Прогнозы режима подземных вод

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Прогнозы режима подземных вод

27.07.2020

Проблема прогнозирования режима подземных вод за рубежом разработана в целом слабо. Тем не менее отдельные методы составления прогнозов известны довольно давно.

Наиболее широко распространенным методом прогнозирования, применявшимся первоначально во Франции, а затем и в других странах, является известный метод Майэ — Буссинеска, разработанный в 1904 г. для предсказания минимальных дебитов родников в условиях их независимого спада и ламинарного потока для двух случаев — когда мощность водоносного горизонта достаточно велика и ее изменением можно пренебречь:
Прогнозы режима подземных вод

и, когда эта мощность соизмерима с ее изменениями:

где Qt — дебит родника на любой момент независимого режима; Q0 — дебит родника в начальный момент его спада; а — коэффициент истощения; t — продолжительность спада дебита.

Коэффициент истощения в первом случае определяется по формуле

где k — коэффициент фильтрации; hcp — средняя мощность водоносного горизонта; u — водоотдача пород; f — площадь вертикального сечения потока грунтовых вод от места выхода родника до водораздела; L — расстояние от родника до водораздела.

Для турбулентного потока расчетная формула имеет вид

где a = b KV12/ua/L2; V — объем водоносного горизонта от выхода родника до водораздела; b — коэффициент, зависящий от ширины потока.

При сравнительно малой зоне дренирования родинка Sр по отношению к площади распространения водоносного горизонта Sг коэффициент b=Sp/Sг.

Для уровней грунтовых вод, по аналогии для тех же условий, расчеты прогноза могут быть проведены по формуле

где H0 — мощность потока грунтовых вод во время t; Ht — мощность в прогнозное время t.

Если мощность трудно определима, то расчет можно проводить в амплитудах А = H0-H, т. е.

Коэффициент истощения оценивается по наблюдаемому начальному периоду спада уровня (или дебита):

где H1 и H2 — мощности (дренируемые) водоносного горизонта в наблюдавшиеся промежутки времени t1 и t2 или по тангенсу угла наклона прямой для кривых спада уровней или дебитов, построенных в полулогарифмическом масштабе.

Для родников из сильно закарстованных пород коэффициент истощения имеет величину а больше 0,01, достигая иногда 0,9 (при t, измеряемом в сутках), а в некарстующихся породах а обычно <0,005. В неравномерно трещиноватых породах кривые спада имеют чаще всего один-два перегиба. При этом первый участок соответствует истощению крупных дренирующих каналов, второй — крупных и средних трещин, а третий — мелких трещин и пор. В отдельных случаях установлено до 7 таких перегибов. Отмечалось также влияние увлажненности предшествующих лет на величину коэффициента истощения. Прогнозы, основанные на экспоненциальной модели снижения уровней грунтовых вод в после-паводковый период, выполнялись в 1976 г.

Небезынтересно отметить работу французского исследователя С. Рамона. На основании 60-летних (с 1903 г. с перерывом в 60-х годах) наблюдений за режимом уровня подземных вод по скважине у вокзала в Па-де-Кале (меловой безнапорный водоносный горизонт) он оценил временные изменения емкостных запасов и мощности водоносного горизонта. С использованием вероятностно-статистических методов установлены многолетние изменения и выявлены периоды максимальных и минимальных положений уровня. Минимумы после засух наблюдались в 1921—1922, 1934—1935 и 1949 гг., максимумы — в 1925—1926, 1931, 1937, 1970, 1975 гг. В течение года подъем отмечается в ноябре — феврале, максимум — в марте — апреле, спад уровня — в мае — октябре.

На основании выявленных закономерностей даны предпосылки для прогноза, в частности, приведены уравнения парной корреляции для прогноза летних минимальных уровней и указано на трудность прогноза зимних максимальных уровней.

В 1978 г. вышла работа М. Кансей и Ж. Mapгa, в которой рассматривается вопрос об использовании методов прогноза, применяемых гидрологами для предсказания гидрогеологических процессов. Предлагается использовать прогноз, основанный на установлении закономерности ежегодного аналогичного снижения уровня подземных вод после наступления максимального его положения. Этот метод авторы называют методом экстраполяции и, судя по приведенным параметрам, составляют его графическим путем. Они предлагают также использовать прогнозы, составляемые вероятностными методами.

Все большее распространение получают вероятностно-статистические методы прогнозов, основанные на корреляционных связях положений или амплитуд колебаний уровней подземных вод с факторами, их определяющими, или на зависимостях каких-либо последующих уровней от предыдущих.

Прогнозы весеннего подъема уровней по парным корреляционным связям с выпавшими атмосферными осадками за холодный период года проводятся в Чехии, где также используются связи последующих уровней с предшествующими на ветвях их спада. Они описываются формулой

где у и х — средние значения зависимой и независимой переменных из n их частных значений (yi, xi); on, ox — среднеквадратические отклонения; r — коэффициент корреляции.

Подобные зависимости используются и в ВНР. Была выявлена возможность оценки приближенных значений средних многолетних минимумов по результатам предыдущих наблюдений, в частности осеннего минимума текущего года — зависимости ноябрьских уровней от октябрьских, а также минимальных летних от максимальных весенних. Для подобного анализа использованы 25-летние ряды наблюдений. Прогнозы осеннего минимального уровня по установленным связям этих уровней с весенними максимальными уровнями за предшествующий период наблюдений выполнил также Дж. Осборн в 1966 г.

Более приемлемой для прогнозов считается множественная корреляция, позволяющая учитывать влияние на прогнозируемую величину уровней или дебитов подземных вод серии одновременно действующих режимообразующих факторов по уравнению типа

где а0, а1, а2 — коэффициенты уравнения; x1, х2, х3 — значения факторов, определяющих прогнозируемую величину у.

Методические основы таких прогнозов рассматривались в ВНР и США, где были выполнены и первые экспериментальные прогнозы весенних максимальных уровней грунтовых вод по уровням осеннего периода х1, атмосферным осадкам осеннего х2 и зимнего х3 периодов и температурам холодного периода х4. Тем не менее широкого развития этот метод за рубежом еще не получил. Можно лишь указать на единичные прогнозы, составленные на этой методической основе, или на результаты опробования этого метода в различных природных условиях. Так, для прогнозов минимальных летних уровней грунтовых вод в районе г. Фуберг были использованы зависимости этих уровней от уровней зимнего периода и субмаринных осадков за февраль — июнь. Для прогноза был применен графический метод множественной корреляции. Зависимость минимальных осенних уровней грунтовых вод от атмосферных осадков и температуры для одной из скважин в районе Пардубице (Чехия) была использована для прогноза Р. Музикачем с применением аналитического расчета множественной корреляции. Аналогичные методического плана работы проведены в ФРГ.

Балансовый подход к прогнозам режима подземных вод разрабатывается также в Югославии, где высокие уровни грунтовых вод создают определенные проблемы в сельском хозяйстве. В институте им. Ярослава Черни предложен краткосрочный прогноз амплитуд колебаний уровней, основанный на уравнении:

где е — эффективная пористость почв, I — инфильтрация осадков; E — испарение с зеркала грунтовых вод; Q — местный подземный сток. Входящие в уравнение значения определяются по данным многолетних режимных наблюдений.

Рассматриваются также прогнозы на основе конечно-разностных уравнений типа:

где А = khср/2uAx2; B=WAt/2; k — коэффициент фильтрации; u — дефицит насыщения пород влагой; W — инфильтрация; Ax — расстояние между наблюдательными скважинами, где измеряются уровни; hcр — средняя мощность водоносного горизонта; At — время.

Для определения колебаний уровней воды в скважине h под влиянием колебаний уровня воды в реке H на расстоянии l от реки предлагается формула:

Гидродинамический подход к прогнозам режима грунтовых вод наряду с вероятностно-статистическим разрабатывается также в Швеции. Основой его является устанавливаемая аналитически, путем решения линейного уравнения фильтрации, функция отклика, отражающая влияние атмосферных осадков на уровни подземных вод с учетом временных сдвигов. Применение данного приема прогнозирования позволило авторам дать вполне удовлетворительные прогнозы с заблаговременностью в один месяц как для периодов спада, так и для периодов подъема уровней. Выполненные для другого района Швеции кросс-корреляционные расчеты связей уровней подземных вод и атмосферных осадков показали наличие в этих связях временных сдвигов, достигающих 3 месяцев, что говорит о возможности составления на этой основе прогнозов с соответственно большей заблаговременностью.

В ВНР для прогноза режима грунтовых вод в зоне разработок бокситов под влиянием шахтного водоотлива применялась электрическая аналоговая модель. Кроме того, во Франции на основе моделирования строились прогнозы режима уровней подземных вод при изучении изменчивости запасов подземных вод во времени.

Регулярные прогнозы в государственном масштабе делаются в настоящее время только в ВНР. Прогнозы режима составляются здесь для весенних (майских) максимальных уровней по 148 опорным скважинам с наиболее длинными (30—35 лет и более) рядами. Основой таких прогнозов является корреляционная связь уровней с атмосферными осадками холодного периода года. Прогнозы выдаются дважды — в декабре (предварительные) и в феврале. Основой предварительных прогнозов является установленная по 26 метеопостам со 100-летними рядами наблюдений достаточно высокая (r больше 0,7) корреляционная связь между осенними осадками и осадками всего холодного периода. Для прогнозов отобраны скважины, находящиеся в естественных или слабо нарушенных условиях в различных районах страны и характеризующиеся статистической однородностью ряда и независимостью его членов. В декабре для прогноза используются данные по осадкам за октябрь—ноябрь. Прогноз составляется в вероятностной форме с характеристикой возможных уровней 20 и 80%-ной обеспеченности. Заинтересованным организациям выдается карта уровней в отклонениях от нормы (в см) и таблица прогнозных значений глубин по конкретным скважинам. В феврале для прогноза используются данные по атмосферным осадкам за октябрь — февраль и вновь составляется карта прогнозных значений уровнен грунтовых вод. Прогнозы режима максимальных весенних дебитов источников карстовых вод строятся на установленной их зависимости от процента инфильтрации атмосферных осадков. Для этого берут известные на момент составления прогноза осадки части холодного периода (например, сентябрь — декабрь) и средние многолетние осадки оставшейся части холодного периода (январь — май). Устанавливается процент известных осадков от суммы неизвестных и корректируется по эмпирической таблице в зависимости от его разности от среднемноголетней нормы. Затем, зная среднемноголетние значения расхода родника Q и средний многолетний процент инфильтрации осадков у, а также рассчитав Л — отношение процента инфильтрации скорректированных известных осадков текущего года yi к среднемноголетней норме инфильтрации у,— оценивается прогнозное значение расхода источника текущего года Qi по формуле Qi = ЛQ. Величины процентов инфильтрации атмосферных осадков, как показали исследования, сильно меняются по сезонам года (от 20 до 60%), достигая максимума в весеннее время.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: