Гидрогеодинамическое обоснование комбинированного использования водных ресурсов

3. Обоснование работы комбинированной водозаборной системы на месторождениях подземных вод в малых речных бассейнах.

На территории РФ наиболее распространенными являются месторождения подземных вод (МПВ), приуроченные к долинам равнинных рек. Месторождения подземных вод, анализируемые с точки зрения возможности организации периодически действующих КВ, будем называть компенсационными. В работе рассматриваются, в развитие основных классификационных представлений В.С. Ковалевского, гидрогеологические условия, благоприятные для организации КВС, т.е. обеспечивающие минимальную и отложенную во времени реакцию речного стока на водоотбор [8, 9]:

1. Значительное фильтрационное сопротивление между проектируемым положением КВ и контуром реки - за счёт пониженной проводимости между КВ и рекой и/или высокого удельного сопротивления подрусловых отложений или разделяющего слоя.

2. Низкая уровнепроводность основного водоносного горизонта.

3. Наличие балансообразующих граничных условий, которые в естественных условиях не участвуют в формировании речного стока - это бессточные механизмы разгрузки подземных вод, главным образом, в форме эвапотранспирации. Возможно возрастание инфильтрационного питания в зоне депрессии и формирование дополнительного перетекания из смежных водоносных горизонтов.

Однако, чаще всего работа КВ связывается с зимнемеженным периодом года, когда балансовая значимость механизмов инфильтрации и эвапотранспирации, скорее всего, невелика. Более очевидным и повсеместно распространённым источником обеспечения КВ являются естественные запасы подземных вод; их использование не наносит ущерба стоку реки до момента развития депрессионной воронки до её уреза. Поэтому оптимальные условия для КВ достигаются при максимальных величинах безразмерного <емкостного сопротивления>, которое структурно можно изобразить в виде:

где Δt - внутригодовая продолжительность водоотбора, L* - физическое удаление точки водоотбора в плане от уреза реки, включающее в конкретных условиях и виртуальные величины эквивалентных длин (сопротивление ложа реки или фактор перетекания разделяющего слоя), a - обобщенный параметр уровнепроводности, учитывающий не только емкостные свойства эксплуатируемого водоносного горизонта, но и емкость разделяющих слоёв, а также и возможное влияние неучтённых граничных условий, сдерживающих развитие депрессии уровней.

Очевидно, что ущерб речному стоку от действия водозабора тем меньше, чем выше величина емкостного сопротивления. В его структуре выделяются собственно фильтрационное сопротивление (как некая функция ƒ(L*/T)) и емкостная составляющая (ƒ(μ/Δt)), характеризующая нестационарный режим развития ущерба речному стоку.

В соответствии с этими представлениями можно рассматривать три основных разновидности (подтипа) месторождений подземных вод в речных долинах, различающихся по возможным условиям организации КВ вследствие различной степени взаимосвязи подземных и поверхностных вод [6, 7, 12]:

1. Высокая степень взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой, имеющей слабую экранированность русла, вплоть до полного её отсутствия (по нашим оценкам - при коэффициенте перетока выше 0.01 сутки^-1). КВ должен быть <физически> удалён от реки на расстояние, параметрически обоснованное и допустимое в техникоэкономическом отношении (рис.5а). Основными факторами, контролирующими величину емкостного сопротивления, являются удаление КВ от реки и продолжительность его работы, уровнепроводность водоносного горизонта и величина коэффициента перетока подрусловых отложений.

а
б
в
Рис. 5. Типовые схемы расположения КВ: а - <физическое> удаление КВ от реки при высокой степени взаимосвязи водоносного горизонта с рекой, б - <виртуальное> удаление КВ от реки при затрудненной взаимосвязи водоносного горизонта с рекой, в - <глубинное> удаление КВ при весьма затрудненной взаимосвязи водоносного горизонта с рекой.

2. Затрудненный характер взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой, русло которой сильно экранировано непосредственно донными отложениями, либо отложениями поймы в целом. КВ может располагаться вблизи реки; при его работе возможно формирование значительных участков свободного режима фильтрации под рекой (рис. 5б). Величина емкостного сопротивления в этом случае определяется коэффициентом перетока подрусловых отложений, гравитационной водоотдачей и коэффициентом фильтрации водоносного горизонта, продолжительностью работы КВ.

