Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Гидрогеодинамическое моделирование взаимодействия подземных и поверхностных вод

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД У АКВАТОРИИ СТОЧНОГО ОЗЕРА НА ПРИМЕРЕ ПАЧУЖСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

При оценке эксплуатационных запасов подземных вод Пачужского месторождения подземных вод (Архангельская область) рассматривался вариант расположения одного из участков проектного водозабора на берегу оз. Пачозеро [Гриневский, 2003 б; Grinevsky, Shtenge- lov, 2004].

Гидрогеологический разрез месторождения представлен четвертичными, карбонатными каменноугольными и терригенными вендскими отложениями, образующими единую гидравлически связанную водоносную толщу (рис 5.4).

Схематический гидрогеологический разрез бассейна оз. Пачозеро

Рис. 5.4. Схематический гидрогеологический разрез бассейна оз. Пачозеро

Четвертичный покров на большей части территории маломощен или практически отсутствует, за исключением переуглубленной долины р. Пачуга, где мощность хорошо проницаемых песчано- гравийно-галечных отложений достигает 20 - 25 м. Карбонатный массив, представленный средневерхнекаменноугольными закарстован- ными известняками и доломитами олмужско-окуневской и кепинской свит мощностью до 40 м, слагает поверхность водоразделов, полностью прорезан речными долинами и в значительной степени сдрени- рован. В толще терригенных песчаников золотицкой свиты венда наиболее проницаемой является верхняя зона интенсивной экзогенной трещиноватости мощностью не более 50 м. Суммарная проводимость водовмещающих пород в долине р. Пачуга и оз. Пачозеро составляет 600 - 800 м/сут. Закарстованные карбонатные отложения на водоразделах, залегающие практически на поверхности, обеспечивают хорошие условия инфильтрационного питания потока подземных вод местного формирования (до 280 мм/год), разгружающегося в акваторию озера и р. Пачуга.

Озеро Пачозеро, дающее начало р. Пачуга, имеет узкую вытянутую форму и состоит из двух котловин, соединенных «переузьем» (рис. 5.5). Протяженность его составляет 10,5 км при ширине от 100 до 300 м. Глубина озера весьма изменчива: от 20 - 25 м в локальных глубоких котловинах, очевидно, карстового происхождения, до 5 - 7 м - на участках их сочленения. Несмотря на обрывистые берега озера, на большей части акватории отмечается береговая отмель глубиной до 2 м и средней шириной 10 - 15 м. Общий объем воды в котловине озера, на основе изучения ее морфометрического строения (рис. 5.5), оценивается величиной порядка 7.7 млн. м [Гриневский, 2003 а].

Схема глубин и профиль дна оз. Пачозеро

Рис. 5.5. Схема глубин и профиль дна оз. Пачозеро

Проектирование водозабора на берегу озера со значительными запасами воды предполагает использование поверхностных вод в качестве источника привлекаемых ресурсов, что неизбежно вызовет изменение условий естественного водного баланса водоема и может привести к негативным экологическим последствиям, связанным с его обмелением. Кроме того, процессы изменения балансового гидрогеодинамических условий взаимосвязи ППВ должны быть адекватно отражены при прогнозных расчетах водоотбора, что позволит достоверно оценить долю привлечения поверхностных вод в общем балансе эксплуатационных запасов месторождения.

Прогнозные расчеты вариантов проектной эксплуатации подземных вод с учетом ее воздействия на гидрологический режим озера проведены на локальной модели водосбора водоема (рис. 5.6) на основе программы MCG (Гриневский, 2002).

Как уже отмечалось (см. раздел 4.4), существующая практика прогнозных расчетов береговых водозаборов подземных вод при оценке эксплуатационных запасов предполагает максимально жесткую постановку - на уровне минимальной водности 95% вероятности превышения (ВП) [Боревский и др., 1989], что обеспечивает гарантированность водоподачи крупным водопотребителям. Для «приозерного» варианта водоотбора на рассматриваемом Пачужском МПВ такая постановка прогнозных расчетов исключает все процессы пополнения запасов озера, кроме подземного питания, которое должно рассматриваться также на уровне зимней межени 95% ВП.

По данным гидрометрических съемок расход минимального меженного подземного стока 95% ВП, формирующегося на водосборной площади в границах модели, характеризуется величиной 0.465 м/с, а суммарный расход разгрузки в озеро составляет 0.275 м3/с (рис. 5.6).

Как и следовало ожидать, прогнозные расчеты, проведенные в «жесткой» постановке, на уровень минимальной водности 95%ВП, позволяют обосновать максимально возможный «гарантированный» дебит эксплуатации подземных вод 24 тыс. м/сут, что соответствует величине меженного подземного питания озера. Увеличение прогнозного водоотбора приводит к прогрессирующим процессам истощения озера, приводящим к его обмелению.

Однако, очевидно, что постановка расчетов на уровне минимальной водности 95%ВП не отвечает реальной природной обстановке и не дает адекватной оценки реальных масштабов экологического влияния эксплуатации на гидрологический режим водоема. В действительности истощение запасов воды в озере будет существенно меньше за счет их сезонного восполнения в периоды половодья и снеготаяния, что дает возможность рассмотреть варианты увеличения водоотбора при определенных экологических ограничениях на изменение гидрологического режима водоема.

Отнесение процессов поверхностного питания «в запас надежности» прогнозных оценок, как это делается для приречных месторождений, где основная часть паводкового поверхностного питания реки проходит транзитом в относительно короткие сроки, в случае с водоемом является неоправданным, в связи с аккумулирующей способностью озера.

Геофильтрационная модель бассейна р

Рис. 5.6. Геофильтрационная модель бассейна р. Пачуга и оз. Пачозеро с изолиниями уровней подземных вод в естественных условиях; 1 - граница водосборной площади (непроницаемая); 2 - озеро; 3 - река; 4 - проектный ряд водозаборных скважин; 5 - гидрометрический створ и значение меженного расхода реки 95% вероятности превышения (л/с); 6 - изолинии уровней подземных вод.

В период половодья и снеготаяния происходит пополнение запасов воды в водоеме, сработанной в период предшествующей межени, причем длительность половодья при этом не имеет определяющего значения. С гидрогеодинамических позиций это означает «реабилитацию» основной питающей границы потока подземных вод, обеспечивающей поступление привлекаемых ресурсов к водозабору.

Таким образом, постановка прогнозных расчетов в этом случае должна учитывать сезонную динамичность подземного и поверхност-

ного питания, причем изучение последнего становится даже более важным, учитывая его большие объемы.

На первом этапе проведено моделирование естественных условий формирования подземного и поверхностного питания озера, а также стока из него, согласно (5.1), с учетом их внутригодовой многолетней изменчивости [Гриневский, 2003 б].

Сезонная динамика элементов водного баланса водоема описана на месячном уровне с использованием коэффициентов динамичности, рассчитанных согласно (2.5), при этом на основе многолетних данных получены их типовые внутригодовые распределения.

Среднемноголетняя внутригодовая изменчивость суммы осадков и испарения на площади акватории оз. Пачозеро отражает накопление твердых осадков на замерзшей поверхности озера (с октября по апрель) и их поступление на акваторию озера в мае месяце (рис. 5.7). Далее, в летние месяцы в балансе поверхностного питания озера преобладает испарение (отрицательная статья баланса).

Расчетное внутригодовое распределение месячной суммы осадков и испарения с поверхности озера

Рис. 5.7. Расчетное внутригодовое распределение месячной суммы осадков и испарения с поверхности озера.

Среднемноголетняя сезонная изменчивость инфильтрационного питания подземных вод, а также склонового поверхностного стока получена расчетным путем - на основе специального одномерного моделирования условий формирования водного баланса на поверхности водосбора (программа HELP [Schrocder и др., 1994]) на основе ландшафтных и метеоклиматических данных.

Соответствие расчетной модели формирования естественного водного баланса водосбора оз. Пачозеро природным условиям оценивалась по совпадению наблюдаемых и модельных уровней и расходов разгрузки подземных вод, а также на основе сравнения фактической (на водосборе-аналоге) и расчетной относительной внутригодовой изменчивости речного стока (/УРо, где Р-, - расход реки на /-тый месяц, а Ро - среднегодовой расход) - рис. 5.8. При этом несколько меньшая расчетная динамичность речного стока для р. Пачуга связана с регулирующим влиянием озера Пачозеро в верховьях реки.

Сопоставление модельной (р. Пачуга) и фактической (река- аналог) среднемноголетней внутригодовой динамичности речного стока

Рис. 5.8. Сопоставление модельной (р. Пачуга) и фактической (река- аналог) среднемноголетней внутригодовой динамичности речного стока.

По результатам моделирования естественный внутригодовой режим водоема характеризуется амплитудой колебания уровня порядка

0.6 м от среднегодового положения, а среднегодовой сток из озера составляет 0.472 м‘ /с.

Целью дальнейших вариантов прогнозного моделирования эксплуатации подземных вод являлось обоснование его максимального постоянного в течение года дебита при допустимом нарушении водного режима акватории озера [Гриневский, 2003 б].

