Главная | Обратная связь

Вивчення режиму і балансу і підземних вод

 

Вивчення режиму і балансу підземних вод займає одне з ведучих місць в комплексі гідрогеологічних досліджень. Ці роботи дозволяють кількісно охарактеризувати процес формування підземних воді дати прогноз змін гідрогеологічних умов в природних умовах або при порушенні природного стану господарською діяльністю людини.

Режим підземних вод – це природно історичний процес зміни стану та властивостей підземних вод у часі і в межах визначеного простору, який протікає під впливом сукупності взаємодіючих, певних природних та штучних факторів, що постійно змінюються. При вивченні режиму підземних вод виділяють елементи і параметри режиму. Елементи режиму – це зафіксовані спостереженнями рівні (напори) підземних вод, дебіти (витрати) джерел або свердловин, хімічний склад, мінералізація і температура, які змінюються в часі. Параметри режиму – це визначенні конкретні (первинні, середні чи екстремальні) значення рівнів (напори) підземних вод, дебітів (витрат) джерел або свердловин, хімічного складу, мінералізації і температури.

Режимоутворюючі фактори підземних вод такі: а) кліматичні фактори (атмосферні опади, температура повітря); б) геолого-геоморфологічні фактори (розчленованість рельєфу, глибина ерозійного зрізу, густота гідрографічної мережі, геологічна будова); в) гідрологічні факторі (інфільтрація вод поверхневого стоку, приплив води з ріки при підйомі рівня); г) штучні фактори (осушувальні – гірничий водовідлив, водовідбір питного та господарського використання та різний дренаж, в тому числі і меліоративний; обводнюючі – зрошення, підпір водосховищ, витоки з водонесучих комунікацій та ін.).

 

Дослідження режиму підземних вод поділяють на: регіональні, що виявляють загальні регіональні закономірності формування режиму під дією природних факторів та локальні, які спрямовані на вивчення особливостей режиму, що формується під дією місцевих природних факторів та інженерної діяльності людини.

Вивчення природного режиму підземних вод виконується з метою вирішення таких завдань :

1) виявлення умов формування підземних вод (оцінка живлення, розвантаження та впливу окремих режимоутворюючих факторів і процесів, визначення елементів водного балансу);

2) вивчення закономірностей змін в часі природного живлення підземних вод;

3) встановлення закономірностей формування водного, сольового і теплового балансів підземних вод та використання їх для прогнозів режиму підземних вод;

4) регіонального вивчення природного режиму підземних вод в якості фону для аналізу і прогнозу порушеного режиму підземних вод на локальних ділянках;

5) оцінки фільтраційних властивостей і граничних умов водоносних горизонтів;

Прогнози природного режиму використовуються при плануванні і здійсненні різних видів будівництва (промислового, цивільного, гідроенергетичного, меліоративного та т. ін.), водопостачання, сільгоспвиробництва та вирішенні інших завдань.

Вивчення порушеного і слабопорушеного режиму підземних вод, їх прогнози та аналіз виконуються для рішення таких практичних завдань:

1) при розвідке родовищ підземних вод, оцінке їх запасів, складанні прогнозів їх режиму при експлуатації і обгрунтуванні заходів по раціональному використанню і охороні підземних вод від виснаження і забруднення;

2) при обгрунтуванні зрошувальних, обводнювальних і осушувальних меліорацій і методів керування режимом підземних вод в районах їх проведення;

3) при вишукуваннях, проектуванні, будівництві і експлуатації різних інженерних споруд, прогнозуванні можливих змін гідрогеологічних, гідрогеохімічних, меліоративних, інженерно-геологічних та інших умов в зв’язку з водопостачанням, зрошенням, осушенням, гідротехнічним, промисловим і цивільним будівництвом та іншими видами інженерної діяльності людини;

4) при розвідке і розробке родовищ твердих корисних копалин, нафти та газу (прогнозування водопритоків, впливу водовідливу і стійкості виробок, обгрунтування найбільш раціональних шляхів і методів експлуатації родовищ).

Баланс підземних вод - це співвідношення між їх надходженням (приходна частина) та витратою (витратна частина) в кількісному виразі (в мм шару води) на досліджуваній площі за визначений відрізок часу (період ).

Баланс підземних вод обумовлений впливом як природних (атмосферні опади, випаровування, транспірація рослинами, конденсація, поверхневий та підземний стоки) так і штучних факторів (меліорація, втрати води, підпір, дренаж і т.ін.).

Мета вивчення балансу підземних вод - виявлення і оцінка ведучих факторів формування їх режиму та оцінка природних і експлуатаційних ресурсів підземних вод.

Баланс підземних вод вивчається як для великих районів і цілих басейнів річок (в межах ключових балансових ділянок і репрезентативних басейнів), так і для окремих ділянок території (на водно-балансових майданчиках).

Режим і баланс підземних вод тісно пов’язані між собою, тому що вони характеризують єдиний процес формування підземних вод. Водний баланс передумовлює напрямок і характер режиму підземних вод, тому вивчення його елементів і виявлення основних ведучих показників надає підгрунтя для наукового пізнання і управління режимом підземних вод. В свою чергу, аналіз режиму підземних вод дозволяє виконувати кількісне визначення окремих елементів водного балансу (інфільтрації, випаровування, підземного стоку) і дає можливість виконувати більш обгрунтовані воднобалансові розрахунки.

Вивчення режиму підземних вод здійснюється шляхом стаціонарних гідрогеологічних спостережень за змінами головних елементів режиму (рівней, витрат, температури, хімічного, газового та бактеріологічного складу) на спеціально обладнаної мережі спостережних пунктів (найчастіше це свердловини і джерела, рідше - шурфи і колодязі).

Вивчення регіональних закономірностей режиму підземних вод здійснюється на базі державної опорної мережі гідрогеологічних спостережу вальних пунктів спеціальними комплексними гідрогеологічними і інженерно-геологічними партіями. Локальні закономірності режиму підземних вод (на масивах зрошення і осушення, на діючих водозаборах, в районах експлуатації родовищ мінеральних вод, нафти і газу, твердих корисних копалин і т.ін.) вивчаються на відомчій мережі за рахунок коштів відомств та організацій.

Вивчення закономірностей природного режиму підземних вод має охоплювати основні водоносні горизонти і виконуватись в усіх районах, де ці горизонти мають інтерес для народного господарства в нинішні часи або в перспективі. В результаті таких досліджень має бути вивчено: хід сезонних і багаторічних коливань рівня і інших елементів режиму в різних гідрогеологічних умовах, основні фактори режиму, амплітуди сезонних і багаторічних коливань рівня та т. ін.

Розміщення опорної спостережної мережі здійснюється на підгрунті районування досліджуваної території за умовами формування режиму підземних вод з використанням великомасштабної гідрогеологічної карти і урахуванням ступеню вивченості кожного з районів.

В межах кожного виділеного гідрогеологічного району розміщується спостережу вальна мережа у вигляді створів, орієнтованих від вододілів до дрен таким чином, щоб охопити спостереженнями всі характерні для цього району комплекси водовмісних порід і геоморфологічні елементи ( ділянки схилів, терас і заплав, міжрічкові ділянки, площі з різною потужністю зони аерації та т. ін.) (рис.5.1.).

 

 

 

 

Рисунок 5.1 – Схема розташування спостережних свердловин в гідрогеологічному районі:

1 – ділянка з прирічковим типом режиму підземних вод; 2 – ділянка зі схиловим типом режиму підземних вод; 3 – ділянка з міжрічковим типом режиму підземних вод; 4 – межі терас; 5 – створ спостережу вальних свердловин

 

Свердловини на створах розміщують у вигляді кущів (3 свердловини за потоком в умовах одномірного потоку та 5 свердловин у вигляді конверту - в умовах радіального в плані потоку). Створи свердловин розташовують в напрямку максимальної зміни гідрогеологічних показників (за потоком).

Максимальна відстань між створами в межах однорідного за гідрогеологічними умовами району не повинна перевищувати 100 км, щоб не виявлялась кліматична зональність. В складних за геоморфологічними та літологічними умовами районах мережа спостережу вальних свердловин згущується, вони розташовуються на типових ділянках, нерідко поза створами.

Баланс підземних вод вивчається як для окремих ділянок території на спеціальних водно-балансових майданчиках, так і для великих районів і цілих басейнів річок у межах ключових балансових ділянок і репрезентативних басейнів.

В гідрогеологічній практиці водний баланс вивчається 2 групами методів: 1) гідродинамічного аналізу режиму підземних вод (з використанням аналітичних і кінцево-різницевих рішень диференціальних рівнянь) та 2) експериментальними (водно-балансовий і лізиметричний).

Метод гідродинамічного аналізу режиму підземних вод грунтується на застосуванні теорії несталого руху підземних вод до розрахунку головних елементів їх балансу за даними спостережень за режимом підземних вод. Метод всебічно враховує гідрогеологічні умови, дозволяє кількісно оцінювати інфільтрацію опадів, зрошувальних вод, що досягають рівня підземних вод, витрату останніх на сумарне випаровування і підземний стік, а також оцінювати необхідні гідрогеологічні параметри. Всі ці дані, що отримуються на спеціальних створах спостережу вальних свердловин, які закладаються на типових балансових ділянках (елементах потоку), використовуються при складанні прогнозів зміни режиму підземних вод під впливом господарської діяльності людини.

В узагальненому вигляді баланс підземних вод для елемента потоку площею F за час Dt визначається таким рівнянням:

 

, (13.1.)

 

де - водовіддача або нестача насичення порід; Q₁ , Q₂ - відповідно притік та відтік підземних вод в елементі потоку; W - величина живлення підземних вод (може бути додатною при інфільтрації атмосферних і поливних вод та від’ємною - за рахунок випаровування); W_gl- інтенсивність перетікання через підошву за рахунок водообміну з нижчезалягаючим водоносним горизонтом.

Всі елементи водного балансу (Q₁, Q₂, W і W_gl), що входять в рівняння (13.1.), визначаються за допомогою даних про положення рівня води в свердловинах за відповідними формулами динаміки підземних вод (аналітичні або кінцево-різницеві рішення).

Експериментальні методи дозволяють визначати елементи водного балансу на типових за гідрогеологічними умовами балансових ділянках, з наступним їх перенесенням на всю площу, що вивчається.

При використанні водно-балансового методу всі елементи водного балансу, що входять в балансове рівняння (5.1.) визначаються експериментально за допомогою різноманітних приладів і дослідних установок незалежно один від одного.

Лізиметричний метод (від гр.“lysis”-розчинення +“metreo”-вимірюють) дозволяє визначати елементи водного балансу експериментально за допомогою спеціальних лізиметричних установок різних конструкцій.

Лізиметри з постійним рівнем грунтових вод (див.рис.13.10, А) дозволяють шляхом безпосереднього виміру визначати інфільтраційне живлення або сумарне випаровування, яке обумовлене сукупним впливом діючих факторів за розрахунковий відрізок часу. Ці величини відповідно визначаються за об’ємами води, що відбирається (зливається) або додається для підтримання в лізиметрі завданого постійного рівня води.

Лізиметри зі змінним в часі рівнем грунтових вод (див.рис.13.10,Б), що автоматично підтримується на висоті природного рівня, дозволяють визначати величини різності між притоком і відтоком грунтових вод в горизонтальному напрямку.

Комбінована установка обох типів лізиметрів і спостережу вальної свердловини на грунтові води, по якій визначають величину зміни рівня води DH, надає можливість розраховувати водовіддачу або нестачу насичення порід m за формулою:

, (13.2.)

 

де всі величини визначаються експериментально.

 

 

Рисунок 15.10 – Схема будови лізиметрів:

 

 

А - лізиметр з постійним рівнем грунтових вод; Б - лізиметр з безперервним регулюванням рівня грунтових вод;

 

1- доливна трубка;2 - спостережна трубка; 3 - піщана-гравійний фільтр; 4 - посудина Маріотта; 5 - зливний бак; 6 - посудина для вимірів інфільтрації до рівня грунтових вод

 

Існує багато методів прогнозу режиму підземних вод: гідродинамічні методи (Буссинеска-Майє, Форхгеймера), аналітичні методи, методи кінцевих різниць, їмовірно-статистичні методи, гідрометеорологічні методи, геліосиноптичний метод, автокореляційний метод, балансовий метод. Ці методи детально описані в 2 томі «Справочного руководства гідрогеолога» під редакцією В.М.Максимова.