на участ­ки более однородные по глубине стояния грунтовых вод, растительности, почвам, а также по строению зоны аэрации и типам баланса грунтовых вод (см. гл. 4).