Является ли меженный расход рек мерой питания подземных вод или общего подземного стока?

Подробности

Автор: Боревский Б.В., Марков М.Л.

Рассмотрено соотношение питания подземных вод и меженного минимального стока рек. Показано, что их приравнивание некорректно, так как в большинстве случаев меженный сток рек меньше подземного питания. Приводится обоснование возможности использования для целей оценки обеспеченности эксплуатационных запасов подземных вод среднемноголетней величины модуля подземного стока в реки, а не Р95%, как это практикуется в настоящее время. Приведен реальный пример анализа соотношения рассматриваемых показателей стока рек и естественных ресурсов подземных вод.

Ключевые слова: естественные ресурсы подземных вод, эксплуатационные запасы, подземный сток, подземный сток в реки, питание подземных вод, летняя и зимняя межень.

Оценка питания подземных вод или подземного стока является важнейшим обоснованием обеспеченности их ресурсного потенциала, под которым понимается сумма эксплуатационных запасов и прогнозных эксплуатационных ресурсов.

Питание подземных вод в пределах частного водосбора реки или какой-либо другой оцениваемой территории обычно приравнивается к их естественным ресурсам.

Естественные ресурсы формируются исключительно за счет инфильтрационного питания подземных вод, разгрузка которых осуществляется в поверхностные водотоки (реки и ручьи), а также высачиванием, испарением и транспирацией, которые рассматриваются как «скрытая разгрузка». Ввиду неполного дренирования подземного стока речной сетью роль «скрытой разгрузки» достаточно велика.

Величина суммарного подземного стока по имеющейся информации может быть определена несколькими методами:

• по величине подземного стока в реки;
• по величине инфильтрационного питания подземных вод, в том числе с использованием математического моделирования;
• по модулю эксплуатационного водоотбора на действующих водозаборах при сопоставлении его с модулем подземного стока, определенным другими методами.

Подземное питание рек (подземный сток в реки) дает минимальную оценку обеспеченности величины ресурсного потенциала, так как подземный сток в реки практически всегда меньше общего подземного стока или питания подземных вод [2].

Соотношение величины подземного стока в реки и общего подземного стока зависит от полноты дренирования подземных вод и может колебаться от первых десятков процентов до 100 %. Поэтому оценка ресурсного потенциала по величине подземного стока в реки всегда гарантирует от завышенных оценок, а в большинстве гидрогеологических условий дает заниженные оценки ресурсного потенциала.

При подсчете запасов и прогнозных ресурсов подземных вод для обоснования их обеспеченности обычно используются:

1. минимальный месячный (или 30-суточный) модуль подземного стока (Р_95%-Р_90%) маловодного года;
2. минимальный среднемноголетний месячный модуль подземного стока (Р_50%);
3. модуль, определенный по полусумме летнего (Q_{min.cp.мес.летн}) и зимнего (Q_{min.ср.мес.зимн}) меженного стока (Р_50-95%) [9];
4. средний многолетний модуль подземного стока.

Первые три оценки гарантируют от завышения величины подземного стока в реку при его расчетах в разные по водности годы (т.е. гарантированно исключают возможность завышения измеренной и расчетной величины подземного питания реки за счет поверхностной составляющей).

Одним из наиболее распространенных и практикуемых при оценке запасов подземных вод методов определения естественных ресурсов подземных вод или соответствующей им величины суммарного подземного стока является гидрометрический метод, основанный на оценке подземного питания реки путем расчленения гидрографа и оценке величины модуля подземного стока 50- и 95%-ной обеспеченности при наличии длительных рядов наблюдений или приведении к ним по объектам-аналогам. В результате величина общего подземного стока приравнивается к среднему многолетнему подземному питанию рек, а в маловодные годы — к его 95%-ной обеспеченности. На основе этой концепции выполнены расчеты и построены многочисленные карты естественных ресурсов подземных вод, а также проведена оценка обеспеченности эксплуатационных запасов нескольких тысяч месторождений при их подсчете и последующей государственной экспертизе.

В составе последней гидрологическая экспертиза подсчета запасов подземных вод практикуется во всех случаях, когда мерой их обеспеченности принимается подземное питание рек. При этом критерием количественной оценки обеспеченности запасов подземных вод является 30-суточный меженный сток реки 95%-ной вероятности превышения.

