Гидрогеодинамическое обоснование комбинированного использования водных ресурсов

Геовикипедия
wiki.web.ru

Поиск

Главная страница

Конференции: Календарь / Материалы

Каталог ссылок

Словарь

Форумы

В помощь студенту

Последние поступления

Геология >> Гидрогеология | Диссертации

Обсудить в форуме

Добавить новое сообщение

Гидрогеодинамическое обоснование комбинированного использования водных ресурсов

Филимонова Елена Александровна
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

содержание

2. Основные положения концепции комбинированного использования водных ресурсов.

В соответствии с представлениями В.С. Ковалевского и далее в работе под <комбинированным использованием> понимается технологически и оперативно сопряжённый процесс водоотбора заданного назначения из поверхностных и/или подземных источников, обеспечивающий нужную производительность независимо от временных критических изменений количественного или качественного состояния какого-либо из этих источников.

При всём многообразии частных проблем водохозяйственного профиля нами выделены типовые задачи, которые могут быть эффективно решены путём комбинированного использования водных ресурсов [7]:
1. <Задача компенсации> - периодический отбор подземных вод в периоды снижения поверхностного водоотбора из-за дефицита речного стока,
2. <Задача замещения> - полная замена поверхностного водоотбора подземным на период временного катастрофического ухудшения качества речной воды,
3. <Задача релаксации> - замена части подземного водоотбора поверхностным на участках <переэксплуатации> подземных вод,
4. <Задача регенерации> - частный случай задачи компенсации с периодическим использованием подземных вод для обеспечения МДР в дефицитные периоды речного стока.

Наиболее типичной и практически востребованной является задача компенсации (включая регенерацию), поэтому проблема комбинированного использования в диссертационной работе анализируется применительно к ситуации балансового дефицита речного стока. В этом случае комбинированная водозаборная система представляет собой единый водохозяйственный комплекс, состоящий из двух раздельных водозаборов - основного (ОВ) и компенсационного (КВ), которые управляются по общему диспетчерскому графику для обеспечения суммарной водохозяйственной потребности (рис. 1). ОВ с поверхностной или подземной формой водоотбора обеспечивается речным стоком, его дебит регулируется по фактическому расходу реки, исходя из условия сохранения МДР. В низководные периоды, когда его работа приведёт к недопустимому ущербу речному стоку, временно включается подземный КВ, который погашает разность между потребностью и допустимым изъятием речного стока и должен быть обоснован таким образом, чтобы не приводить к снижению расхода или уровней реки ниже нормативных величин в любой период года [2, 4].

Рис. 1. Пример соотношения производительности и периодов работы основного и компенсационного водозаборов.

Следовательно, первой задачей при обосновании работы компенсационных водозаборов является оценка величины ущерба речному стоку аналитическими методами или на основе численного моделирования.

Аналитические расчеты ущерба речному стоку. В российской литературе для оценки величины ущерба речному стоку при эксплуатации подземных вод разработан ряд аналитических зависимостей Е.Л. Минкиным, С.Я. Концебовским, Ф.М. Бочевером, Н.Н. Лапшиным, М.М. Черепанским, В.А. Злотником, В.С. Усенко, в зарубежной литературе C.V. Theis, R.E. Glover, C.G. Balmer, M.S. Hantush, C.T. Jenkins, B. Hunt, R.B. Wallace, Y. Darama и др. C.V. Theis первым вывел аналитическое уравнение для оценки сокращения расхода реки при работе береговых водозаборов, которое позднее R.E. Glover и C.G. Balmer представили в виде дополнительной функции ошибок erfc(x):

$\begin {displaymath} \Delta P = Q\,\,{\rm{erfc}}\left( {{L \mathord{\left/ {\vphantom {L {\left( {2\sqrt {at} } \right)}}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} {\left( {2\sqrt {at} } \right)}}} \right) \end{displaymath}$ ,

(1)

где ΔP - величина ущерба речному стоку, Q - дебит водозабора, L - расстояние между водозабором и контуром реки, a - уровнепроводность водоносного горизонта, t - продолжительность работы водозабора.

Для условий гидродинамически широкой реки M.S. Hantush переписал уравнение C.V. Theis с введением <дополнительного слоя>. Для оценки ущерба расходу гидродинамически узкой реки Е.Л. Минкин получил следующее выражение:

$\begin {displaymath} \frac{{\Delta P}}{Q} = {\rm{erfc}}\left( {\frac{L}{{2\sqrt {at} }}} \right) - \frac{1}{2}\exp \left( { - \frac{{L^2 }}{{4at}}} \right)\left[ {\exp \left( {z_1^2 } \right) \cdot {\rm{erfc}}\,\left( {{\rm{z}}_{\rm{1}} } \right) + \exp \left( {z_2^2 } \right) \cdot {\rm{erfc}}\,\left( {{\rm{z}}_{\rm{2}} } \right)} \right] \end{displaymath}$ ,

(2)

где

$\begin {displaymath} z_1 = \frac{L}{{2\sqrt {at} }} + \frac{{\sqrt {at} }}{B}{\rm{th}}\overline G \end{displaymath}$ ,

$\begin {displaymath} z_2 = \frac{L}{{2\sqrt {at} }} + \frac{{\sqrt {at} }}{B}{\rm{cth}}\overline G \end{displaymath}$

B - фактор перетекания подрусловых отложений, $\begin {displaymath} \overline G \end{displaymath}$ - приведенная ширина реки.

B. Hunt для определения величины ущерба речному стоку для гидродинамически узких рек предлагает следующую зависимость:

$\begin {displaymath} \frac{\Delta P}{Q} = {\rm{erfc}} \left( {\frac{L}{2\sqrt {at} }} \right) - \exp \left( {\frac{\lambda^2 t}{4\mu T} + \frac{\lambda L}{2T}} \right) {\rm{erfc}}\left( {\sqrt {\frac{\lambda^2 t}{4\mu T}} + \frac{L}{2\sqrt {at} }} \right) \end{displaymath}$ ,

(3)

где λ = χ_pG - параметр перетекания подрусловых отложений, T - проводимость водоносного горизонта, μ - водоотдача водоносного горизонта.

Единичный ущерб $\begin {displaymath} \overline Y \end{displaymath}$ - отношение величины ущерба речному стоку к дебиту водозабора является безразмерной величиной, удобной для сравнений.

Приведенные зависимости предназначены для постоянной работы водозабора. При ограниченной по времени работе водозабора (разовом запуске) C.T. Jenkins предложил использовать метод суперпозиции для расчета величины ущерба речному стоку на любой момент времени. Нами проведена серия модельных экспериментов для совершенной и гидродинамически узкой реки. В случае совершенной реки при разовом запуске водозабора аналитические и модельные решения полностью совпадают. В условиях гидродинамически узкой реки модельные результаты и аналитические расчеты по формуле B. Hunt совпадают для всех вариантов, а по формуле Е.Л.Минкина приводят к существенному завышению результата (рис. 2).

Организация КВ предполагает периодическое включение водозабора, поэтому на следующем этапе работы нами выполнен сравнительный анализ модельного решения с аналитическими расчётами в условиях циклической работы водозабора на расчетный срок 25 лет. Для условий гидродинамически узкой реки автором модифицировано уравнение B. Hunt для определения величины ущерба на любой момент времени t:

$\begin {displaymath} \frac{{\Delta P}}{Q} = \sum\limits_{i = {\rm{1}}}^n {{\rm{erfc}}\left( {\frac{L}{{2\sqrt {at_{1,i} } }}} \right) - \exp \left( {\frac{{\lambda ^2 t_{1,i} }}{{4\mu T}} + \frac{{\lambda L}}{{2T}}} \right){\kern 1pt} \,{\rm{erfc}}\left( {\sqrt {\frac{{\lambda ^2 t_{1,i} }}{{4\mu T}}} + \frac{L}{{2\sqrt {at_{1,i} } }}} \right)} - {\rm{erfc}}\left( {\frac{L}{{2\sqrt {at_{2,i} } }}} \right) + \exp \left( {\frac{{\lambda ^2 t_{2,i} }}{{4\mu T}} + \frac{{\lambda L}}{{2T}}} \right){\kern 1pt} \,{\rm{erfc}}\left( {\sqrt {\frac{{\lambda ^2 t_{2,i} }}{{4\mu T}}} + \frac{L}{{2\sqrt {at_{2,i} } }}} \right) \end{displaymath}$ ,

(4)

где t_1,i=t-(i-1)t_d, t_2,i=t-(i-1)t_d-t_p, - t_p - продолжительность работы водозабора, t_d - длительность цикла, т.е. продолжительность периода между включениями водозаборов.

Расчеты по формуле Е.Л. Минкина для условий периодической работы водозабора не проводились, так как даже при разовом запуске водозабора эта зависимость дает значительные погрешности. При циклической работе водозабора модельные и аналитические решения по модифицированной формуле B. Hunt в большинстве случаев совпадают за исключением области малого несовершенства рек (рис. 3), то есть циклическая модификация решения B.Hunt может быть использована для аналитических расчётов ущерба речного стока при периодическом действии КВ.

