книги из ГПНТБ / Ковалевский В.С. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод

режиму подземных вод от точки на площадь. Так, при райони­ ровании территорий по типам и подтипам режима подземных вод в зарамочном обрамлении карты помимо ее легенды помещают таблицы, которые отражают количественные и качественные кри­ терии выделения типов и подтипов режима подземных вод, а также наиболее характерные графики режима уровня, темпера­ туры и химического состава подземных вод, карты респределенин сроков наступления минимального предвесеннего уровня (см. рис. 21) пли начала весеннего подъема уровня грунтовых вод, карты распределения среднемноголетннх норм основных режимообразующнх факторов (осадков, испарения, запасов воды в снежном покрове, глубин промерзания зоны аэрации, среднего­ довых температур воздуха и т. п.).

При районировании территории по классам, подклассам п видам режима подземных вод в качестве дополнительной харак­ теристики могут быть приведены типовые графики режима под­ земных вод, гистограммы сроков наступления минимальных п максимальных уровней подземных вод в течение года (см. рис. 22), графики зависимости амплитуд колебаний уровней, темпера­ туры и химического состава грунтовых вод от глубины их зале­ гания (см. рис, 33, 41, 42), графики многолетних колебаний уров­ ней подземных вод и др. При картировании видов и разновидно­ стей режима подземных вод дополнительно приводят графики зависимости амплитуд колебаний уровней подземных вод и сро­ ков наступления их максимумов от удаленности до реки (см. рис. 11, 12), графики синхронизации связи между минимальны­ ми, максимальными и среднегодовыми уровнями в различных скважинах, а также зависимости их величин от атмосферных осадков или других режимообразующих факторов.

Аналитические карты

Под аналитическими понимаются карты, дающие представле­ ние об изменениях по площади какого-то одного картируемого элемента режима подземных вод. В соответствии с этим к числу аналитических может быть отнесена серия различных карт от­ дельных элементов режима подземных вод.

I. Карты глубин залегания грунтовых вод иа определенну дату (месяц или год в зависимости от целевого назначения карт). Составление карт глубин залегания грунтовых вод по фактическим значениям уровней возможно лишь в крупных мас­ штабах для ограниченных участков со сравнительно однородным геологическим строением и большим числом наблюдательных скважин. В большинстве случаев, особенно при составлении об­ зорных карт, реально возможным, как правильно отметили С. М. Семенов и А. А. Коноплянцев (1969), становится лишь составление карт относительного положения уровней подземных вод. Среди таких карт выделяются следующие типы.

1. Карты процентного отклонения картируемого уровня от его

татов статистической оценки уровней подземных вод, проведен ной по различным по длине рядам фактических наблюдений и с различными по типу законами распределения фактических данных.

3. Карты режима уровней подземных вод, характеризующи ся нормальным законом распределения, в нормированных значе­ ниях уровня или в долях от многолетней амплитуды колебаний уровней, как это было рекомендовано С. М. Семеновым п А. А. Коноплянцевым (1969), либо в модульных коэффициентах уров-

II. Карты амплитуд колебаний уровнен подземных вод, харак­ теризующих изменения их запасов в годовом или многолетнем периоде п отражающих одновременно размеры инфнльтрацнонного питания подземных вод. Для расчета максимально возмож­ ной многолетней амплитуды колебаний уровня подземных вод Д Я ми предварительно необходимо убедиться, что ряд наблюде­ ний охватывает и маловодные, и многоводные годы. Обычно для такой цели требуется не менее 10 лет наблюдений.

III. Карты времени наступления экстремальных значений уровней грунтовых вод по сезонам года и в многолетнем аспекте (время наступления предвесеннего минимума или начала весен­ него подъема уровня, время наступления максимальных весен­ них, летних п зимних уровней, годы наступления многолетних максимальных или минимальных уровней подземных вод и т. п.). Аналогичные карты могут также составляться и для отражения на них режима химического состава и температуры подземных вод.

В качестве зарамочного оформления перечисленных выше аналитических карт могут быть представлены также типовые графики режима подземных вод со статистической обработкой экстремальных значений уровней по Н. Д. Добровольской, графики зависимости годовых амплитуд колебаний уровней под­ земных вод от глубины их залегания для разных по обеспечен­ ности (или водности) лет, графики распределения сроков наступ­ ления экстремальных значений уровней или дебитов подземных вод за многолетие и т. п.

