Диссертация: Оценка инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод на основе геогидрологических моделей

Актуальность исследований.
Подавляющее большинство широко использующихся в гидрогеологической практике методов оценки естественных ресурсов подземных вод (ЕРПВ) зоны интенсивного водообмена основаны на определении количественных показателей разгрузки или расхода фильтрационного потока, с чем связаны известные объективные, но не всегда определенные погрешности. Вместе с тем, согласно общепринятому определению, методически корректной является количественная оценка ЕРПВ, основанная на изучении балансовых составляющих питания подземных вод, которое для зоны интенсивного водообмена обеспечивается, главным образом, инфильтрацией атмосферных осадков. Однако, методы определения инфильтрационного питания (ИП), как правило, позволяют количественно характеризовать его интенсивность на локальном участке в конкретный период исследований, в связи с чем их использование для оценки среднемноголетних обеспеченных величин ресурсов подземных вод отдельных территорий весьма ограничено.
С 70-х годов прошлого века по настоящее время, как в России, так и за рубежом, активно развиваются математические модели, в той или иной форме связывающие процессы водообмена в системах атмосфера – ландшафт – поверхностные и подземные воды в смежных с гидрогеологией науках (почвоведение, гидрология, метеорология и др.). В гидрогеологических исследованиях такие модели были впервые использованы P. Фризом, а в отечественной практике - И.С.Пашковским [Пашковский, 1985]. В.М. Шестаков предложил называть такие модели геогидрологическими и определил «геогидрологию», как граничный с другими науками раздел гидрогеологии, рассматривающий «движение воды в системе ландшафт - подземные воды зоны гипергенеза от выпадения осадков на поверхность суши до их поступления в биосферу и поверхностные воды с учетом деятельности человека» [Шестаков, Поздняков, 2003].
Использование принципов геогидрологического моделирования позволяет проводить площадную оценку ИП и ЕРПВ, основанную на моделировании процессов его формирования, с учетом природной неоднородности гидрогеологических, ландшафтных и климатических условий изучаемой территории. В такой постановке представляется возможность избежать основные ограничения известных методов оценки ресурсов и детализировать пространственно-временную неоднородность их количественных показателей.
Также целесообразным является применение геогидрологических моделей и в практически важных задачах изучения условий формирования и оценки ресурсов подземных вод в условиях их эксплуатации, что повышает уровень достоверности и детальности количественной оценки балансовой обеспеченности эксплуатационного водоотбора и прогнозирования влияния эксплуатации подземных вод на поверхностные воды и общий водный баланс территорий. Это обусловлено все возрастающей актуальностью количественного анализа экологических последствий влияния эксплуатации подземных вод на окружающую среду.
Однако принципы построения таких моделей, их структура, содержание отдельных блоков и методика использования геогидрологического моделирования применительно к
различным масштабам и практическим задачам оценки ресурсов подземных вод зоны интенсивного водообмена не разработаны. Также требует решения и проблема параметрического обеспечения отдельных блоков геогидрологической модели для задач средне- и мелкомасштабной оценки ресурсов подземных вод, что на сегодняшний момент, во многом, ограничивает их практическое использование. Решение этих вопросов и определяют основные направления исследований в данной работе.
Цели и задачи исследований.
Основной целью работы является разработка методики оценки инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод в естественных условиях и при их эксплуатации на основе геогидрологических моделей, отражающих пространственно-временную неоднородность природных факторов их формирования и нелинейность процессов взаимовлияния поверхностной и подземной составляющих водообмена речного бассейна.
Для этого в работе решались следующие задачи:
- обоснование необходимой структуры расчетной геогидрологической модели, содержания ее расчетных блоков и принципов их сочленения, в зависимости от масштаба и цели исследований инфильтрационного питания и ресурсов подземных вод;
- разработка расчетных модулей формирования зависимого гидрологического режима водотоков и водоемов в составе геогидрологической модели речного бассейна;
- разработка методических принципов использования геогидрологических моделей и их отдельных элементов (блоков) для средне- и мелкомасштабной (региональной) оценки среднемноголетнего ИП и ЕРПВ;
- анализ природных факторов формирования ИП и ЕРПВ и выделение основных, определяющих их пространственно-временную неоднородность в масштабе речного бассейна (водосбора);
- проведение расчетной схематизации условий формирования ИП на основе анализа процессов водного баланса на поверхности земли и в зоне аэрации и обоснование параметрического обеспечения и граничных условий расчетных моделей, отражающих основные различия этих процессов, в зависимости от ландшафтных, почвенных и гидрогеологических факторов;
- анализ адекватности расчетных моделей формирования ИП и их параметрического обеспечения природным условиям на основе сопоставления результатов моделирования с данными наблюдений на водно-балансовых стационарах;
- количественный анализ закономерностей формирования пространственной неоднородности ИП подземных вод в масштабе речного бассейна (водосбора), в пределах единой климатической зоны и при широтной зональности климатических условий (на примере Европейской части России);
- апробация методики средне- и мелкомасштабной оценки ИП и ЕРПВ для конкретных территорий, анализ достоверности полученных результатов и обоснование принципов их верификации;
- разработка и практическое применение геогидрологических моделей при оценке эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) в условиях влияния эксплуатации на поверхностные воды и природные ландшафты.
Методика исследований.
Методика проведения исследований включала:
- анализ существующих методов оценки ИП и ресурсов подземных вод, а также опыта разработки и использования моделей природных систем «атмосфера – ландшафт – поверхностные и подземные воды» в смежных с гидрогеологией науках (почвоведение, гидрология, метеорология и др.);
- теоретический и модельный анализ теплоэнергетических и воднобалансовых процессов на поверхности земли и в зоне аэрации с целью обоснования принципов их схематизации и параметрического обеспечения применительно к разным масштабам исследования ИП подземных вод;
- постановку и проведение наблюдений за уровнем грунтовых вод, температурным и влажностным режимом на поверхности земли и в зоне неполного водонасыщения на опытных ландшафтных площадках, лабораторное определение воднофизических свойств по глубине зоны аэрации, анализ материалов наблюдений на водно-балансовых стационарах;
- постановку, реализацию и интерпретацию численных модельных экспериментов;
- разработку и апробацию геогидрологических моделей при решении практических задач оценки среднемноголетнего ИП, естественных и эксплуатационных ресурсов подземных вод на конкретных объектах.
Научная новизна работы.
1. Определены понятие и балансовые критерии гидрогеодинамически зависимого и независимого гидрологического режима водотоков и водоемов. Разработана и апробирована на конкретном объекте оригинальная гидрогеодинамическая модель формирования зависимого гидрологического режима малого водоема в условиях эксплуатации подземных вод вблизи его акватории, отражающая прогнозные изменения процессов восполнения его запасов, гидрологического режима и балансово-гидрогеодинамических условий взаимодействия подземных и поверхностных вод.
2. Проведен количественный анализ и описаны закономерности формирования процессов сокращения речного стока в характерных гидрогеодинамических зонах влияния берегового водозабора.
3. Предложена типизация геогидрологических моделей в зависимости от их масштаба и характера решаемых с их помощью задач, отражающая основное содержание, принципы пространственно-временной схематизации процессов и параметрического обеспечения отдельных ее блоков (модулей). Разработаны и апробированы методические принципы построения геогидрологических моделей в разных масштабах.
4. Проведена оценка среднемноголетнего питания и естественных ресурсов подземных вод юго-западной части Московского артезианского бассейна, отражающая неоднородность природных факторов их формирования (климатических, ландшафтных, гидрогеологических), в масштабе отдельных речных бассейнов территории.
5. Количественно охарактеризована роль ландшафтных (рельеф, тип растительного и почвенного покрова) и гидрогеологических условий речных бассейнов в формировании средне- мелкомасштабной площадной неоднородности инфильтрационного питания подземных вод.
6. Впервые получены расчетные зависимости для оценки среднемноголетнего инфильтрационного питания подземных вод, отражающие широтную климатическую зональность территории Европейской части России и макро-неоднородность ландшафтных и почвенных условий на площади речного бассейна (водосбора).
7. Предложены и апробированы на конкретных объектах принципы количественной оценки распределения естественных ресурсов подземных вод в разрезе зоны интенсивного водообмена, основанные на использовании результатов геогидрологического моделирования процессов формирования инфильтрационного питания и данных наблюдений за речным стоком.