Рис. 2. Диаграмма разброса единичного ущерба стоку несовершенной реки при модельном и аналитических решениях по формулам Е.Л. Минкина и B. Hunt.

Рис. 3. Аналитические и модельные решения при периодической работе водозабора в условиях несовершенной реки.

Методика моделирования работы КВС. Для сложных гидрогеологических условий оценка величины ущерба речному стоку производится с помощью гидрогеодинамического моделирования, которое при работе КВ имеет следующие специфические черты: периодический характер решения, существенная сезонная изменчивость граничных условий и значимость даже малых понижений на контуре реки [13].

Ущерб речному стоку при периодической работе водозабора также имеет периодический характер развития (рис. 4). При включении водозабора величина ущерба речному стоку постепенно увеличивается, максимальная его величина достигается в последнем месяце периода его работы или даже после выключения КВ. После выключения водозабора наблюдается снижение величины ущерба речному стоку, обусловленное восстановлением уровней подземных вод. При следующем включении водозабора снова происходит рост величины ущерба. Темп возрастания величины ущерба речному стоку от года к году постепенно замедляется, при благоприятных условиях может наблюдаться циклическая стабилизация величины ущерба.

Рис. 4. График развития ущерба речному стоку во времени при периодической работе водозабора

Особенности модельных решений работы КВ требуют исследования следующих вопросов:
1. Какие начальные условия рационально задать, чтобы наиболее быстро достичь точного циклического решения естественной задачи;
2. Каков масштаб и характер погрешности, возникающей при моделировании эксплутационных условий в случае незавершенного решения циклической естественной задачи;
3. Сколько циклов решения требуется для достижения приемлемой точности воспроизведения естественных условий.

В результате решения серии численных экспериментов установлено, что при моделировании периодической работы водозаборов требуется высокая точность реконструкции начальных уровней в естественном режиме, так как незавершенное моделирование естественной задачи приводит к недопустимым погрешностям в прогнозной задаче, вплоть до абсурдных оценок величин ущерба речному стоку (табл. 1). Для получения достоверных результатов необходимо выполнение как минимум двух критериев завершения моделирования естественной задачи:
1 - достаточная точность схождения уровней подземных вод,
2 - достаточная точность схождения баланса подземного питания реки.

По нашим модельным оценкам, между смежными циклами разница уровней не должна превышать 0.001 м, а схождение относительной величины разгрузки подземных вод к дебиту водозабора должно быть не более 5^.10^-5.

Такая точность достигается лишь при выполнении нескольких сотен циклов моделирования естественных условий при задании произвольной начальной поверхности уровней подземных вод. Значительное уменьшение достаточного количества циклов решения достигается при первоначальном решении стационарной задачи со среднегодовыми значениями изменяющихся параметров, однако и в этом случае необходимо существенное количество циклов. Оптимальным является решение прогнозной задачи относительно функции изменения напоров, если гидрогеологические условия и постановка водохозяйственной задачи это позволяют.
Таблица. 1. Результаты моделирования задачи с затрудненной степенью взаимосвязи водоносного горизонта и реки.

Начальные условия в естественной задаче Решение эксплутационной задачи после n-числа циклов естественной задачи Величина критерия между смежными циклами моделирования Величина единичного ущерба Ошибка единичного ущерба, %

Разница разгрузки подземных вод, отнесенная к текущей разгрузке, % Разница уровней подземных вод, м

на уровне реки 10 циклов 7.360 0.366 -3.34 -2907

60 циклов 0.450 0.062 -0.45 -478

120 циклов 0.047 0.007 0.054 -55

180 циклов 0.005 0.001 0.112 -6

200 циклов 0.003 0.001 0.115 -3

300 циклов 0 0 0.119 0

400 циклов 0 0 0.119 0

среднегодовое распределение 3 цикла -0.105 0.019 0.166 39.8

10 циклов -0.023 0.011 0.146 22.8

30 циклов -0.009 0.001 0.132 10.7

50 циклов -0.005 0.001 0.125 5.2

75 циклов -0.002 0.001 0.122 2.1

100 циклов -0.001 0 0.120 0.8

<< пред.

след. >>

Полные данные о работе

И.С. Фомин/Геологический факультет МГУ

Проект осуществляется при поддержке:
Геологического факультета МГУ,
РФФИ