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

подземных вод, показывает, что роль различных гидрометеоро­ логических факторов проявляется в режиме подземных вод лишь в течение ограниченного промежутка времени. Обычно ме­ теорологическая обстановка конкретного года проявляется в ре­ жиме подземных вод в течение одного года, реже двух-трех лет. Таким образом, прогнозы, основанные на установлении свя­ зен режима подземных вод с гидрометеорологическими факто­ рами, имеют небольшую заблаговременность.

Поэтому долгосрочные многолетние и сверхдолгосрочные прогнозы должны базироваться на других принципах: корреля­ ционных связях с прогнозируемыми гелпогеофизнческнми про­ цессами, учете инерционности водоносных горизонтов (т. е. на автокорреляционном или гармоническом анализе с выделением и экстраполяцией цикличности в режиме подземных вод), экст­ раполяции колебаний уровней пли расходов подземных вод как случайного процесса.

Прогнозы режима подземных вод по корреляционным свя­ зям могут осуществляться методом как парной, так и множест­ венной корреляции. Для этой цели могут быть использованы связи с солнечной активностью, атмосферной циркуляцией, ну­ тационными колебаниями полюса Земли и лунными прилива­ ми, прогнозы которых составляются. Однако следует иметь вви­ ду, что прогнозы этих процессов не являются еще достаточно точными. Поэтому использование для прогнозов режима под­ земных вод нескольких предикторов (прогнозных значений гелпогеофизическпх факторов) приведет к сложению ошибок всех прогнозов.

В значительной мере условной является экстраполяция на прогнозируемый период вскрытой визуально или автокорреля­ ционным методом цикличности в режиме подземных вод. Боль­ шинство наблюдений за режимом подземных вод слишком крат­ ковременны для установления достоверных средних параметров цикличности. Единичные продолжительные наблюдения показы­ вают, что цикличность в режиме подземных вод весьма неус­ тойчива как по периодам, так и по амплитудам. Поэтому экст­ раполяция таких колебаний любым методом не лишена субъ­ ективности.

Рассмотренные выше многолетние закономерности уровнен подземных вод, а также обусловливающих их гелиогеофизических факторов показали, что в колебаниях уровней подземных вод выделяются серии циклов, характеризующихся различными •амплитудами и периодами. В зависимости от гидрогеологичес­ ких и климатических условий района могут быть выделены от­ дельные преобладающие циклы. Однако в наиболее общем ви­ де наблюдающиеся колебания уровней подземных вод являют­ ся результирующей сложения различных гармонических коле­ баний с периодами в 2, 6 , 11, 19 и т. д. лет, которые могут быть выражены уравнением

жающий случайное появление отклонений колебаний различных режимообразующих факторов от их усредненных параметров. Случайная компонента вследствие слишком произвольной ап­ проксимации непериодических колебаний синусоидами может достигать такой величины, что прогнозы режима в этих случа­ ях данным методом могут оказаться совершенно нереальными.

Выделение характерных для каждого конкретного района циклов может осуществляться различными методами — автокор­ реляционным, спектральным или периодограммным анализом, а также методом разложения фактических колебаний в ряд Фурье с определением основных параметров гармоник А,-, Г, и а; и составлением на этой основе прогнозного уравнения типа уравнения (33), прогноз по которому осуществляется путем под­ становки различных значений t. Один из таких методов рас­ смотрен Э. А. Зальцбергом.

Экстраполяция колебаний уровней подземных вод в будущем может быть основана на допущении, что установленные законо­ мерности колебаний сохранятся. Выявление генетических свя­ зей при этом не предусматривается. Прогноз в этом случае ба­ зируется на методе анализа режима подземных вод как стацио­ нарного случайного процесса с использованием линейных экст­ раполяционных формул типа

* Пр (t + ni) = о.уХ (t — 1) + а.2х (t — 2) + . . . -f а пх (t — п), (34)

где х'пр(t + m )— прогнозное значение уровня или дебита с забла­ говременностью m от момента времени t-,

ai — коэффициенты, определяемые по системе урав­ нений с учетом корреляционной функции наблю­ давшегося ряда;

x (t—г) — значения членов ряда в промежутки времени, от­ личающиеся на величину сдвига т.

Данный метод, опробованный С. П. Сидоркиной (1970), поз­

воляет составлять прогнозы с заблаговременностью около 10— 15% от длины анализируемого ряда.

Все рассмотренные пути долгосрочных и сверхдолгосрочных прогнозов режима подземных вод позволяют лишь выявить тен­ денции в многолетнем ходе колебаний уровней подземных вод, подойти лишь к приближенной количественной оценке разме­ ров этих изменений в многолетнем разрезе. Особенно ненадеж­ ными такие прогнозы могут оказаться в периоды экстремаль­ ных значений уровней грунтовых вод. На ветвях же многолет­ него их спада или подъема прогнозы среднегодовых уровней в различных случаях могут выдаваться с удовлетворительной точ­ ностью при заблаговременности до двух и трех лет, а иногда и более. Основными способами прогноза в таких случаях могут быть следующие:

а) составление уравнений регрессии отдельно для периодов спада и периодов подъема в виде зависимостей последующего' уровня от предыдущего (Коноплянцев, 1967);

б) установление графическим способом зависимостей после­ дующих уровней от предыдущих сразу для ряда лет по анало­ гии с зависимостями, показанными на рис. 51 отдельно для пе­ риодов спада и подъема.

Долгосрочные прогнозы режима подземных вод еще в дос­ таточной мере не разработаны и характеризуются довольно низ­ кой точностью. В связи с этим такие прогнозы следует по воз­ можности дублировать, применяя различные методы пли спо­ собы составления прогнозов, в том числе простую парную кор­ реляцию уровней подземных вод с отдельными гелиогеофизпческими факторами, рассмотренными выше.

Балансовые методы

Балансовые методы прогнозов режима подземных вод осно­ ваны на решении уравнения общего баланса какой-либо терри­ тории или балансового уравнения грунтовых вод. Отдельные элементы водного баланса оцениваются либо эксперименталь­ ным путем,-либо путем гидродинамического анализа режима грунтовых вод.

Поскольку для таких прогнозов приходится использовать ли­ бо прогнозные, либо среднемноголетнпе данные по атмосфер­ ным осадкам, температурам воздуха пли испарению, примени­ мость этих методов ограничивается в связи с тем, что не для каждого района и не всегда можно получить от гидрометео­ службы достаточно достоверные и заблаговременные прогнозы вышеуказанных факторов. Поэтому балансовые методы прогно­ зов режима грунтовых вод более применимы в орошаемых рай­ онах, где основной приходной статьей баланса является водо­ подача, которую можно планировать. Однако балансовые мето­ ды могут использоваться для составления приближенных прог­

нозов режима грунтовых вод и в естественных условиях, напри­ мер для прогноза весеннего подъема уровня. Два варианта применения таких прогнозов рассмотрены А. В. Лебедевым (1956) поэтому на них мы здесь не останавливаемся.

Метод гидрогеологической аналогии

В тех случаях, когда по каким-либо причинам исключена возможность составления прогнозов режима подземных вод на основе сравнительно точных методов (аналитических, вероят­ ностно-статистических или балансовых), они могут строиться на гидрогеологической аналогии. Составление подобных прогно­ зов базируется на общих гидрогеологических закономерностях. Они могут быть двух видов: прогнозы во времени и прогнозы по площади.

Обычно прогнозы методом аналогии используются при от­ сутствии наблюдений вообще или систематических наблюдении, но когда известны гидрогеологические условия территории (глу­ бины залегания подземных вод, литологический состав водо­ вмещающих пород и т. п.). Точность таких прогнозов невелика, однако они' могут иметь большое практическое значение. При­ менение метода аналогии для прогнозов режима подземных вод рекомендовалось многочисленными авторами (Коноплянцев, 1964; Коробейников, 1969 и др.).

Приведем некоторые примеры возможного применения ме­ тода гидрогеологических аналогий для прогноза режима грун­ товых вод.

1. Наблюдая в пределах какого-либо промежутка времени темп спада уровня и предполагая в результате анализа при­ родной обстановки, что не будет происходить резкого его изме­ нения, можно иногда прогнозировать по данному темпу спада уровень на один-два месяца вперед.

2. Установив в предыдущие годы зависимость соотношения амплитуд колебаний уровней грунтовых вод АІггр и воды в ре­ ке Ahp в период паводка от расстояния наблюдательных сква­ жин до берега реки, можно затем, зная амплитуду колебаний уровней воды в реке, определить амплитуды колебаний уров­ ней воды не только в наблюдательных скважинах, но и в лю­ бом месте между ними, используя для этой цели составленные заранее графики.

Для прогноза времени наступления максимальных уровней подземных вод, вызванных их подпором со стороны реки, как отмечалось выше, составляют графики зависимостей времени отставания пика (максимальных уровнен) подземных вод для наблюдательных скважин, удаленных от реки на различные расстояния, от соответствующего пика уровней воды в реке для

тавленпе вышеуказанных графиков позволит в ряде случаевпрогнозировать по аналогии время наступления максимальных

Ковалевский, Семенов, 1963) и гидрогеологического райониро­ вания территорий по условиям формирования режима грунто­ вых вод позволяет не только прогнозировать амплитуды коле­ баний уровней грунтовых вод и определять сроки наступления минимумов и максимумов во вновь пробуренных скважинах или в скважинах с ограниченным периодом наблюдений, ио и экст­ раполировать результаты прогноза режима подземных вод на широкие площади, т. е. картировать данные по прогнозу ре­ жима подземных вод.

5. В качестве прогнозных элементов, полученных методом аналогии, могут рассматриваться и некоторые самые общие ста­ тистические характеристики результатов многолетних наблюде­ ний за режимом подземных вод. К ним могут быть отнесены средние многолетние значения уровней грунтовых вод по отдель­ ным месяцам, среднемноголетние значения максимальных, мини­ мальных и среднегодовых уровней. Данные характерные пара­ метры режима могут быть получены либо простым аналитиче­ ским расчетом, либо как среднемедианные значения, либо путем

графической обработки результатов наблюдений — в виде ги­ стограмм или графиков распределения.

6 . Основываясь на аналогии в водности года, которая может быть оценена по сопоставлению размеров атмосферных осадков или поверхностного стока с пх нормами, можно выбрать из име­ ющегося длинного ряда наблюдений год-аналог, на основании которого определить прогнозные величины основных прогнози­ руемых элементов. Подобным же образом могут быть выбраны типичные графики для лет разной обеспеченности.

В частности при наличии ограниченного ряда наблюдений за режимом подземных вод, построив по имеющимся данным гра­ фики обеспеченности и экстраполировав по ним прямые или кри­ вые линии, можно составить представление о возможных значе­

ным образом прогноз возможных амплитуд колебаний уровнен подземных вод с различной их обеспеченностью.-

7. К методу аналогии можно также отнести визуальное выде­ ление многолетних циклических колебаний уровней подземных вод с экстраполяцией этой цикличности на будущее. При этом предполагается, что периоды дайной цикличности и амплитуды, циклов сохранятся.

Приведенное выше краткое описание главным образом сущ­ ности известных методов прогнозов естественного режима уровня грунтовых вод показывает, что данному вопросу посвящено до­ вольно много работ и что гидрогеологи обладают довольно раз­ нообразными методами прогнозов. Один из них разработаны

практически не разработаны, а только намечены. Вместе с тем все методы требуют широкого внедрения в практику работ гид­ рогеологических станций и массовой апробации в различных при­ родных условиях.

Дальнейшее совершенствование прогнозов режима подземных вод должно базироваться на детальном анализе гидрогеологиче­ ских условий, определяющих региональные закономерности ре­ жима и баланса подземных вод, на изучении механизма и про­ цессов формирования режима и баланса подземных вод с вскры­ тием генетических связей отдельных элементов режима подзем­ ных вод с определяющими их режимообразующими факторами.

Оценка точности прогнозов

Оценка точности или качества выполненных прогнозов произ­ водится по комплексу критериев.

Первым критерием является коэффициент корреляции г или корреляционное отношение R, показывающее тесноту установлен­ ных связей прогнозируемого уровня подземных вод с определя-

ющпмн его режимообразующимм факторами. Связи могут счи­ таться удовлетворительными при значениях скорректированных коэффициентов корреляции Rh> 0,7 и хорошими R i,> 0,8.

Вторым критерием является соотношение полученной средне­ квадратической ошибки прогноза S,, с допустимой ошибкой А, в качестве которой обычно принимается

Третьим критерием является оправдываемость прогнозов, оце­ ниваемая по сопоставлению фактических наблюдений и расчет­ ных значений уровней, полученных в виде эпигноза по рас­ четному уравнению. Прогнозы могут считаться удовлетворитель­ ными тогда, когда более чем в 80 случаях из 1 0 0 расчетное зна­ чение не отличается от фактического на заданную в зависимо­ сти от целей исследований величину допустимого отклонения А.

