Гидрогеодинамическое обоснование комбинированного использования водных ресурсов

Введение.

Актуальность темы. Проблема прогрессирующего дефицита водных ресурсов в настоящее время принимает глобальные масштабы - по данным Генеральной Ассамблеи ООН 1.1 миллиард людей во всем мире не имеют доступа к чистой питьевой воде, а в регионах с острым дефицитом воды проживает около 470 миллионов человек.

Наиболее остро стоит проблема сезонного дефицита располагаемых водных ресурсов в бассейнах малых рек, меженные расходы которых соизмеримы с величиной водопотребности.

Традиционные способы увеличения располагаемых водных ресурсов (РВР) ограничиваются экономическими, экологическими и природными условиями. Другой способ - комбинированное использование водных ресурсов - основан на рациональной динамической комбинации поверхностных и подземных водоисточников для обеспечения полной водохозяйственной потребности.

Комбинированное использование водных ресурсов рассматривалось многими исследователями, однако как в РФ, так и за рубежом разработано недостаточно:
1. Отсутствует единая терминология, поэтому понятия <совместное>, <комплексное>, <комбинированное> использование подземных и поверхностных вод не имеют однозначного толкования.
2. Не разработаны общая методика и практические подходы к решению проблемы комбинированного использования водных ресурсов.
3. Отсутствует систематика и детальный анализ условий и типовых схем организации компенсационных подземных водозаборов.
4. Не рассмотрены вопросы поиска месторождений и оценки запасов подземных вод с учетом использования комбинированных систем водоснабжения.
5. Соответственно не разрабатываются и не предполагаются к разработке подобные проекты для реальных водохозяйственных объектов (за единичными исключениями).

Все вышеперечисленное обусловливает актуальность исследований в этом направлении.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы является исследование периодической работы компенсационных водозаборов при комбинированном использовании водных ресурсов - в основном, применительно к вопросам формирования ущерба речному стоку.

Поставленная цель требует решения следующих задач:
1. Детализировать концепцию комбинированного использования водных ресурсов применительно к малым речным бассейнам.
2. Обосновать благоприятные гидрогеологические условия для эффективной организации комбинированных водозаборных систем.
3. Апробировать существующие методы аналитических расчётов и моделирования применительно к периодической работе компенсационных водозаборов в малых речных бассейнах.
4. Выполнить в факторно-диапазонной постановке параметрический анализ для выделенных типовых гидрогеологических схем.
5. Показать возможности эффективного применения комбинированных водозаборных систем на реальных природных объектах.

Методы исследований включали в себя сбор и анализ отечественной и зарубежной литературы по вопросам комбинированного использования водных ресурсов и влияния отбора подземных вод на речной сток. Для изучения особенностей формирования ущерба речному стоку использовались аналитические методы расчета и методы численного модельного эксперимента. При создании математической модели исследуемых природных объектов анализировались фондовые материалы, данные режимных наблюдений, гидрогеологические и водохозяйственные условия. Для математического моделирования фильтрации использовался программный пакет ModTECH 3.13.0024 (производства компании ЗАО <Геолинк Консалтинг>) за исключением специально оговоренных случаев.

В основу данной работы легли фактические материалы, полученные в процессе выполнения договорных работ, в том числе в рамках государственного контракта от 14 июля 2007 г. N 02.515.11.5033 в течение 2007-2008 гг. с Федеральным агентством по науке и инновациям РФ.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1. Сформулированы типовые водохозяйственные задачи, которые могут быть эффективно решены с использованием комбинированных водозаборных систем, периодически использующих естественные запасы подземных вод без ущерба речному стоку. По степени взаимосвязи подземных и поверхностных вод выделены три подтипа месторождений подземных вод в речных долинах, благоприятные для организации комбинированных водозаборных систем.

2. Введено понятие <емкостного сопротивления> для оценки ущерба речному стоку. Величина емкостного сопротивления определяется продолжительностью внутригодового периода работы водозабора и обобщенными параметрами уровнепроводности и <физического>, <виртуального> или <глубинного> удаления водозабора от реки.

3. На основе серии численных модельных экспериментов в репрезентативном природном параметрическом диапазоне установлены закономерности развития ущерба речному стоку при циклической работе компенсационных водозаборов. Для этих условий предложены эмпирические регрессионные зависимости между величиной ущерба и емкостного сопротивления.

4. Установлены границы применимости существующих аналитических решений для оценки ущерба стоку рек с различной степенью несовершенства. Для модельных решений установлены характер и масштаб погрешностей, возникающих при незавершённости воспроизведения начальных уровней; разработаны количественные критерии завершения сезонно-циклических задач по сходимости уровней и относительных величин русловой разгрузки подземных вод.

По результатам проведенных исследований сформулированы следующие защищаемые положения:

1. Располагаемые водные ресурсы малых речных бассейнов могут быть существенно повышены за счёт периодического использования естественных (емкостных или упругих) запасов подземных вод в периоды сезонного дефицита речного стока.

2. Благоприятные гидрогеологические условия для эффективной организации комбинированных водозаборных систем существуют при максимальных величинах емкостного сопротивления эксплуатируемой водоносной системы, зависящего от суммы физического и виртуальных расстояний между водозабором и рекой, обобщённой уровнепроводности водоносной системы и продолжительности внутригодового цикла действия водозабора. Такие условия существуют при эксплуатации грунтовых водоносных горизонтов на достаточном удалении от реки (в случае высокой степени взаимосвязи с ней) либо в непосредственной близости от русла при высоком сопротивлении ложа реки, а также при эксплуатации межпластовых водоносных горизонтов.

3. Для широкого природного параметрического диапазона зависимость единичного ущерба от емкостного сопротивления при периодическом действии компенсационных водозаборов удовлетворительно описывается степенной функцией и может быть с достаточной практической точностью использована для предварительных оценок ущерба речному стоку на ранних стадиях поисково-разведочных работ.

4. Для аналитических расчётов ущерба речному стоку при длительном периодическом действии водозаборов наиболее точной является циклическая модификация решения B.Hunt, за исключением области малого несовершенства рек. При модельных расчётах предпочтительней использование метода суперпозиции; при решении относительно полной функции напора начальные условия должны быть воспроизведены с выполнением как минимум двух критериев - погрешность схождения уровней подземных вод не более 0.001 м и балансового схождения величины относительной русловой разгрузки не более 5^.10^-5.

Практическая значимость состоит в следующем:

1. Основные положения работы применены при оценке ущерба речному стоку и оптимизации нагрузки на компенсационные водозаборы для технического водоснабжения по теме <Разработка правил управления подпиткой озёр-охладителей Калининской АЭС подземными водами>.

2. Разработаны практические предложения по реализации систем комбинированного использования водных ресурсов на освоенных и разведанных месторождениях подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения (Августовское, Пермиловское, Амбарнинское месторождения).

3. Предлагаемые регрессионные зависимости ущерба речному стоку от величины емкостного сопротивления позволяют с достаточной практической точностью выполнять предварительные оценки на поисковой и оценочной стадиях поисково-разведочных работ для изыскания источников хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Апробация результатов исследования и публикации. Основные положения и результаты работ докладывались на шести конференциях: VIII Международной конференции <Новые идеи в науках о Земле> (Москва, 2007), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2007" (Москва, 2007), Международной научно-практической конференции <Инновационное развитие геологической науки - путь к эффективному и комплексному освоению недр> (Минск, 2007), 33 International Geological Congress (Осло, 2008), International Interdisciplinary conference on predictions for hydrology, ecology, and water resources management: using data and models to benefit society - Hydropredict 2008 (Прага, 2008), Российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной <Году Планеты Земля> (Москва, 2009). Результаты работ были представлены на 8-м Международном конгрессе <Вода: экология и технология> Экватек-2008 (Москва, 2008), получены медаль и диплом II-й Международной выставки и конгресса <Перспективные технологии XXI века> за разработку темы <Комбинированная водозаборная система> в разделе <Рациональное природопользование> (Москва, 2008).

Основные положения работы изложены в тринадцати публикациях, в том числе в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Работа изложена на 233 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 78 рисунков, 25 таблиц. Список использованной литературы включает 137 наименований.

Благодарности. Особую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю профессору, д.г-м.н. Р.С. Штенгелову за неоценимую помощь, постоянную научную и моральную поддержку и содействие в процессе выполнения и написания работы. Постоянные консультации и ценные советы при написании работы давал доцент А.А. Маслов, которому автор выражает признательность и благодарность. Автор признателен профессорам В.М. Шестакову, В.А. Всеволожскому, С.П. Позднякову, К.Е. Питьевой, А.В. Лехову, доцентам С.О. Гриневскому, М.С. Орлову, В.М. Семеновой, с.н.с. С.А. Брусиловскому и всем преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии геологического факультета МГУ за полученные знания в процессе обучения и работы на кафедре.

В процессе написания работы автор сотрудничала с преподавателями кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ. Автор выражает благодарность администрации ЗАО <Геолинк Консалтинг> за предоставленную возможность использования программного пакета ModTECH 3.13.0024.

Искреннюю благодарность автор выражает своей маме, И.П. Прошкиной за тягу к знаниям, привитую с детства.