Научно-методические основы определения гидрогеологических параметров пласта и показателей инфильтрационного водообмена по данным многолетних наблюдений за режимом грунтовых вод: На примере некоторых территорий равнинной части России

В гидрогеологических исследованиях проблема определения фильтрационных параметров пласта, инфильтрационного питания (испарения) подземных вод (ПВ) и глубинного инфильтрационного стока артезианского бассейна, показателей инфильтрационного водообмена (ИВО) является одной из основных и относительно хорошо разработанных, так как знание этих показателей требуется при решении многих гидрогеологических, инжененрно-геологических, геологических, гидрологических, а в настоящее время, и экологических задач. Существует и применяется большое количество методов и способов их определения, многими из которых оцениваются разные величины ИВОчасто используются данные кратковременных наблюдений или полуэмпирические оценки. Поэтому проблема надежного и достоверного определения гидрогеологических параметров и показателей ИВО по данным многолетних режимно-балансовых наблюдений (РБН) является актуальной и ее разработка может существенно повлиять на качество и достоверность решения инженерных задач и обоснования проектных решений, интенсифицировать научно-методические разработки в этой области.

Научно-методические исследования, представленные в диссертации, посвящены разработке этой проблемы, развивают многие идеи Г. Н. Каменского в области исследования инфильтрационных потоков и применения метода конечных разностей (МКР) к изучению режима и баланса подземных вод (РБ ПВ), а также некоторые положения ланшафтно-гидрогеологического подхода к изучению показателей ИВО по данным многолетних наблюдений за РБ ПВ, изложенные в работах И. К. Гавич. Новизна подхода заключается в том, что для решения названных выше проблем предлагается комплексный графоаналитический метод (ГАМ) обработки информации различных монй-торингов ПВ, полученной наблюдениями за режимом их уровенной (пьезометрической) поверхности и накопленной в фондах и кадастрах. В этом случае найденные значения гидрогеологических параметров соответствуют той гидродинамической структуре и всей картине в целом, которыми характеризуется исследуемый поток ПВ в многолетнем аспекте, что повышает качество их оценки. При этом, определяются не только собственно гидрогеологические параметры, а именно: уровнепроводность, водопроводи-мость и коэффициент фильтрации, но и основные показатели ИБО (в понятиях автора): минимальное квазистационарное инфильтрационное питание (испарение), результирующее инфильтрационное питание (испарение) или его изменение. В таком предлагаемом содержании показатели инфильтрационного питания (испарения) ранее в гидрогеологии не рассматривались.

Решение этого вопроса имеет важное научное и практическое значение в связи с организацией локальных и региональных мониторингов ПВ, при оценке и картировании естественных ресурсов подземных вод (ЕРПВ), выявлении степени защищенности ПВ от загрязнения, решении многих экологических и народнохозяйственных задач.

Целью работы являлась разработка методических приемов и рекомендаций по определению гидрогеологических параметров пласта и показателей ИБО на основе данных многолетних наблюдений за режимом ПВ с позиций ландшафтно-гидрогеологического метода (ЛГМ).

Основные задачи исследований заключались в следующем:

— изучение и оценка существующих методов определения показателей ИВО и гидрогеологических параметров по данным РБН;

— разработка научно-методических основ определения гидрогеологических параметров и показателей ИВО по данным многолетних режимных наблюдений на основе ЛГМ для типичных гидрогеологических условий при квазистационарной и нестационарной фильтрации;

— разработка методических рекомендаций по предлагаемому комплексу исследований;

— сбор, анализ, оценка качества исходной информации и выбор представительА ных наблюдательных участков для применения предлагаемой методики на основе исследований многолетнего режима грунтовых вод (ТВ) в Центральной Черноземной части России и Ставропольском крае;

— определение геологических параметров и показателей ИБО на основе предлагаемого комплекса исследований для наблюдательных постов Белгородского ключевого участка (БКУ) и части Восточно-Предкавказского артезианского бассейна (ВПАБ).

Для решения поставленных задач использован комплексный подход, реализующий в качестве основных гидрогеологические, аналитические и численные методы, а именно:

— обобщение информации по ландшафтно-климатическим условиям и геолого-гидрогеологическому строению территории, влиянию естественных и техногенных факторов на режим ПВ по анализу физических, климатических, геологических, тектонических, геоморфологических и гидрогеологических карт и разрезов, графиков изменения температуры, количества осадков, положения уровня грунтовых вод (УГВ) и др.;

— графоаналитический способ и методы математической статистики при обработке полученной информации и оценке гидрогеологических параметров и величины интенсивности ИВО;

— метод конечных разностей (МКР) при определении минимальных годовых и среднеминимального квазистационарного многолетнего показателя ИВО;

— основные методические подходы ЛГМ.

Научная новизна работы заключается в том, что:

— разработаны научно-методические основы определения гидрогеологических параметров и показателей ИВО по данным многолетних наблюдений за режимом ГВ на основе комплексного графоаналитического метода (ГАМ) в условиях квазистационарной и нестационарной фильтрации;

— получены расчетные зависимости для определения ГАМ гидрогеологических параметров и основных показателей ИВО по данным длительных РБН для некоторых типичных гидрогеологических условий;

— получены экспериментальные доказательства достоверности определения ГАМ результирующей интенсивности ИВО по данным наблюдений за колебаниями УГВ;

— предложены типовые графики, построенные численным методом по данным многолетних РБН, позволяющие использовать ГАМ для качественной оценки типа режима ПВ, режимообразующих факторов (РОФ) и эколого-гидрогеологических обста-новок в различных ландшафтно-гидрогеологических условиях;

— предложен общий алгоритм комплексного использования ГАМ для определения гидрогеологических параметров и показателей ИВО на основе данных многолетних РБН с позиций ландшафтно-гидрогеологического подхода;

— выявлены закономерности изменения показателей ИВО в многолетнем аспекте для Белгородского региона в условиях устойчивого техногенного воздействия и сделана попытка статистической оценки степени нарушенности режима ПВ на основе методики С. М. Семенова и Г. И. Батрака.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— предложенный комплексный ГАМ позволяет по данным многолетних РБН одновременно определять гидрогеологические параметры (а, Т, к), показатели ИВО и и проводить качественную оценку исходной информации и полученных результатов;

— определены гидрогеологические параметры и показатели ИВО на отдельных наблюдательных постах БКУ и части ВПАБ, которые могут быть исдользованы для различных гидрогеологических и инженерно-геологических исследований и изысканий, а также при ландшафтно-гидрогеологическом районировании территорий, составлении карт ЕРПВ, условий питания и защищенности ПВ от загрязнения;

— построены типовые графики изменения минимального квазистационарного инфильтрационного питания во времени и в зависимости от глубины до УГВ для районов Центрального Черноземьятеоретическое обоснование научно-методических основ определения гидрогеологических параметров и показателей ИБО относится к фундаментальным разделам гидрогеологической науки, и развивает ее методы исследований;

— полученные результаты расширяют методические аспекты гидрогеологических исследований и позволяют более полно и целенаправленно использовать накопившуюся информацию о РБН за ПВ.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Комплексный ГАМ определения основных показателей ИБО (ЛУод и УУО и гидрогеологических параметров пласта (а, Т, к) по данным многолетних РБН на основе ландшафтно-гидрогеологического подхода;

2) Качественная оценка типовых ландшафтно-гидрогеологических условий РОФ и эколого-гидрогеологических обстановок по анализу графиков ф =? (Ч*), построенных на основе комплексного ГАМ;

3) Расчетные зависимости для определения показателей ИВО и гидрогеологических параметров на основе предлагаемой методики для различных природных условий;

4) Общий методический алгоритм комплексного использования ГАМ для определения гидрогеологических параметров и показателей ИБО по данным многолетних РБН;

5) Апробация предложенной методики оценки гидрогеологических параметров и показателей ИВО для Центрального Черноземья (БКУ) и ВПАБ (Ставропольский край).

Основные результаты диссертационной работы:

1) вошли в отчет о выполнении НИР по теме «Разработка теоретических основ и методики определения гидрогеологических параметров грунтового потока по данным многолетних наблюдений на основе ЛГМ», проводимых партией кафедры гидрогеологии МГГА в рамках работ НУЦ по договору с Министерством природных ресурсов РФ;

2) представлены в отчете по теме «Оценка и региональное картирование показателей многолетнего ИВО с целью определения естественных ресурсов ПВ» для территории Центрального Черноземья, выполненной партией кафедры гидрогеологии МГГА в рамках работ НИЧ по договору с VIII «Геосинтез»;

3) научно-методические основы, материалы и результаты, представленные в диссертации, используются в учебном процессе кафедры гидрогеологии МГТА: в лекциях и семинарских занятиях, по ним написано и защищено шесть дипломных работ и более тридцати курсовых проектов.

Диссертационная работа объемом 150 страниц компьютерного текста состоит из: введения, 5 глав и заключенияпроиллюстрирована 35 рисунками, содержит 19 таблиц и включает 3 приложения.

Список литературы

содержит 127 наименований.

Основные положения диссертации докладывались на Международных научных конференциях «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1997 — 1999 г. г.) и опубликованы в виде тезисов трех докладов, напечатанных в трудах конференций. По теме диссертации опубликована печатная работа (Изв. вузов. «Геология и разведка». 1999.№ 2).

В основу диссертации положены результаты научных исследований, проводимых на кафедре гидрогеологии МГТА под руководством проф. И. К. Гавич с 1996 г. по настоящее время. Автор диссертации участвовал во всех этапах проведения работ в качестве ответственного исполнителя. Лично им выполнено большое количество научных исследований, подготовительных и окончательных расчетов гидрогеологических параметров и показателей ИБО, статистических оценок данных многолетних наблюдений за изменением УГВ и полученных результатов [обработаны 12 постов (33 скважины) для Центрального Черноземья, проанализирована информация по 27 и обработана по 5 постам (15 скважин) для части ВПАБ]. В работе использованы фондовые материалы партии кафедры гидрогеологии МГТА, ЦРГЦ и ТГФ Белгородской области.

Диссертация выполнена под руководством д.г.-м.н., заслуженного деятеля науки.

РФ, лауреата Государственной премии СССР, профессора И. К. Гавич, которой автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность.

За ценные советы и замечания автор благодарит к.г.-м.н., проф. Н. Н. Ленченко и д.г.-м.н. И. С. Пашковского. Автор признателен зав. кафедрой гидрогеологии МГГА, заслуженному деятелю науки РФ, лауреату Государственной премии СССР, академику РАЕН, д.г.-м.н., проф. В. М. Швецу и всему коллективу кафедры за поддержку при написании работы, а так же — руководству и сотрудникам НИЧ МГТА за внимание к выполняемым исследованиям.

Кроме того, автор считает своим приятным долгом поблагодарить: руководство ЦРГЦ в лице А. Н. Клюквина и В. Н. ЛазаренкоИ. П Петрова, Н. И. Смирнову и всех сотрудников УГП «Геосинтез» за помощь в получении необходимой информации и организацию работ по теме диссертацииколлектив разработчиков программного комплекса «Regim», которым он пользовался.

Заключение

.

Проведенные автором диссертации научные исследования и предлагаемые методы оценки гидрогеологических параметров пласта и основных показателей ИВО по данным многолетних режимных наблюдений за УГВ позволяют расширить методологическую базу гидрогеологических исследований. Об этом дает право говорить решение в ходе научно-исследовательских работ следующих задач.

1. По теме диссертации проработан и обобщен большой объем научно-методической и другой информации. Сделан анализ достоверности определения, главным образом по данным РБН, гидрогеологических параметров водоносного горизонта и величины инфильтрационного питания (испарения) ПВ различными методами.

2. Разработаны научно-методические основы определения гидрогеологических параметров (а, Т, к) и показателей ИВО (?мг^о, мг.) по данным многолетних РБН за изменением УГВ с позиций ландшафтно-гидрогеологического подхода, применительно к наиболее часто встречающимся гидрогеологическим условиям при квазистационарной и нестационарной фильтрации.

3. Получены расчетные зависимости для определения результирующей интенсивности ИВО и гидрогеологических параметров на основе комплексного ГАМ для различных геолого-гидрогеологических условий.

4. Исследована и показана возможность применения предлагаемого ГАМ для оценки результирующей интенсивности ИВО и гидрогеологических параметров на примере хорошо изученного полигона ВСЕГИНГЕО;

5. Предложены типовые графики, построенные численным методом по данным многолетних РБН, позволяющие использовать ГАМ для качественной оценки типа режима ПВ, главных РОФ и эколого-гидрогеологических обстановок в различных ланд-шафтно-гидрогеологических условиях;

6. Разработана комплексная методика ГАМ оценки гидрогеологических параметров пласта и показателей ИВО с позиций ландшафтно-гидрогеологиче-ского подхода, включающая: качественное ландшафтно-гидрогеологическое районированиеанализ графиков колебаний УГВрасчет показателей ИВО Мг.) и гидрогеологических параметров (а, Т, к) — построение графиков зависимости ¥-о, мг — ж. Определены дополнительные к существующим требования к качеству исходной информации для проведения расчета комплексным ГАМ и предложены рекомендации по ее получению;

7. Собран, проанализирован и систематизирован исходный материал по особенностям ландшафтно-климатических, структурно-геологических и гидрогеологических условий, видам и степени техногенного воздействия на режим ГВ, а также по данным многолетних РБН за ПВ для наблюдательных участков Центрального Черноземья и Ставропольского края. Проведено предварительное ландшафтно-гидрогеологическое районирование и оценено качество исходной информации с позиций ЛГМ применительно к решению поставленных задач.

8. Впервые для рассматриваемой территории БКУ на основе методики, предложенной С. М. Семеновым и разработанной Г. И. Батраком, проведены исследования степени влияния техногенного воздействия на режим ГВ по 22 используемым в работе наблюдательным скважинам;

9. Выполнены расчеты гидрогеологических параметров и основных показателей ИВО для наблюдательных постов БКУ и части ВПАБ. Получены значения: уровнепро-водности, водопроводимости, коэффициента фильтрации, многолетней результирующей интенсивности и среднеминимальной многолетней квазистационарной величин инфильтрационного питания (испарения) для горизонтов ГВ отдельных наблюдательных участков без учета некоторых геолого-литологических и гидрогеологических особенностей их строения. Подтверждена тесная связь показателей ИВО с основными гидрологическими и метеорологическими элементами, а параметров — с гидродинамической структурой потока ПВ.

Дальнейшие работы должны быть направлены на решение следующих задач.

1) Продолжение разработки теоретических и методических основ определения гидрогеологических параметров и показателей ИВО по данным многолетних режимных наблюдений на основе ЛГМ для сложных гидрогеологических условий (плановый поток ГВ, поток ГВ с глубинным перетеканием и др.);

2) Выбор представительных участков и применение предлагаемой методики расчета в сложных гидрогеологических условиях (особенно в случае двухи многослойного строения водоносных горизонтов). Сравнение полученных значений гидрогеологических параметров и показателей ИВО с результатами определения другими известными методами;

3) Продолжение исследований влияния различных естественных и техногенных факторов на достоверность определения гидрогеологических параметров и показателей ИВО комплексным ГАМ на основе ландшафтно-гидрогеологиче-ского подхода и разработка методики проведения тестовых задач;

4) Изучение влияния нелинейности положения расчетного створа относительно направления потока ПВ на достоверность определяемых ГАМ величин путем решения тестовых задач;

5) Выявление статистических связей показателей ИВО с РОФ для различных климатических и ландшафтно-гидрогеологических условий;

6) Исследование корректности решения обратных гидрогеологических задач численным методом применительно к исследуемой проблеме.