3. Весьма затрудненный характер взаимосвязи реки и продуктивного межпластового водоносного горизонта - как правило, первого от поверхности, связанного с рекой опосредованно, через перекрывающий разделяющий слой и вышезалегающий грунтовый водоносный горизонт (рис. 5в). Водозабор может располагаться в непосредственной близости от реки. Величину емкостного сопротивления в этой схеме формируют проводимость межпластового горизонта, коэффициент фильтрации и гравитационная водоотдача грунтового горизонта, параметр перетока через разделяющий слой, параметр перетока в ложе реки, продолжительность работы КВ [3].

Выделенные схемы расположения КВ многофакторные, поэтому для исследования значимости каждого фактора в формировании ущерба речному стоку при различных сочетаниях остальных параметров в широком диапазоне их изменчивости использована методика рационального планирования эксперимента.

По результатам серии модельных экспериментов для трех расчетных схем проанализированы зависимости конечной величины единичного ущерба (к моменту окончания работы КВ в 25-м году эксплуатации), от каждого выделенного фактора. Поскольку все анализируемые факторы имеют разную физическую размерность, целесообразно для сравнения интенсивности и изменчивости их действия использовать нормированные значения параметров (от 0 до 1) относительно изучаемого диапазона: = (P - P_мин)/(P_макс - P_мин).

В первой схеме действие всех изученных факторов проявляется достаточно сильно. Наиболее значимым является удаление водозабора от реки (рис. 6а). Возможность эффективной работы КВС в исследованном диапазоне параметров существует лишь при допустимом единичном ущербе выше 0.2, т.е. дебит КВ должен быть менее 25% МДР.

Вторая схема является более эффективной по сравнению с первой - по всем параметрам возможный единичный ущерб практически не превышает значения 0.3 (рис. 6б). При благоприятной совокупности параметров КВ здесь может работать с производительностью, близкой к величине МДР.

В третьей схеме минимальная величина допустимого единичного ущерба составляет около 0.1, т.е. КВ может иметь производительность до половины МДР. Наиболее активным в этой схеме закономерно является коэффициент перетока через разделяющий слой (рис. 6в).

На основе регрессионного анализа полученных результатов для трех схем определены степенные зависимости между величиной единичного ущерба речному стоку и емкостным сопротивлением С. При единой структуре содержания этого показателя его расчёт должен учитывать специфический набор параметров, контролирующих процесс ущерб речному стоку в разных гидрогеодинамических условиях.

	Рис. 6. Зависимость величины единичного ущерба речному стоку от действующих гидрогеодинамических и технологических факторов для: а - схемы <физического> удаления КВ от реки, б - схемы <виртуального> удаления КВ от реки, в - схемы <глубинного> удаления КВ от реки.

Для первой расчётной схемы в качестве показателя длины используется собственно физическое удаление водозабора от уреза реки с добавлением эквивалентной длины, рассчитанной для узкой реки; емкостные свойства учитываются через величину гравитационной водоотдачи продуктивного горизонта: .

Во второй расчётной схеме основной показатель длины имеет виртуальный характер и количественно принят равным эквивалентной длине сопротивления ложа реки, а ёмкость, как и в первой схеме, определяется гравитационной водоотдачей продуктивного горизонта:

(6)

Наконец, в третьей расчётной схеме в качестве длины принята сумма фактора перетекания через разделяющий слой и эквивалентной длины сопротивления ложа реки по отношению к грунтовому горизонту, непосредственно связанному с рекой. В качестве емкостной характеристики этой системы используется гравитационная ёмкость грунтового горизонта, понижение уровней в котором и приводит к возникновению ущерба стоку реки.

(7)

Для всех трёх схем наиболее удовлетворительная регрессионная аппроксимация подобрана в виде степенной зависимости вида (рис. 7 А, Б, В). Для первой расчётной схемы, кроме предлагаемой степенной зависимости, целесообразно сохранить и линейную зависимость единичного ущерба от функции вида - рис. 6 Г.

Предложенные зависимости могут быть использованы для предварительных оценок на ранних стадиях изучения месторождений для принципиального решения вопроса о целесообразности применения КВС.

Рис. 7. Регрессионные зависимости единичного ущерба от емкостного сопротивления в расчётных схемах расположения КВ.