Экологически допустимый ущерб водоему определен из условия, что сток из водоема большую часть года должен сохраняться более 10% от среднегодовой величины, а период его полного отсутствия должен быть минимален. Это ограничение обеспечивает превышение среднемноголетнего питания озера над балансовым ущербом, вызванным водоотбором, что вызовет лишь незначительное обмеление водоема при сохранении близких к естественным годовых амплитуд колебаний его уровня (глубины). При этом сохраняется достаточно интенсивного обмена воды в чаше водоема в течение всего года, что наиболее полно отвечает «проточным» условиям и не приводит к необратимым экологическим последствиям (заболачивание акватории, смена биоценозов и т.д.).

Для обеспечения надежности прогнозных расчетов водоотбора проанализированы 100-летние расчетные ряды инфильтрационного питания и поверхностного стока на площади водосбора, в сумме определяющие условия формирования естественного стока из озера и для моделирования выделена наиболее маловодная 25-летняя серия, характеризующаяся средней водностью ниже нормы и высокой динамичностью стока (рис. 5.9).

Расчетный график изменчивости среднегодового стока из озера и 25-летний период, выбранный для прогнозного моделирования

Рис. 5.9. Расчетный график изменчивости среднегодового стока из озера и 25-летний период, выбранный для прогнозного моделирования

В результате серии вариантов прогнозного моделирования обоснован допустимый объем эксплуатации подземных вод в количестве 31.1 тыс. м3/сут, при котором прогнозное сокращение глубины водоема не превышают 0,5 м (рис 5.10 а), а сток из озера сохраняется практически в течение всего расчетного периода (рис. 5.10 б). При этом на многолетнем уровне отмечается общая стабилизация режима водоема при незначительных циклических колебаниях уровней озера и стока из него, связанных с разной водностью лет.

Попытки увеличения водоотбора вызывают необратимые процессы обмеления водоема, при котором сток из озера практически полностью прекращается, за исключением наиболее многоводных лет, а сокращение глубины водоема заметно прогрессирует (рис. 5.10).

Прогнозные результаты изменения глубины озера (а) и стока из него (б) при разных дебитах эксплуатации подземных вод в сравнении с естественным режимом

Рис. 5.10. Прогнозные результаты изменения глубины озера (а) и стока из него (б) при разных дебитах эксплуатации подземных вод в сравнении с естественным режимом

Характерно, что при этом существенно возрастают годовые амплитуды колебания уровня озера, максимальные значения которых приурочены к периодам отсутствия стока из водоема. Это соответствует условиям бессточного водоема, гидрологический режим которого характеризуется гораздо большей динамичностью - когда сезонные вариации питания водоема однозначно отражаются в изменении объема воды в нем. В целом, такие процессы обмеления озера обусловливают и нестационарный режим уровней подземных вод в скважинах, характеризующийся прогрессирующим ростом понижений.

Таким образом, учет всех естественных факторов формирования водного баланса водоема позволяет обосновать эксплуатации подземных вод в количестве 31,1 тыс. м/сут, что на 30% больше, чем при максимально «жестком» варианте расчета (24 тыс. м /сут). При этом прогнозные среднемноголетние месячные расходы стока из озера удовлетворяют принятым экологическим ограничениям, согласно которым сток из водоема большую часть года превышает «санитарный» расход - 10% от среднегодовой величины - рис. 5.11.

Прогнозные среднемноголетние месячные расходы стока из озера при водоотборе 31.1 тыс. м/сут

Рис. 5.11. Прогнозные среднемноголетние месячные расходы стока из озера при водоотборе 31.1 тыс. м3/сут

Рассмотренные процессы формирования зависимого гидрологического режима и баланса водоема, как и в случае речного стока (см. главу 4), имеют не только экологическую значимость, но и важны с точки зрения адекватного отражения на модели изменений гидрогео- динамических условий на основной питающей границе фильтрационного потока, формирующегося в условиях эксплуатации подземных вод. Процессы сезонно-динамичного питания водоема за счет поверхностных и подземных вод обеспечивают восполнение сработанных запасов воды в озере, что означает ежегодную «реабилитацию» условий на этой питающей границе пласта.

Следует подчеркнуть, что для сточного водоема связь между суммарным питанием водоема и восполнением запасов воды в озере является нелинейной - за счет наличия стока из водоема; при этом не все суммарное питание водоема идет на восполнение запасов воды в нем. Именно нелинейность процессов восполнения запасов воды в водоеме не позволяет применять простые балансовые расчеты и требует постановки и проведения моделирования взаимодействия ППВ при зависимом гидрологическом режиме водоема, аналогично рассмотренному выше.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы