Оценка баланса подземных вод

ВЫБОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БАЛАНСА ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ЕГО ИЗУЧЕНИЯ

Вначале остановимся на принципиальных различиях сущест­вующих методов оценки баланса грунтовых вод. Среди этих методов выделяют две группы: точные и приближенные (табл. 7).

К первой группе, кроме перечисленных в табл. 7, можно отнести также и методы моделирования, выполняемые с помощью ЭГДА и ЭВМ, основанные на физическом и математическом моделировании фильтрации воды, которые в данной работе не рассматриваются.

1. Метод конечных разностей отличается от аналитического тем, что для своего применения не требует аналитических решений дифференциальных уравнений, описывающих процесс неустановившегося движения во времени и в пространстве. Уравнения баланса воды в конечных разностях алгебраически преобразуются в простые расчетные формулы для определения гидрогеологических параметров, величин питания сверху и стока грунтовых вод исходя из данных о распределении напоров (уровней) этих вод вдоль створов или по плановым группам наблюдательных скважин, а также по данным о режиме этих вод во времени и в пространстве. Граничные условия автоматически учитываются по данным о колебании уровней воды в скважинах, расположенных на границах потоков (см. гл. 2).

Для своего применения этот метод требует проведения детальной разведки грунтовых потоков в отношении распреде­ления в пространстве водоносных и неводоносных (водоупор­ных) пород, их фильтрационной характеристики, водоотдачи для каждого сечения потока, если он неоднороден в фильтра­ционном отношении, и т. п.

Для расчета величины питания грунтовых вод сверху в простейших однородных пластах пород при одномерном движе­нии вод требуется не менее трех наблюдательных скважин, 162

Таблица 7

Распределение методов оценки величин питания и баланса грунтовых вод по их применению на практике

Расчешые обьепы

Тип режима ірнуговьіх вод

Методы анализа режима грунтовых вод и подсчета их баланса

Ш

Точные

Гидродинамические: конечных разностей аналитических решений дифферен­циальных уравнений Общеводн о-балансовые: общего водного баланса лизиметрический Комплексный метод гидродинами­ческого анализа режима вод и дина­мики влаги зоны аэрацин Приближенные

Уравнений связи

Приведения к неограниченному по­току

+ +

+ +

+ +

+ 1

+

+

+

+

Упрощенные по одиночным скважи­нам

Примечание, I - - III— типы режима грунтовых вод: I прибрежный, II водораздельный, III - предгорный; 1 6 - расчетные объекты (1—одиночные скважины. 2 кусі ярусных скважин. 3- плановые группы скважии, 4 • расчетные элементы потока в створах скважин, 5 — балансовые участки, 6- бассейны рек или водосбора больших площадей): знаки «+» и «-» указывают на возможность и невозможность применения метода,

Расположенных по потоку вод. При отклонении направления створа наблюдательных скважин от направления движения грунтовых вод более 10—15° обязательна оценка погрешностей, возникающих от принятия одномерности потока в плане. При больших отклонениях створа скважин от направления потока вод необходимо заложение дополнительных боковых скважин на значительном расстоянии между створом и скважиной. При этом часто применяют «конверты» скважин для каждого элемента потока, требующего заложения пяти скважин в случаях двухмерности потока.

Из табл. 7 видно, что метод с успехом может применяться для всех типов режима грунтовых вод и для различных расчетных объектов (систем расположения скважин на мест­ности). Этот метод необходим при неоднородном составе водоносных пород в фильтрационном отношении.

Аналитический метод разработан для простейших схем движения грунтовых вод (однородное строение водоносного горизонта, одномерность потока в плане и т. д.). Его приме­нение на практике требует учета погрешностей, возникающих от принятия указанных упрощающих условий.

Однако применение этого метода очень выгодно отличается от предшествующего метода рядом обстоятельств: а) легко определяются гидрогеологические параметры, для расчета кото­рых требуются часто лишь две скважины, расположенные друг от друга на коротком расстоянии по потоку вод; б) возможны небольшие (до 30°) отклонения направлений створов скважин от направления по потоку вод; при этом найденные параметры должны использоваться для расчета питания по каждому створу скважин индивидуально; в) нет нужды знать коэффициенты фильтрации пород в каждом сечении потока, ибо имеется возможность для частого определения коэффициента уровне­проводности потока по режимным данным вдоль створов и т. п.

Кроме одиночных кустов ярусных наблюдательных скважин данный метод применим для всех схем расположения скважин на местности и всех типов режима.

Метод общего водного баланса относится к группе экспериментальных методов, которые направлены на определе­ние большинства элементов общего водного баланса с по­мощью различных приборов, установок или других вспомога­тельных методов, например метода теплового баланса для определения суммарного испарения. Основные уравнения для составления общего водного баланса участка суши и зоны аэрации—(215), (216), (218) и (219).

Метод общего водного баланса имеет ряд достоинств: он состоит из различных методик наблюдения за отдельными элементами водного баланса, которые не зависят друг от друга, 164 в уравнениях водного баланса могут содержаться оста­точные члены, указывающие на невязку определения сла­гаемых уравнений независимыми методами.

Вместе с этим предыдущие методы изучения баланса грунтовых вод по режимным данным значительно сокращают затраты средств на экспериментальные определения компонен­тов величины питания грунтовых вод, как, например, по уравнению (157), которые необходимо знать для интерпретации величин питания, стока и баланса грунтовых вод. Вместе с тем эти методы наиболее полно учитывают гидрогеологические условия при расчетах питания вод.

Метод общего водного баланса приемлем для изучения водораздельного и предгорного типов режима грунтовых вод и сопровождается лишь групповым расположением наблюдатель­ных скважин на местности, а также при изучении баланса подземных вод на балансовых участках и в речных бассейнах, где автономно замыкается общий водный баланс прихода и расхода масс воды.

4. Лизиметрический метод на первом этапе своего развития применялся как средство определения испарения с поверхности водонасышенного грунта при различной глубине залегания грунтовых вод. Будучи заключенным в непроницаемый с боков сосуд, монолит почвогрунта в лизиметре подвергается насы­щению водой и испарению сверху в межполивной период. До последних 10—15 лет этот метод входил в состав методов общего водного баланса. В последующем лизиметры стали совершенствоваться и теперь предназначены для эксперимен­тального определения всех элементов баланса грунтовых вод в натуре при малых глубинах до воды [4].

Подливая воду в сосуды, питающие монолиты грунта, определяют расход грунтовых вод на испарение при постоян­ном уровне воды, с помощью слива воды находят инфильтра­цию воды с поверхности. И наконец, применяя автоматическую подачу воды в параллельный лизиметр и сток ее из лизиметра (для поддержания уровня воды в лизиметре на высоте естественного), находят положительную и отрицательную раз­ности между подземными притоком и оттоком грунтовых вод как в горизонтальном (сбоку), так и в вертикальном (снизу) направлении.

Отрицательные стороны этого метода — изоляция наблюдае­мого монолита почвогрунта в непроницаемом с боков сосуде, небольшие площади поперечного сечения монолита, отсутствие средств для непрерывного наблюдения за влагозапасами в зоне аэрации, сложность устройства лизиметрических установок и т. п.

Наиболее важный недостаток лизиметрического метода— отсутствие методики экстраполяции лизиметрических данных наблюдений по площади, а также ограниченность глубины стояния воды в лизиметрах пределами 3—5 м.

Вместе с этим для экспериментального изучения водного баланса почвогрунтов небольшой мощности (от 0,5 до 5 м) лизиметры очень удобны и достаточно достоверны при деталь­ных (учащенных) наблюдениях за их показаниями. Для состав­ления баланса влаги в зоне аэрации в монолигах грунта лизиметров устанавливают почвенные влагомеры нейтронного типа, позволяющие непрерывно фиксировать влажность почвы над уровнем воды.

Таким образом, данный метод оценивается нами как вспо­могательный, применимый для опытных балансовых участков в тесной увязке с общеводно-балансовым и гидродинамическим методами.

Метод гидродинамического анализа режима грунтовых вод и динамики влаги в зоне аэрации (комплексный) наиболее совершенен. Он применяется одновременно на типовых балан­совых участках и в бассейнах малых и средних рек, где балансы воды на поверхности, в зоне аэрации и в потоке замкнуты; имеется возможность для сравнения разных методов и требует­ся взаимная проверка водного баланса суши разными способа­ми, что важно для методических и точных расчетов.

В своих работах [4] и [5] автор усиленно развивал комплексный метод, поскольку для получения достоверных параметров, как, например, водоотдача пород р или влагопере - нос по вертикали, требуется глубокий анализ режима грунтовых вод и динамики влаги при неполном насыщении зоны аэрации.

Данный метод с успехом применим для всех типов режима подземных вод и имеет решающее значение для детальной оценки формирования баланса грунтовых вод как для естествен­ных, так и для нарушенных условий. Перечисленные выше методы отнесены к точным, поскольку они теоретически обоснованы, точность их определяется соответствием принятых моделей природным и техногенным условиям, в которых они применяются.

Ниже укажем на приближенные методы, которые допускают значительные упрощения в расчетных схемах, облегчающие расчет. Они нуждаются в предварительной оценке погрешностей величин питания, возникающих от этих упрощений моделей.

Метод уравнений связи относится к группе приближенных методов, поскольку он базируется на допущении постоянства для расчетного периода года и для выбранного района расположения скважин относительно величины местного попол­нения подземного стока.

Как видно из табл. 7, такое допущение приемлемо для водораздельного типа режима грунтовых вод, где главным фактором изменения питания вод является мощность зоны 166 аэрации, а условия увлажнения местности, дренирования и литологии пород и микрорельеф должны быть однородными. Погрешность этого метода оценивается по формуле (68).

Применение данного метода возможно при наличии плано­вой группы наблюдательных скважин с различной глубиной до воды и разными амплитудами колебания уровня, на балансовых участках и в речных бассейнах рек с относительно однородными природными условиями.

Метод приведения к неограниченному потоку основан на определении погрешностей в расчете питания грунтовых или напорных вод, возникающих при допущении равенства расходов воды, притекающей к элементу потока и оттекающей из него в горизонтальном направлении, или допущении неизменности за расчетный промежуток времени величин приращений указанных расходов воды за одно и то же время в сечениях на границах элемента потока.

На этом методе основаны определения гидрогеологических параметров и элементов баланса грунтовых и напорных вод в слоистых толщах пород по данным режимных наблюдений в кусте ярусных скважин (см. гл. 2). Главным является расчет гидрогеологических параметров, базирующийся на аналитиче­ских решениях задачи по вертикальному перетеканию вод в неограниченных потоках грунтовых и напорных вод.

Упрощенный метод определения питания грунтовых вод по данным режимных наблюдений в одиночных скважинах мы рекомендуем как вспомогательный. Строго говоря, он может применяться после оценки возможности приведения потока вод к неограниченному в плане (см. гл. 2).

Этот метод неприменим для прибрежного и предгорного типов режима грунтовых вод, для которых довольно велика роль в балансе подземных вод притоков и оттоков грунтовых вод, поступающих к элементу потока со стороны открытых водотоков (реки, каналы), а также со стороны горных массивов, обрамляющих наклонные равнины.