Статистичні, балансові і гідродинамічні методи прогнозу режиму підземних вод

Існуючі методи прогнозу режиму підземних вод можна поді­лити на три групи: статистичні, балансові і гідродинамічні.

Статистичні методи грунтуються на використанні даних спосте­режень за режимом підземних вод у зонах існуючих меліоративних систем.

Полягають вони у тому, що зібрані дані режимних спостережень обробляють методами математичної статистики і визначають залеж­ність між зміною рівнів (напорів) підземних вод або їх мінералі­зації та одним або кількома режимоутворюючими факторами, як-от: дією каналів, подачею води на зрошення, опадами, температурою або дефіцитом вологості повітря, глибиною залягання ґрунтових вод у попередній період тощо.

Прогнози статистичними методами можна виконувати для ви­значення місячних, сезонних, середньорічних, багаторічних змін режиму для старозрошуваних або староосушуваних районів з по­рівняно сталою меліоративно-гідрогеологічною обстановкою. Вони будуть тим точніші, чим довший ряд спостережень; дійсні кількісні прогнози можна дістати, якщо мати спостереження протягом не менш як 10 років.

Статистичні методи ефективні для прогнозу на діючих масивах меліорацій, де безпосередньо виконувались спостереження, при не­змінному режимі експлуатації меліоративної системи, тобто для

прогнозу І типу.

Якщо встановлюється аналогія за гідрогеологічними та ірига­ційно-господарськими умовами, статистичні методи можна вико­ристати для прогнозів II чи III типу. При цьому слід пам'ятати, що результати прогнозів будуть наближеними.

Балансові методи грунтуються на вивченні балансу (припливу й витрати) підземних вод і солей, які зв'язуються балансовими рів­няннями для певного періоду часу і конкретної території.

Окремі елементи водно-сольового балансу вивчають експери­ментально, після чого складають баланс у природних умовах.

Прогнозний баланс складають, аналізуючи умови зміни гідрогеологічної обстановки об'єктів, що меліоруються, розрахунковим визначенням додаткових складових частин балансу.

Баланси складають звичайно окремо для зон аерації, ґрунто­вих і напірних вод. їх складають здебільшого для річного циклу та середнього року, тому усі приходні й витратні статті балансу беруть в середньому за рік для всієї території.

Прогноз виконують для окремих районів, що виділяються за основними показниками, які формують характер балансу, напри­клад, глибина залягання ґрунтових вод, геологічна будова і водно-фізичні властивості порід зони аерації, умови відтоку ґрунтових вод; інколи баланс диференціюють для характерних (коротших від року) інтервалів часу — вегетаційного та невегетаційного періоду, сезонів року або навіть окремих місяців.

Результати розрахунку прогнозного водного балансу виражають у вигляді сумарної зміни запасів ґрунтових вод або ж у вигляді середньої для балансової території зміни рівня ґрунтових вод. В останньому разі, коли баланс позитивний, вважають, що вода іде на заповнення вільної місткості грунтів зони аерації, тобто на підвищення рівня ґрунтових вод; коли ж баланс негативний, вважають, що рівень ґрунтових вод знижується внаслідок спрацю­вання запасів.

При проведенні балансових розрахунків цілком можливо з дос­татньою точністю визначити водообмін із зоною аерації (живлення або випаровування). Оцінку бокового припливу й відтоку ґрунто­вих і напірних вод виконують без урахування змінного за часом співвідношення рівнів, тобто без урахування неусталеної фільтра­ції. Через це водо-балансові розрахунки будуть тим точніші, чим менша питома вага бокового відтоку-притоку у водному балансі.

Звідси виходить, що цей метод найпридатніший для: зон слабодренованих та безстічних зон.

Сольовий баланс складають на підставі водного балансу, оскільки перерозподіл солей у грунтах і породах, їх роз­чинення і перенесення, а також принос солей ззовні до балансової площі можуть відбуватися тільки за допомогою води.

Можливе відкладання солей поблизу поверхні землі, що зумов­лює вторинне засолення грунтово-рослинного шару, визначають урахуванням випаровування ґрунтових вод.

Результати розрахунку прогнозного сольового балансу вира­жають у вигляді сумарної зміни запасів солей у грунтово-рослинному шарі, у грунтах зони аерації, у ґрунтових та напірних водах балансової території.

Все сказане про точність і надійність прогнозного водного балансу у повній мірі стосується прогнозного сольового балансу.

Балансовий метод дає можливість скласти прогнози І и II типу в узагальненому вигляді. За даними прогнозного водно-сольового балансу зрошуваної території оцінюють наступну меліоративно-гідрогеологічну обстановку, наближено визначають час, потріб­ний для підйому рівня ґрунтових вод до критичної глибини, можли­вість і інтенсивність вторинного засолення грунтово-рослинного шару, необхідність і режим промивок, орієнтовно — потрібну видатність захисного дренажу.

Гідродинамічні методи грунтуються на використанні матема­тичних залежностей, що їх дістають, розв'язуючи диференціальні рівняння, які описують процеси фільтрації підземних вод, мігра­ції вологи в зоні аерації і солей з водою.

Диференціальні рівняння виводять залежно від умов балансу води чи солей. Математичні залежності, знайдені під час розв'я­зування рівнянь, також враховують баланс підземних вод чи солей. Через це неправильно протиставляти гідродинамічні й балансові методи прогнозу, як це інколи роблять. Навпаки, гідродинамічні методи враховують баланс підземних вод чи солей у більш строгій постановці, ніж власне балансовий метод.

Гідродинамічні методи прогнозу найточніші і здатні у повній мірі враховувати складну" природну обстановку.

Слід зазначити, що процеси руху води в зоні аерації або про­цеси переміщення солей дуже складні, залежать від багатьох фак­торів, які не всі ще в достатній мірі виявлені. Тому диференціальні рівняння, запропоновані для опису цих процесів, ще не є остаточ­ними; до того ж вони досить складні. Цим і пояснюється недостат­ній розвиток гідродинамічних методів прогнозу балансу вологи у зоні аерації чи сольового балансу.

Гідродинамічними методами прогнозу рівнів підземних вод широко користуються на практиці, оскільки диференціальні рів­няння, що описують фільтраційні течії, мають досить прості роз­в'язки, які визначають закономірності розподілу напорів, швид­костей і витрат підземних вод з області фільтрації, яку розгля­дають.

Гідродинамічні методи пропозу розподіляються відповідно до тих засобів, якими користуються для розв'язування рівнянь фільтрації.

Аналітичні методи прогнозу грунтуються на використанні аналітичних формул, знайдених після розв'язування диференці­альних рівнянь фільтрації, і дають можливість виконати прогнози II типу, а також розрахувати горизонтальний і вертикальний дренажі у різних умовах, тобто: класти прогнози III та IV типів.

Існуючі аналітичні методи прогнозу враховують наявність на меліорованих масивах живлення ґрунтових вод по площі, а також неусталеної фільтрації але розроблені головним чином для водоносних горизонтів однорідної чи шаруватої будови і забез­печують достатню для практик! точність прогнозів здебільшого тільки при постійній провідності водовмісної товщі, тобто для водоносних комплексів великої потужності та при малих коливан­нях рівня ґрунтових вод.

Нема таких розрахункових методів, які давали б можливість враховувати під час виконання прогнозів складну конфігурацію границь меліорованих масивів, змінні у просторі і часі умови жив­лення водоносних горизонтів, негоризонтальність залягання водоупорних і водопроникних шар», неоднорідність їх будови, неси­метричність розміщення та різнотипність дренажних споруд.

У таких випадках для того, щоб можна було скористатися ана­літичними методами прогнозу, треба схематизувати, спростити природну обстановку; зрозуміло, що при цьому точність резуль­татів прогнозу значно знижується.

У багатьох випадках схематшація природних умов недопустима, бо може призвести до неправильних результатів прогнозу. Отже, у складних гідрогеологічних уювах аналітичні методи прогнозу не завжди забезпечують потрібну точність і користуватися ними треба свідомо та обережно.

Аналітичні методи прогнозу докладно висвітлені в розділі XVI. Чисельні методи прогнозу грунтуються на використанні скін­ченно-різницевих рівнянь, що ними замінюють диференціальні рівняння. У цьому разі прогноз здійснюють розв'язуванням алгебра­їчних рівнянь, що описують прсцеси у кінцевих інтервалах по про­сторових координатах, а при несталених процесах, якщо потрібне врахування часу, також у кінцевих інтервалах часу.

Чисельні методи можна використати для виконання прогнозів II, III та IV типів. Принципово вони придатні для розрахунку філь­трації у яких завгодно складах гідрогеологічних умовах, але на практиці ними користуються здебільшого для однорідних за фільтраційними властивостями пластів, або для пластів, у яких фільтраційні властивості змінкються по площі. Правда, при цьому можна враховувати зміни по плзщі й за часом живлення ґрунтових вод, складну конфігурацію області фільтрації, наявність дренаж­них споруд різних типів, чого не можна досягти, користуючись аналітичними методами.

Метод кінцевих різниць, запропонований для фільтраційних розрахунків Г. М. Каменським ще в 1940 р. і пізніше розроблений у деталях його учнями, у практиці широкого застосування не мав через велику трудомісткість, яка характеризується значною затра­тою часу на арифметичні викладки.

Останнім часом чисельні методи поширюються завдяки викорис­танню електронних цифрових обчислювальних машин (ЕЦОМ), які дають можливість механізувати розрахунки, зробити їх доступ­нішими, але потребують виведення нових скінченно-різницевих рівнянь, опрацювання методик і складання спеціальних програм для розв'язання конкретних фільтраційних задач.

Розробка й налагодження програм для проведення розрахунків фільтраційних процесів потребує значних затрат праці і часу; для обчислення потрібні швидкодіючі великі ЕЦОМ із значним обсягом оперативної пам'яті. Саме через це тепер використовується обмежене число програм для ЕЦОМ і притому тільки для скла­дання прогнозів в умовах двомірних (у розрізі і в плані), устале­них і неусталених фільтраційних течій. їх характеристика дана в розділі XVII.

Методи моделювання грунтуються на відтворенні фільтраційних процесів, що прогнозуються, на моделюючих пристроях різних типів.

Суть моделювання фільтраційних процесів полягає в тому, що область фільтрації відтворюють у вигляді моделі, на якій можуть бути задані й виміряні усі параметри течій, аналогічні натурним фільтраційним; потім виміряні величини за допомогою масштабних коефіцієнтів приводяться до натурних.

Фільтраційні моделі повинні бути фізично чи математично подібні до натури. Фізичне моделювання фільтраційних течій здійснюється на ґрунтових (фільтраційних) лотоках, де створює­ться ґрунтова модель, що має геометричну, динамічну й кінема­тичну подібність натурному потоку. Фізичне моделювання вико­ристовується для дослідження фільтраційних деформацій, для вивчення умов переміщення води при неповному насиченні нею порід, для вивчення солепереносу та в інших випадках, коли треба дослідити фізичну картину гідрогеологічних процесів.

Для вивчення фільтрації в насичених водою породах, тобто для відтворення фільтраційних потоків, звичайно використовується математичне моделювання, яке грунтується на математичній подіб­ності (аналогії) між процесом фільтрації підземних вод у порис­тому середовищі та іншими фізичними процесами, що описуються аналогічними диференціальними рівняннями. Для моделювання фільтрації головним чином використовується гідравлічна аналогія (ГА), в якій фільтрація заміняється течією в'язкої рідини у щіли­нах чи капілярах, та електрогідродинамічна аналогія (ЕГДА), у якій фільтрація замінюється електричним струмом у провід­никах.

На моделях можна виконати прогнози зміни рівня ґрунтових вод, розрахунки горизонтального й вертикального дренажів (тобто прогнози всіх чотирьох типів) для двомірних і просторових неуста­лених течій в широкому діапазоні складних гідрогеологічних умов при достатньому для практичних цілей урахуванні особливостей фільтраційних течій і притому з достатньою точністю та надій­ністю.

Для того щоб виконати прогноз режиму підземних вод, треба мати надійні вихідні дані про об'єкт. До їх числа насамперед вхо­дять загальна характеристика геологічної будови області, відо­мості про водоносність, умови живлення, циркуляції та стоку підземних вод, фільтраційні характеристики водоносних і слабо-проникних роздільних горизонтів, а також про хімічний склад підземних вод та засоленість грунтів зони аерації. Потрібні також вичерпні дані про меліоративну систему — розміщення, типи й розміри гідротехнічних споруд, режим зрошення чи осушення, а також гідрологічні дані про меліоративну систему. Нарешті, треба мати дані про кліматичні умови території та про водний баланс її — поверхневий стік, випаровування і транспірацію, під­земний стік.

Аналіз перелічених загальних відомостей, з урахуванням наяв­ного меліоративно-гідрогеологічного районування територій, дасть можливість у першому наближенні виділити типові ділянки меліо­рованих масивів, для яких виконуватиметься прогноз.

Деталізація конкретних даних для прогнозу в значній мірі визначається методом, вибраним для його виконання.

Статистичні методи потребують матеріалів багаторічних метео­рологічних спостережень (опади, вологість, температура і т. д.) та спостережень за коливаннями рівнів ґрунтових вод і хімізму підземних вод, за умовами експлуатації меліоративних систем.

Ці дані підготовляють на підставі відповідної обробки резуль­татів вивчення режиму підземних вод у регіональному плані, а також на внутрішньогосподарській сітці свердловин під час експлуатації меліоративних систем. Методика досліджень докладно висвітлена в розділі IX.

Щодо геологічних і гідрогеологічних матеріалів, то в цьому від­ношенні звичайно задовольняються даними, що дають загальну характеристику об'єкта.

Балансові методи прогнозу тільки тоді можуть^ забезпечити задовільну точність, коли їх використовувати для балансових діля­нок, що характеризуються не тільки спільністю геологічних і гідро­геологічних умов, а й одним типом водно-сольового балансу. Тому для уточнення ділянок, виділених на основі загальних відомостей про об'єкт, потрібні додаткові дані, що стосуються визначення підземного припливу й відтоку. До них належать карти гідроізогіпс, гідроізоп'єз усіх водоносних горизонтів, карти ізопотужностей, коефіцієнтів фільтрації водонасичених і роздільних (слабо-проникних) шарів, а також карти ізопотужностей, коефіцієнтів фільтрації, коефіцієнтів недостатку насичення та вмісту солей зони аерації. Дуже важливо мати дані про гідравлічний зв'язок окремих водоносних горизонтів.

Використання балансових методів можливе лише тоді, коли є надійні дані про всі складові частини водного і сольового балансів, або наявні гідрогеологічні дані забезпечують можливість розра­хунку окремих елементів балансу. Оскільки природний баланс є тільки першим етапом, за яким іде складання прогнозного балансу, треба мати матеріали, що дали б змогу встановити зміни тієї чи ін­шої статті балансу під впливом меліорації. Між тим, вичерпні дані про випаровування і транспірацію рослин, фільтраційні втрати на* зрошуваних масивах, про поверхневий стік, водний і сольовий баланси тощо, в умовах дії зрошувальних чи осушу­вальних систем, можйа дістати тільки експериментальними дослі­дженнями на існуючих масивах чи на ключових дослідних ділянках. Отже, балансові методи прогнозу потребують проведення значних за обсягом балансових досліджень, описаних у відповідних пара­графах розділу IX.

Гідродинамічні методи ставлять найвищі вимоги до вихідних даних; це пояснюється, з одного боку, тим, що для гідрогеологіч­них розрахунків потрібно знати багато конкретних показників, а з другого — здатністю цих методів досить точно враховувати природні умови, що потребує більш детального вивчення гідро­геологічної будови й умов об'єкта.

Вибір вихідних даних і побудова розрахункової схеми, потріб­ної для правильного користування методами прогнозу, — важлива частина прогнозування, яку доцільно висвітлити.

Першим етапом прогнозу є вибір вихідних даних для прогнозу­вання. Найкраще його виконувати, якщо наявні матеріали дослі­джень по кожному водоносному горизонту представити у вигляді спеціальних гідрогеологічних карт:

а) гіпсометрії покрівлі нижнього роздільного шару (водотривкого ложа);

б) гіпсометрії підошви верхнього роздільного шару (для напірних пластів);

в) гідроізогіпс при безнапірному потоці чи п'єзоізогіпс при напірному потоці підземних вод;

г) ізопотужностей водонасичених порід;

д) водопроникності (коефіцієнтів фільтрації) водоносних порід;

е) водопровідності (добутку коефіцієнта фільтрації на потужність) водоносного пласта;

є) коефіцієнтів водовіддачі для безнапірних та осушуваних

напірних пластів;

ж) коефіцієнтів п'єзопровідності при напірних водах;

з) величин живлення по площі в природних умовах;
і) хімізму підземних вод.

Для кожного слабопроникного шару, що розділяє водоносні горизонти, складають карти:

а) ізопотужностей;

б) водопроникності (коефіцієнта фільтрації);

в) коефіцієнтів п'єзопровідності.

Якщо зона аерації має складну будову, кожний із шарів треба характеризувати картами:

а) гіпсометрії підошви;

б) ізопотужностей;

в) водопроникності (коефіцієнтів фільтрації);

г) коефіцієнтів недостатку насичення;

д) загального вмісту солей і вмісту легкорозчинних солей.
Крім вказаних карт, складають кілька характерних поздовжніх

і поперечних розрізів, на яких показують літологію усіх страти­графічних горизонтів, а також наносять основні дані з карт.

Якщо об'єкт вивчений недостатньо, для складання повноцін­них карт доцільно нанести на карти всі наявні фактичні дані, щоб вирішити питання про достатність матеріалів для цілей прогнозу.

Закінчується цей етап складанням природної схеми фільтрації. Для цього на основі аналізу вихідних даних уточнюють межі області, визначають будову її в розрізі та крайові умови в природ­ній обстановці.

Для визначення будови області фільтрації в розрізі по кожному водоносному і слабопроникному пласту визначають середні вели­чини його потужності. Розрахункові величини коефіцієнта філь­трації, п'єзопровідності, водовіддачі та інші величини визначають для окремих зон або для всієї області на основі статистичної об­робки наявних матеріалів з урахуванням літолого-генетичних типів порід. Якщо потужність пласта змінюється у значних межах, а сам пласт неоднорідний у плані, осереднення характеристик у плані неможливе, що виключає можливість використання аналі­тичних методів розрахунку.

Після визначення розрахункових показників виділяють пласти, які можна розглядати як відносні водотриви; критерієм тут є спів­відношення фільтраційних параметрів пластів (на два або більше порядків).

Найчастіше область фільтрації у розрізі являє собою багато­шарову систему водоносних і слабопроникних роздільних пластів.

Якщо для інших масивів встановлюється аналогія відповідно до гідрогеологічних та експлуатаційно-господарських умов, то наявні дані спостережень можна використовувати для наближеного якісного прогнозу гідрогеологічної обстановки чи окремих гідро­геологічних показників тих масивів, де спостереження не прово­дяться, або навіть тих масивів, що проектуються.

Якщо користуються статистичними методами, наявні дані спо­стережень треба обробляти методами математичної статистики, що дає можливість визначити емпіричні залежності між певними показниками режиму чи балансу підземних вод або солей та фак­торами, що їх зумовлюють.

Балансові методи прогнозу полягають у складанні балансових рівнянь, які зв'язують окремі елементи приходу й витрати води або солей, визначені експериментально або обчислені. Статистичні й балансові методи найбільш застосовні для керування режимом підземних вод на меліоративних системах, що експлуатуються, але придатні й для загальної характеристики режиму підземних вод на нових, аналогічних масивах. Зокрема балансові методи дають змогу не тільки визначити майбутню меліоративно-гідрогеологічну обстановку, а й потребу в захисному дренажі та потрібну його видатність.

Розглянемо такі методи, якими найчастіше користуються на практиці.

Метод аналізу графіків зв'язку придатний тоді, коли за графі­ком коливання рівнів чи хімічного складу підземних вод визна­чають залежність між ними і ритмічними змінами умов їх форму­вання при стабільному впливі інших режимоутворюючих факторів.

В умовах меліорації за цим методом можна визначити матема­тичні залежності для:

а) наближених прогнозів сезонних і багаторічних змін рівня
глибоко занурених потоків ґрунтових вод, у формуванні яких
невелика роль належить випаровуванню;

б) короткочасного прогнозу рівнів ґрунтових вод, що формуються в зоні розвитку підпору водосховищ, у зоні поширення підканального купола іригаційних каналів або в зоні впливу осушувальних каналів;

в) короткочасного прогнозу змін хімізму ґрунтових вод у тих
самих умовах;

г) прогнозу підйому або спаду рівня ґрунтових вод у безстічних зонах при постійному режимі зрошення чи осушення.

е) водопровідності (добутку коефіцієнта фільтрації на потуж-
ність) водоносного пласта;

є) коефіцієнтів водовіддачі для безнапірних та осушуваних

напірних пластів;

ж) коефіцієнтів п'єзопровідності при напірних водах;

з) величин живлення по площі в природних умовах;
і) хімізму підземних вод.

Для кожного слабопроникного шару, що розділяє водоносні горизонти, складають карти:

а) ізопотужностей;

б) водопроникності (коефіцієнта фільтрації);

в) коефіцієнтів п'єзопровідності.

Якщо зона аерації має складну будову, кожний із шарів треба характеризувати картами:

а) гіпсометрії підошви;

б) ізопотужностей;

в) водопроникності (коефіцієнтів фільтрації);

г) коефіцієнтів недостатку насичення;

д) загального вмісту солей і вмісту легкорозчинних солей.
Крім вказаних карт, складають кілька характерних поздовжніх

і поперечних розрізів, на яких показують літологію усіх страти­графічних горизонтів, а також наносять основні дані з карт.

Якщо об'єкт вивчений недостатньо, для складання повноцін­них карт доцільно нанести на карти всі наявні фактичні дані, щоб вирішити питання про достатність матеріалів для цілей прогнозу.

Закінчується цей етап складанням природної схеми фільтрації. Для цього на основі аналізу вихідних даних уточнюють межі області, визначають будову її в розрізі та крайові умови в природ­ній обстановці.

Для визначення будови області фільтрації в розрізі по кожному водоносному і слабопроникному пласту визначають середні вели­чини його потужності. Розрахункові величини коефіцієнта філь­трації, п'єзопровідності, водовіддачі та інші величини визначають для окремих зон або для всієї області на основі статистичної об­робки наявних матеріалів з урахуванням літолого-генетичних типів порід. Якщо потужність пласта змінюється у значних межах, а сам пласт неоднорідний у плані, осереднення характеристик у плані неможливе, що виключає можливість використання аналі­тичних методів розрахунку.

Після визначення розрахункових показників виділяють пласти, які можна розглядати як відносні водотриви; критерієм тут є спів­відношення фільтраційних параметрів пластів (на два або більше порядків).

Найчастіше область фільтрації у розрізі являє собою багато­шарову систему водоносних і слабопроникних роздільних пластів.