|
Рис. 7.7. Локализация зон нанесения ущерба стоку реки при работе
приречного водозабора
|
Общая
величина ущерба на
рис.7.7 ?
В
случае подпертого режима взаимодействия подземных и поверхностных вод величина
ущерба равна дебиту водозабора за вычетом суммарной величины инверсируемой
бессточной естественной разгрузки в области депрессии напоров. За этой, может
быть, не сразу понятной формулировкой кроется достаточно простая вещь:
приходящий в речную долину естественный поток подземных вод, сформированный за
счет питания на междуречных областях питания, дренируется не только путем русловой
разгрузки и/или родниками (с последующим стоком в реку), но и в какой-то
(возможно, достаточно значительной) мере за счет эвапотранспирации на площади
днища долины, где уровни располагаются близко от поверхности. Эта разгрузка
имеет бессточный характер и не участвует в подземном питании реки. Инверсия ее
при работе водозабора (на той части площади днища, где понижение напоров
приводит к сокращению разных форм испарения) обеспечивает некоторую долю в
балансе водоотбора, но не вызывает ущерба речному стоку.
Следует
различать локальный и региональный ущерб речному стоку. Под локальным надо
понимать ущерб стоку конкретной реки непосредственно в зоне его нанесения, т.е.
на площади эксплуатационной депрессии конкретного водозабора. Именно об этом мы
говорим в этом разделе. Однако, если рассматривать в целом водный баланс
региона, в который входит бассейн реки, то ущерб речному стоку окажется
значительно меньше. Почему ? Потому что добываемая водозабором вода подается на
нужды хозяйственно-питьевого водоснабжения и после применения по назначению в
той или иной форме (через системы водоотведения, а также за счет потерь и
утечек из водонесущих коммуникаций) возвращается либо в виде техногенного
питания подземных вод, либо прямым стоком в гидросеть. В практике
водохозяйственных расчетов доля возвратных вод достигает 80%, т.е. региональный
ущерб речному стоку (за счет безвозвратных потерь - в основном, испарения)
составляет не более 20% от водоотбора.
В
завершение этой темы: для чего нужны оценки локального ущерба речному стоку ?
Во-первых,
такие оценки представляют собой обязательный элемент прогнозирования
воздействия водоотбора на окружающую среду и являются, таким образом, одним из
условий утверждения ЭЗ месторождения подземных вод.
Во-вторых,
ущерб расходу реки означает и соответствующий УЩЕРБ
ГЛУБИНЕ РЕКИ. Это, в свою очередь, означает, что по мере нанесения ущерба стоку
реке количественно меняется условие 3 рода на контуре реки, т.к. меняется
(понижается) уровень на границе . Недоучет этого обстоятельства может приводить
к неопределенным погрешностям фильтрационного расчета со всеми вытекающими
балансовыми последствиями. Однако, надо понимать, что этот вопрос имеет
практическое значение лишь при сопоставимых величинах водоотбора и расходов
рек.
Как
прогнозировать ожидаемую величину ущерба речному стоку - во времени и по
контурам гидросети, попадающим в область депрессии ?
1.
Аналитические расчеты - как всегда, дают лишь упрощенную оценку. Для
совершенной реки:
,
где
a - коэффициент уровнепроводности, t - расчетный момент времени от начала
работы водозабора, erfc - обозначение известной студентам специальной функции
(дополнительный интеграл вероятности); Q0 - дебит водозабора с поправкой на
инверсию бессточной разгрузки.
Расчет
по этой формуле (есть и более сложные, учитывающие экранированность реки) дает
только динамику ущерба во времени, но не по длине реки - будто бы весь ущерб
наносится в одном створе реки.
2.
Поэтому при явной необходимости учета пространственно-временных характеристик
ущерба следует применять комбинированное моделирование взаимодействия подземных
и поверхностных вод, смысл которого заключается в корректировке уровней рек в
процессе решения в соответствии с текущей величиной ущерба речному стоку.
Алгоритм
комбинированного расчета таков:
-
на очередном шаге по времени расчет сетки напоров выполняется с учетом
состояния граничного условия, полученного на конец предыдущего шага;
-
при найденных значениях напора в каждом блоке, содержащем граничное условие 3
рода, вычисляется величина расхода взаимодействия пласта с рекой;
-
после этого последовательно для всех "речных" блоков, начиная с
самого верхнего по течению, вычисляется остаточный расход реки (путем
алгебраического сложения с расходом взаимодействия в каждом блоке);
-
затем для каждого блока вычисляется новая глубина реки, соответствующая
остаточному расходу реки в этом блоке, и вычисляется разница между начальной глубиной и текущей -
это и есть искомое изменение уровня на границе к концу расчетного временного шага;
-
полученное значение вычитается
из начального значения уровня на границе; можно делать следующий шаг, на котором
трансграничный расход будет равен:
,
где
Нрасч = Н (если сохраняется подпертый режим взаимодействия с рекой),
Нрасч
= Н0 (если уровень опустился ниже отметки отрыва).
Видно,
что трансграничный расход при наличии ущерба меньше, чем без него. Не
исключается, что в отдельных блоках расчетная величина окажется больше остаточного расхода реки - это
означает, что произошел полный перехват стока реки на этом участке и,
следовательно, на следующем временном шаге граничное условие в этом блоке
должно быть исключено из расчета.
,
где
С - коэффициент Шези (аналог коэффициента фильтрации), - площадь поперечного сечения потока, R -
гидравлический радиус (отношение площади поперечного сечения к длине смоченного
периметра), I - уклон водной поверхности потока.
Полагая
гидравлический радиус практически равным средней глубине реки (что вполне допустимо для рек,
глубины которых много меньше их ширины G ), можно считать:
,
что
позволяет вычислять среднюю глубину реки в соответствии с известным расходом.
Коэффициент
С может быть определен непосредственно с помощью полевых измерений, однако
обычно его вычисляют через так называемый "коэффициент шероховатости"
n, зависящий от характера русла, материала дна, наличия водной растительности и
т.д. (принимается по таблицам из гидрологических справочников). Существуют
разные эмпирические формулы связи C и n - наиболее известна, например, формула
Мэннинга: .
На
кафедре гидрогеологии МГУ почти 20 лет применяется программа комбинированного
моделирования фильтрации (MCG, С.О.Гриневский), апробированная, в частности,
при подсчете ЭЗ крупного приречного Пермиловского месторождения подземных вод
(сумма эксплуатационных запасов около 320 тыс. куб.м/сут ≈ 4 куб.м/с, что
приближается к суммарному речному стоку с контура месторождения). Другие
пригодные к практическому использованию программы моделирования фильтрации с
учетом ущерба расходам и глубинам поверхностных водотоков нам неизвестны.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://geo.web.ru/