Влияние сезонной изменчивости поверхностного стока на эксплуатацию приречных месторождений подземных вод, методы ее учета в фильтрационной схеме в связи с повышением качества прогнозных оценок

А.А. Маслов (Геолинк Консалтинг)

Месторождения подземных вод в долинах рек являются одним из наиболее распространенных природных типов и в действующей типизации неслучайно занимают первое место. Само название этого типа отражает особенности расчетной фильтрационной схемы, наиболее значимым из которых является наличие поверхностного водотока, как основной балансово-гидрогеодинамической границы.

Выделение некоторого участка водоносной системы в качестве месторождения подземных вод в каждом конкретном случае обусловливается благоприятным сочетанием факторов и условий формирования подземного и поверхностного стока. Важнейшим из этих факторов является внутригодовая или сезонная изменчивость поверхностного и подземного стока. Внутригодовая изменчивость поверхностного стока, прежде всего, определяется природой гелиометеорологических процессов, а подземного стока - сезонными изменениями инфильтрационного питания подземных вод.

Влияние выраженной сезонной изменчивости поверхностного стока на балансово- гидрогеодинамические условия приречного месторождения в условиях до эксплуатации хорошо изучено, и известно под названием процесса берегового регулирования (рис.1).

Рис. 1. Принципиальная расчетная схема взаимодействия подземных и поверхностных вод в условиях изменчивости поверхностного стока.
а - межень; б - восходящая фаза половодья; в - нисходящая фаза половодья.

Анализ опыта оценки эксплуатационных запасов практически всех приречных месторождений свидетельствует о том, что используемые расчетные схемы исключают сезонные вариации поверхностного стока. При этом данные по сезонным изменениям стока используются для обоснования статистически высокообеспеченных минимальных величин принимаемых в расчетной схеме. На некоторых месторождениях данные по периодам высокой водности поверхностного стока являются балансовой основой для гидрогеодинамически обособленного расчета восполнения запасов в так называемой регулирующей емкости.

Используемая постановка задачи нередко объясняется соображениями инженерного запаса. Размер и адекватность таких расчетов неизвестна. Вместе с тем, очевидно, что сезонная изменчивость стока не учитывается. Существенным допущением расчетной схемы является и то обстоятельство, что предполагается, что поверхностный сток превосходит водоотбор.

В структуре гидрографической сети львиную долю занимают малые водотоки - до 95%.

Неравномерность распределения поверхностного стока до 80% в паводок уже не позволяет рассматривать сток как статичный даже и высокообеспеченный.

Высказанные соображения обусловили цель исследований - детальное количественное изучение балансово-гидрогеодинамических механизмов влияния сезонной изменчивости стоковых процессов на формирование эксплуатационных запасов месторождений подземных вод в долинах малых рек.

Рис. 2. Двуслойная расчетная схема месторождения, расчетные фильтрационные схемы гидрогеодинамической модели.
а - поверхностный водоток; б - первый от поверхности водоносный горизонт; в - второй от поверхности водоносный горизонт; г - относительно слабопроницаемые отложения.

Принципиальные особенности геологического строения, характерные для месторождений в долинах рек рельефно проявляются в двух типовых расчетных фильтрационных схемах (рис.2). Для малых речных долин типовыми являются однослойная и двуслойная схемы, выделяемые в действующий типизации как I и II. Эти фильтрационные схемы являются универсальными.

Анализ эксплуатации приречных месторождений позволяет типизировать балансовую структуру эксплуатационного водоотбора по характеру ее активности. Предложено выделять три типа: пассивная, активная и ограниченно-активная.

Условия пассивной структуры характерны для начальных этапов эксплуатации, когда в структуре водоотбора участвуют лишь емкостные запасы пласта. Продолжительность существования условий пассивной балансовой структуры определяется фильтрационными свойствами водовмещающих пород, удаленностью граничных контуров, прежде всего дренирующего поверхностного водотока. В условиях пассивной балансовой структуры принципиально не может быть достигнуто стационарное распределение понижений уровней подземных вод.

В подавляющем большинстве случаев депрессионная поверхность уровней подземных вод достигает дренирующего водотока. Происходит сокращение естественной разгрузки подземных вод в реку и возможно формирование расхода привлечения поверхностных вод. Эксплуатационный водоотбор, компенсированный сокращением разгрузки подземных вод и привлекаемыми ресурсами при условии сохранения подпертого режима фильтрации подземных вод под рекой на протяжении всего срока эксплуатации, отвечает условиям активной балансовой структуры. В условиях активной балансовой структуры возможно достижение стационарного распределения понижений уровней подземных вод, если режим поверхностного водотока не допустит возможности гидродинамической или балансовой конверсии граничного условия.

В подавляющем большинстве случаев, для месторождений подземных вод в долинах малых рек характерны условия ограниченно-активной балансовой структуры, определяемые небольшими размерами поверхностных водотоков и высокой сезонной изменчивостью их водного режима.

В этих условиях по причине гидродинамической или балансовой конверсии граничного условия на дренирующем водотоке происходит формирование свободного режима фильтрации подземных вод под рекой, обладающем существенными особенностями. Прежде всего, расход привлекаемого потока ресурсов поверхностных вод оказывается независимым от положения уровней подземных вод и определяется строением подрусловых экранирующих отложений и режимом поверхностного водотока. Свободный режим фильтрации может существовать периодически, в периоды межени, или постоянно.

Для изучения роли сезонной изменчивости поверхностного стока решены задачи для естественных условий и условий эксплуатации. При этом рассматривается два типа активности балансовой структуру водоотбора. Рассматривается плановая модель фильтрации в безнапорном водоносном горизонте, залегающем на горизонтальном водоупоре. Водоносный горизонт принят в плане полуограниченным, водообмен с нижезалегающим водоносным горизонтом отсутствует. Формирование потока подземных вод обеспечивается инфильтрационным питанием, разгрузка подземных вод осуществляется в поверхностный водоток.

Сезонная изменчивость поверхностного стока схематизирована для построения гидрогеодинамической модели гидрографом, отвечающим наиболее часто встречаемому типу сезонной изменчивости, когда в период весеннего половодья может проходить до 50-60% суммарного годового стока реки (рис.3).

Рис. 3. Схематизация сезонной изменчивости поверхностного стока.
1 - кумулятивная кривая годового объема поверхностного стока; 2 - уровень поверхностного водотока;
3 - превышение уровня поверхностного водотока над минимальным уровнем 95% обеспеченности;
4 - уровень поверхностного водотока 95% обеспеченности.

Результаты эксперимента показывают, что в естественных условиях происходит развитие процессов берегового регулирования. Годовая амплитуда колебаний уровней подземных вод в ближайшей приречной зоне не превосходит амплитуду изменения уровней в реке.

В условиях эксплуатации для активной балансовой структуры водоотбора характер развития процессов берегового регулирования полностью сохраняется.

В условиях ограниченно-активной структуры происходит формирование сезонных запасов подземных вод.

Уровенный режим в условиях активной схемы не претерпевает относительных изменений, происходит общее снижение уровней вследствие водоотбора.

Для ограниченно-активной структуры характерно существенное возрастание амплитуд колебаний уровней подземных вод, связанное с периодическим накоплением сезонных запасов.

В условиях активной балансовой структуры водоотбора ущерб речному стоку постоянен и точно соответствует водоотбору. Суммарный ущерб, при отсутствии бессточных форм разгрузки, отвечает сокращению разгрузки подземных вод в реку и формированию привлекаемых ресурсов поверхностных вод.

Для ограниченно-активной балансовой структуры водоотбора наблюдается существенное возрастание ущерба в период половодья, когда происходит формирование сезонных запасов и его уменьшение в периоды меженного стока. В этот период осуществляется сработка сезонных емкостных запасов подземных вод. Соизмеримость расходов реки, особенно меженных, с величиной водоотбора с учетом абсолютно преобладающей роли привлекаемых ресурсов поверхностных вод в балансовом обеспечении эксплуатации требуют количественного учета изменений поверхностного стока в гидрогеодинамических моделях. Эффективным приемом в этом случае является использование геогидрологических моделей.

Влияние сезонной изменчивости поверхностного стока изучено также и на двуслойной расчетной схеме месторождения. При этом рассмотрены два наиболее часто встречаемых варианта, отличающиеся положением относительно слабопроницаемых разделяющих отложений различного генезиса.

Для количественного учета изменений поверхностного стока при эксплуатации, а также реализации возможности полного перехвата поверхностного стока используется геогидрологическая модель.

Для двух рассматриваемых вариантов расчетной схемы в условиях ограниченно-активного типа балансовой структуры водоотбора принципиально подтверждаются все закономерности, полученные на однослойной расчетной схеме.

Время эволюции пассивной балансовой структуры в активную и ограниченно-активную составляет несколько месяцев. Доля сезонных запасов достигает 25-40%, возрастание амплитуд колебаний уровней подземных вод происходит в два и более раза.

Принципиальное балансово-гидрогеодинамическое влияние изменчивости стоковых характеристик на условия эксплуатации приречных месторождений показывает зависимость дебит-понижение. Сравнивая варианты, учитывающие изменчивость и не учитывающие, можно утверждать, что в условиях ограниченно-активной балансовой структуры будут получены либо разные понижения при одинаковых дебитах, либо различные дебиты при одинаковых понижениях. Величина ошибки может достигать 30% и более. В отличие от условий активной структуры, в условиях ограниченно-активной характер этой зависимости меняется, что свидетельствует о развитии и перестройке во времени балансовой структуры водоотбора.

Определение параметрической области, в которой наиболее вероятно формирование свободного режима фильтрации под рекой выполнено с привлечением методики рационального планирования эксперимента в следующей постановке.

Для широкого диапазона рассматриваемых параметров решается задача определения возможного водоотбора в эксплуатационной траншее при условии достижения допустимого понижения в 60% от мощности водоносного горизонта в месте заложения траншеи. Критерием наступления свободного режима фильтрации под рекой является отношение фактического понижения на урезе реки к достаточному для достижения условий свободного режима. Критериальным значением этого относительного понижения, таким образом, будет значение 1.

Анализ частных зависимостей от рассматриваемых факторов, позволил оконтурить параметрическую область наиболее вероятного наступления свободного режима фильтрации. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что вероятность наступления свободного режима фильтрации при эксплуатации приречных месторождения достаточно высока, что подтверждается на практике.

Сопоставление гидродинамического и геогидрологического подхода к схематизации граничного условия на реке показывает, что гидрогеодинамический подход оказывается достаточно жестким в части прогноза стока реки в замыкающем створе месторождения. Кроме того, балансовую обеспеченность реки необходимо дополнительно контролировать. Это обстоятельство приводит в частности к тому, что оценки зоны свободного режима фильтрации под рекой оказываются несколько заниженными в сравнении с геогидрологической схематизацией.

Необходимость учета внутригодовой изменчивости поверхностного стока в прогнозных расчетах эксплуатации может быть эффективно преодолена с использованием разработанного гидрологами метода компоновки гидрологических величин. Метод принципиально позволяет получить фазово-однородные характеристики стока заданной вероятности превышения и требуемой детальности временной дискретизации.

В том числе и на основании этой методики построена карта режима поверхностных вод территории России.

Опубликованные гидрографические данные обычно представляют собой типовое внутригодовое распределение стока реки с месячной временной дискретизацией. При этом расходы выражаются в процентах от годового расхода реки. Такие типовые распределения, дополненные морфометрическими данными могут быть эффективно использованы при прогнозных расчетах эксплуатационных запасов, особенно если используется геогидрологическая модель.

Обобщая результаты выполненных исследований, можно сформулировать следующие выводы:

1. Сезонная изменчивость поверхностного стока является запасообразующим фактором, т.е. оказывает количественное влияние на характер индикаторной связи "дебит - понижение", только в условиях долговременного существования достаточно обширной зоны свободного режима фильтрации под рекой. Такая гидрогеодинамическая обстановка определяет ограниченно-активную балансовую структуру эксплуатационного водоотбора с формированием значимых величин сезонных емкостных запасов и характерна, главным образом, для месторождений подземных вод в долинах малых рек.
2. Поисковым признаком для данного типа месторождений является совокупность параметрических показателей, среди которых наиболее значимыми являются: высокое положение уровня конверсии граничного условия (не ниже 2.5 м от дна реки), средняя степень несовершенства реки (удельное фильтрационное сопротивление экрана в диапазоне 0.1 - 30 сут), достаточная мощность водоносного горизонта (более 15 м). Наиболее эффективным для формирования сезонных запасов подземных вод является широко распространенный на территории России тип гидрологического режима с преобладающим снеговым питанием, характеризующийся одно- двухвершинным гидрографом с выраженным весенним половодьем, концентрирующим основной объем годового стока, и продолжительным периодом низкой водности.
3. Достоверный прогноз работы водозабора и его воздействия на окружающую среду для этого типа месторождений возможен только на основе геогидрологической модели с реализацией внутригодовой изменчивости стоковых характеристик. Для обоснования расчетного внутригодового распределения поверхностного стока наиболее эффективен метод компоновки гидрологических величин, позволяющий получить распределение фазово-однородных расходов нормативной вероятности превышения при произвольной временной дискретизации.
     Учет сезонной изменчивости стока малых рек позволяет повысить расчетную производительность водозаборных сооружений от 15-30% при ординарной параметрической характеристике месторождения до 100-150% при экстремально благоприятном сочетании параметров.
4. В условиях ограниченно-активной балансовой структуры водоотбора ущерб стоку малой реки на участке свободного режима фильтрации под рекой утрачивает функциональную связь с величиной и схемой водоотбора и определяется только режимом поверхностного стока и экранированностью русла.
5. При разведке подземных вод в малых речных долинах приоритетное значение должно придаваться изучению генезиса и фильтрационного строения подрусловой экранирующей толщи для обоснования ее параметрических характеристик и положения плоскости потенциального разрыва привлекаемого потока. Необходимо предпринять расширенный комплекс гидрологических работ для оценки параметров гидравлической модели водотока и обоснования функции внутригодового распределения речного стока в зоне месторождения с нормативной вероятностью превышения.

Для окончательной идентификации типа месторождения при его освоении целесообразно предусматривать этап опытно-промышленной эксплуатации с организацией достаточной сети мониторинга гидрогеодинамического и гидрологического режима. Однозначным диагностическим признаком проявления ограниченно-активного типа баланса эксплуатационного водоотбора является отчетливо выраженное существенное возрастание амплитуд внутригодовых колебаний уровней подземных вод по сравнению с их естественной величиной и с амплитудой изменения уровней реки. Эти явления развиваются на 2-3-й год эксплуатации и наиболее выражены в прирусловой части днища долины.