Комплексные карты

Под комплексными понимаются такие карты, на которых од­ новременно отражается несколько различных характеристик ре­ жима подземных вод. К числу комплексных могут быть отнесены карты баланса подземных вод с отражением на них инфнльтрационного питания (цветом), испарения (штриховкой) и подзем­ ного стока (изолиниями). В зарамочном оформлении карт балан­ са подземных вод выносят табличные данные расчета баланса по отдельным опорным точкам, типовые графики и уравнения,

использованные для расчета баланса по одиночным скважинам или группам скважин, графики зависимости инфильтрации и испарения от глубины залегания подземных вод (Лебедев, 1963), схемы дренирования и расчленения гидрографа реки и подзем­ ных вод.

Комплекспровать также можно и другие перечисленные выше аналитические карты, например карты минимальных глубин за­ легания грунтовых вод в виде изолинии и амплитуд колебании уровня грунтовых вод с цветной закраской, что тем самым дает представление сразу и о минимальных, и о максимальных уров­ нях подземных вод, или карты режима уровня и химического состава грунтовых вод.

Карты режима подземных вод могут составляться либо в виде информационных карт, отражающих условия залегания п состав подземных вод на различных стадиях их формирования, либо в виде карт прогнозов режима подземных вод с различной сте­ пенью, их заблаговременности. В качестве карт прогнозов режи­ ма подземных вод обычно составляют карты максимальных ве­ сенних, минимальных предвесенних пли летних, а также средне­ годовых уровней подземных вод как для текущего года, так и на несколько лет вперед. В зависимости от масштаба такие кар­ ты также составляют либо в относительных, либо в абсолютных величинах прогнозируемых уровней.

ПРОГНОЗЫ РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

В связи с хозяйственной деятельностью перед гидрогеолога­ ми встает задача давать не только региональную характеристику качества и количества подземных вод, имеющихся на отдельных территориях, но п составлять прогнозы их изменчивости как в годовом, так и в многолетнем разрезе. В частности заблаговре­ менно составленные прогнозы режима подземных вод могут явиться основой планирования рациональной эксплуатации под­ земных вод, борьбы с водопритоками в горные выработки, под­ топлением городских территорий, площадей 'разного рода стро­ ительства и сельскохозяйственных угодий, осуществления про­ тивооползневых и мелиоративных мероприятий, планирования севооборота сельскохозяйственных культур, а также для состав­ ления гидрологических прогнозов.

Типы прогнозов

По характеру изменений, происходящих в подземных водах, и причин, их вызывающих, можно выделить три группы их прог­ нозов (Коноплянцев, 1970).

1. Прогнозы нарушенного хозяйственной деятельностью режи­ ма подземных вод в условиях, когда искусственное воздействие на него значительно больше естественных изменений.

фактора. Наибольшее распространение эти методы могут полу­ чить при прогнозах приречного вида режима, определяемого ре­ жимом поверхностных вод, а также при прогнозах спада уров­ ней или дебитов подземных вод в периоды «независимого» их режима.

Расчетные формулы для прогноза минимальных расходов источников были предложены Майе, Губером и Буссинеском еще в 1904 г. для двух случаев:

1)мощность водоносного горизонта достаточно велика и из­ менением ее можно пренебречь;

2)мощность водоносного горизонта соизмерима с амплиту­ дами колебаний уровня.

Впервом случае изменение дебита источника описано урав­ нением

а во втором — уравнением

Qo — дебит источника в начальный момент его спада;

а— коэффициент истощения;

/— продолжительность’ спада дебита.

ВСССР эти уравнения получили распространение после вы­ хода в свет в 1938 г. работы «Режим подземных вод». Однако уравнения «независимого» или «упорядоченного спада дебита

источников для прогнозов естественного их режима были ис­ пользованы лишь в очень немногих работах, в частности И. Г. Глухова (1948) и В. Н. Богачева (1964), апробировавших этот метод соответственно на источниках Крыма и Ордовикско­ го плато.

При наличии четких независимых спадов уровней подземных вод закономерность их снижения может быть также охаракте­ ризована уравнением Майе—Буссинеска, которое можно запи­ сать по аналогии с уравнением (18), относительно мощностей грунтовых вод:

A t — промежуток времени между наблюдавшимся и прог­ нозируемым уровнями грунтовых вод.

Уравнение (20) может быть использовано для прогноза пред­ весеннего и летне-осеннего минимума уровня грунтовых вод. При этом за Н0 в первом случае принимается дренируемая мощность водоносного горизонта в момент устойчивого перехо­ да температур воздуха через 0°С, т. е. когда питание подзем­ ных вод уже практически исключено, а во втором — максималь­ ный весенний уровень, а за Н — искомая дренируемая мощность водоносного горизонта в период минимума (см. рис. 19,6).

Коэффициент истощения определяют по наблюдавшемуся пе­ риоду независимого спада уровня по уравнению

При сравнительно однородном строении осушаемой при спа­ де уровня зоны однажды определенный коэффициент истоще­ ния принимается постоянным для всего периода прогноза (как в течение одного сезона, так и в ряде случаев и в другие годы, характеризующиеся примерно равной водностью). В тех случа­ ях, когда осушаемая зона существенно разнородна, коэффици­ енты истощения должны быть определены отдельно для каждой осушаемой литологической разности пород.

Особенно значительные изменения коэффициентов истоще­ ния наблюдаются в карстовых и неравномерно трещиноватых породах вследствие того, что на первом этапе графики сниже­ ния уровней пли дебитов характеризуют истощение крупных

мельчайших трещин.

При сравнительно равномерной закарстованностп, трещино­ ватости и пористости пород коэффициент истощения равен обычно п - ІО-3, а при резкой неравномерной закарстоваиности и трещиноватости пород, приводящей к движению подземных вод по отдельным сравнительно изолированным каналам или зо­ нам, коэффициент истощения возрастает до /г-10—1.

Кривые спада, построенные в полулогарифмическом масш­

Коэффициент а в этом случае может быть определен как тан­ генс угла наклона прямой линии. При неравномерной трещино­ ватости или закарстованностп подобный график будет иметь один-два перегиба. При этом первый прямолинейный участок соответствует кривой истощения крупных дренирующих кана­ лов, а последний — истощению мелких трещин.

Выбор прогнозной даты наступления минимума (т. е. опре­ деление расчетного значения Л/) лучше всего производить на

основе построенных гистограмм распределения времени наступ­ ления минимума за многолетие, которые позволяют определить не только наиболее вероятное со статистической точки зрения время наступления этого минимума, но и охарактеризовать воз­ можный разброс его значений. Учитывая то, что зависимость снижения уровня имеет экспоненциальный характер, ошибка во времени наступления минимума, равная ± 5 и даже ± 10 су­ ток, не дает существенных ошибок в абсолютных значениях ми­ нимальных уровней.

Следует также отметить, что величины коэффициентов ис­ тощения зависят не только от фильтрационных свойств водовмещающпх пород и размеров водоносного горизонта, но и от степени увлажненности пород в зоне аэрации. Так, можно за­ метить, что в течение водообпльных лет илгг после них, а так­ же после сильного осеннего увлажнения зоны аэрации в пред­ шествовавшем году темп спада уровней или дебитов источни­ ков меньше, чем в год, следующий за одним или тем более за рядом засушливых лет (Ковалевский, 1972). Это также необхо­ димо учитывать при1выборе расчетного значения а.

Применение уравнений (18), (19) и (20) позволяет состав­ лять прогнозы не только минимальных уровней подземных вод или дебнтов источников с заблаговременностью до 3—5 меся­ цев, но и прогнозы уровней и дебитов на любой промежуток времени в пределах независимого их спада.

Значительное развитие получили также аналитические мето­ ды расчетов передачи подпора подземных вод под влиянием паводков в реках, каналах или водохранилищах (Биндеман, 1957; Веригин, 1949; Киселев, 1961; Лебедев, 1957; Огильви, 1956; Полубаринова-Кочнна, 1952; Шестаков, 1965 и др.). Однако прогнозы режима подземных вод в приречных зонах могут сос­ тавляться лишь с небольшой заблаговременностью, когда уже известны изменения уровней поверхностных вод. Давать прог­ нозы режима подземных вод до фиксирования экстремальных уровней поверхностных вод пока не представляется возмож­ ным, так как точность гидрологических прогнозов еще весьма низкая.

Вероятностно-статистические методы

Применение гидродинамических методов для прогнозов ре­ жима подземных вод является ограниченным в связи с тем, что в большинстве случаев естественный режим подземных вод и грунтовых вод в особенности формируется под одновременным воздействием комплекса режимообразующих факторов, суммар­ ный эффект которых интегрируется в регистрируемых наблюде­ ниями колебаниях уровней подземных вод. Несмотря на то что все изменения в режиме подземных вод обусловлены определен­ ными причинно-следственными связями, значительная часть ко­ торых имеет закономерный характер, в сезонном и многолетнем

режиме подземных вод все же немалую роль играет элемент случайности, так как случайным является само сочетание воз­ действий большого числа факторов (пусть даже строго законо­ мерных, чего в периоде не отмечается даже в наиболее ритми­ ческих явлениях).

Поэтому наиболее приемлемыми методами прогноза естест­ венного режима подземных вод становятся вероятностно-стати­ стические, позволяющие оценивать неоднозначность полученных прогнозов (с указанием диапазона возможных отклонений прог­ нозных значений), а также косвенно учитывать суммарный эф­ фект всех факторов.

Статистические методы могут быть объединены в две груп­ пы, основанные на корреляционном и гармоническом анализах.

Корреляционные методы прогнозов базируются на установ­ лении коррелятивных связей между прогнозируемым элементом режима грунтовых вод и определяющими его факторами. Кор­ реляционный характер связи в отличие от прямой функцио­ нальной связи означает наличие при одном и том же значении одной переменной ряда значений другой переменной, несколько отличающихся друг от друга вследствие различной степени участия остальных факторов. Корреляционный анализ заключа­ ется в установлении таких связен, определении их формы птес­ ноты.

Наличие связи устанавливается либо графически (путем ос­ реднения на графике эмпирически полученных точек какой-то линией пли серией линий), либо аналитически (путем состав­ ления корреляционных таблиц и расчетов коэффициентов корре­ ляции или корреляционных отношений).

Форма связи может быть линейной и нелинейной, а также парной или множественной. Связь называется линейной в том случае, когда она отражает зависимость одной переменной от другой (парная корреляция) в виде прямой линии на графике,

переменной у и независимой переменной х\

г— коэффициент корреляции, оценивающий тесноту связи и определяемый по уравнению

~уУ-Ъ{х—~xf п-слоу

Gy — среднеквадратическое отклонение прогнозируемой зависимой переменной от средней его величины:

Ox— среднеквадратпческое отклонение независимой пере­ менной от средней его величины:

п — число членов ряда (число лет наблюдений).

Парная связь может быть и нелинейной: логарифмической, параболической, экспоненциальной и др.

Однако анализ таких зависимостей может производиться так же, как и линейных, если возможно их приведение к линейным зависимостям методом замены переменных, например путем их логарифмирования пли другой трансформации формы связи.

Опыт составления прогнозов режима подземных вод по мно­ гочисленной се_тц наблюдательных скважин, расположенных в различных природных условиях СССР, показал, что прогнозы минимальных предвесенних и летних, а также среднегодовых уровней грунтовых вод во многих случаях могут быть сделаны именно на основе парных корреляционных связей и в частности на их зависимостях от каких-либо уровней предшествовавшего периода. Так, предвесенние минимальные уровни грунтовых вод довольно тесно связаны с январскими, декабрьскими и даже ноябрьскими уровнями, а минимальные летние или летне-осен­ ние уровни — с максимальными весенними (Семенов, 1968; Ко­ валевский, 1972). Коэффициенты корреляции этих связей при сравнительно больших (свыше 3—5 м) глубинах залегания грун­ товых вод иногда достигают 0,8—0,95 при заблаговременности

щих могут быть представлены и в другой, более универсальной форме: в виде корреляционных связей каждого последующего месяца (#„) от предыдущего (#„_)). Графики, построенные таким образом по точкам, отражающим связи среднемесячных уровней в пределах периодов спадов, не осложняемых какимилибо подъемами уровней, имеют, как правило, вид прямой ли­ нии. В некоторых случаях эти графики получаются криволиней­ ными с характером кривой, близким к степенной зависимости. Такие графики могут быть перестроены в логарифмическом масштабе или в координатах lg # „ —l g # n_i (рис. 51, а) после чего их спрямляют, что облегчает прогноз по ним. Лучше все­ го графики последнего типа строить для ряда лет. Тогда они будут отражать соотношения уровней или дебитов смежных месяцев для разных по водности лет, т. е. при низких и высо­ ких значениях уровней или дебитов. На рис. 51,6 приведен при­ мер такого графика, построенного для скв. 2 1 (Щемилово). Как видно из этого графика, данная связь характеризуется почти идеальной прямой линией. Разброс точек имеет место лишь в тех случаях, когда устанавливалась связь между уровнями та-