В качестве числовой оценки эффективности методов прогно­

зов, используемой для их сравнения, в гидрологии обычно прп-

Sу

меняют еще четвертый критерии — отношение—— , где Sy — Ои

средняя квадратичная ошиока проверочных прогнозов, а аѵ — среднее квадратичное отклонение предсказываемой переменной

от нормы. Приемлемыми принято считать методы прогнозов, для

Sy

которых отношение —— не превышает 0 , 8 при числе провероч­

S v

ных прогнозов не менее 25, а хорошими — при —— <0,674.

0 у

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема изучения условий формирования режима подзем­ ных вод с вскрытием генетических причин, обусловливающих особенности их режима, и обоснованием научных основ состав­ ления его прогнозов является настолько сложной и многообраз­ ной, что охватить ее с достаточной полнотой в одной работе не представляется возможным. Поэтому здесь рассмотрены лишь основные факторы, определяющие режим подземных вод, пока­ зана их роль в формировании количественных и качественных из­ менений, наблюдающихся в подземных водах, вскрыты лишь наиболее общие закономерности естественного режима грунто­ вых и напорных вод (как внутригодового, так и многолетнего). Основное внимание при этом было уделено тем закономерностям режима подземных вод, которые прямо или косвенно могут быть использованы при его прогнозировании.

В работе также показана принципиальная возможность со­ ставления разного рода прогнозов режима подземных вод (с раз­ личной заблаговременностью), необходимость картирования ре­ жима подземных вод и его статистического анализа.

Рассмотренные закономерности режима подземных вод пока­ зывают, что наблюдаемые в подземных водах изменения как ка­ чественные, так и количественные не являются «случайными», а имеют совершенно определенные причино-следственные связи. Сложность анализа последних определяется интерференцией сум­ марного воздействия серии режимообразующнх факторов, эф­ фект которых проявляется неодинаково в разнообразных гидро­ геологических условиях. Поэтому основными методами анализа и прогноза режима подземных вод становятся такие, которые позволяют учитывать многофакторность процесса, помогают рас­ членять суммарный эффект на его составляющие, анализировать наблюдавшиеся изменения в режиме подземных вод в комплексе с учетом всей его предшествовавшей истории.

Рассмотренные связи режима подземных вод с различными факторами указывают, несмотря на инерционность подземных вод, на его тесную зависимость от режима гидросферы и атмос­ феры, а следовательно, и на перспективность анализа и прогно­

зов режима подземных вод по его корреляции с гелиогеофнзпчеекими факторами. Сложность и многофакторность таких свя­ зей обязывает еще шире внедрять в практику гидрогеологиче­ ских исследований вычислительную технику, использовать аппа­ рат математической статистики.

Дальнейшие исследования в данной области должны быть направлены на углубленное изучение процессов, формирующих режим и баланс подземных вод, разработку на этой основе объ­ ективных критериев, позволяющих экстраполировать результаты наблюдений и прогнозы режима подземных вод по площади, усо­ вершенствование генетических и вероятностно-статистических ме­ тодов прогнозов режима подземных вод, повышение заблаговре­ менности и достоверности прогнозов режима подземных вод, ана­ лиз региональной синхронности и асинхронности режима подзем­ ных вод, а также на выявление возможности более широкого практического использования результатов наблюдений за режи­ мом подземных вод и его прогнозов в народном хозяйстве.

А.А. Коноплянцева. М., Госгеолтехнздат, 1954, с. 6—32.

Ба с о в Г. Ф. Итоги пятидесятилетнего изучения гидрогеологическойг

роли лесных полос Каменной степи. — «Почвоведение», 1948, № 8, с. 475—483.

с.1067— 1070.

Га с с П. М. Определение параметров артезианских пластов по бароме­ трической эффективности. — В кн.: Вопросы изучения и анализа режима

1956, сб. 14, с. 221—228. (Труды ВСЕГИНГЕО).

Ги р с А. А. Основы долгосрочных прогнозов погоды. Л., Гидрометеоиз­ дат, 1960. 560 с.

Ги р е А. А. Многолетние колебания атмосферной циркуляции и долго­

с.50—56. (Труды Лаб. гндрогеол. пробл. им. Ф. П. Саваренского).

Дз е р д з е е в с к и й Б. Л. Циркуляционные механизмы в атмосфере се­ верного полушария в XX столетии. М., Изд. пн-та географии АН СССР,.

1968. 240 с.