Между тем, этот минимальный меженный расход реки может рассматриваться как мера естественных ресурсов или суммарного подземного стока только при отсутствии «скрытой разгрузки», при его полном дренировании рекой и практически полном отсутствии регулирующей емкости, роль которой в сглаживании колебаний питания подземных вод во внутригодовом и многолетнем разрезе весьма существенна.

Далее с гидрологических и гидрогеологических позиций обсудим, корректно ли рассматривать подземное питание рек или их минимальный меженный сток как меру общего подземного стока.

Прежде всего отметим, что в основе оценки меженного стока рек лежат, с одной стороны, прямые гидрометрические измерения расхода реки, с другой — расчеты этой величины разной степени обеспеченности по многолетним рядам наблюдений с использованием для этих целей гидропостов по рекам-аналогам.

Проблема определения расчетного меженного расхода рек обострилась в последние годы при рассмотрении влияния возможных изменений климата на ресурсы подземных вод.

Существуют различные схемы расчленения гидрографов стока, но все их объединяет то, что опорными ординатами для определения подземного питания рек являются расходы воды в меженные зимний и летний периоды [9]. На формирование этих расходов оказывают влияние не только гидрогеологические условия, но и внешние факторы, в том числе изменение метеорологических условий. Во многих публикациях последних 15–20 лет отмечается, что наиболее чувствительным к изменению климата оказался минимальный, особенно зимний сток рек. Он вырос, например, в некоторых районах европейской части России в 1,5–2,5 раза. Из этого делается вывод о соответствующем увеличении естественных ресурсов подземных вод. В частности, такая концепция развивается в последние 10–15 лет в ИВП РАН [7]. Верна ли эта концепция? Насколько объективным показателем естественных ресурсов подземных вод является средний многолетний и минимальный меженный сток рек в условиях произошедших изменений климата и при различных сценариях его изменений?

Минимальный сток существенно зависит от глубины эрозионного вреза рек (особенно малых) и соответствующей ему степени дренирования подземного стока. На малых водосборах равнинных рек дренирование всегда неполное. Поэтому латеральный подземный сток, не дренируемый рекой, может составлять значительную часть общего подземного стока. Вместе с тем, большая часть годового стока рек в речных бассейнах, расположенных от лесной зоны до зоны тундр, формируется очень малыми реками длиной менее 10 км (70–80 % протяженности всей гидрографической сети). Расчеты, выполненные в ГГИ для разных районов, показывают, что и в годовом подземном питании рек основную роль играют малые водотоки (рис. 1).

Сток малых рек в большей мере, чем больших, чувствителен к колебаниям метеорологических условий. Произошедшее потепление зим обусловило снижение роли криогенных явлений и процессов (рис. 2), которые приводили в предшествующий квазистационарный климатический период к уменьшению минимального стока рек. Уменьшение глубины промерзания, продолжительности его периода вызвало некоторое увеличение инфильтрации атмосферных осадков, соответственно и питания подземных вод.

С другой стороны, дренирование малыми реками верхней зоны активного водообмена зимой возросло также по следующим причинам.

Во-первых, оно увеличилось за счет снижения аккумуляции подземных вод во льду в зоне аэрации при миграции незамерзшей влаги к фронту промерзания. Исследование условий формирования влагозапасов почвы в зимний период на Вятке, в Новгородской области на экспериментальных речных бассейнах Валдайского филиала ГГИ показало, что они могут увеличиваться к концу холодной зимы до 40 мм. Соответственно при потеплении эти величины могут снизиться и участвовать в стоке рек.

Во-вторых, уменьшились потери подземного питания рек на формирование ледяных образований: речного льда, наледей, сезонных подземных льдов. Особенно это проявляется на территории распространения многолетнемерзлых пород, где значительные объемы воды аккумулируются во льду.

В-третьих, при уменьшении толщины льда в реках возрастает пропускная способность русел. Например, уменьшение толщины льда в бассейне Северной Двины всего на 15 см приводит к увеличению стока в конце зимы в малых ручьях почти в 2 раза по сравнению с холодными зимами. Для бассейна Алдана при отклонении средней зимней температуры воздуха от средней многолетней на 2–3 °С отмечается отклонение среднего зимнего стока рек на 20–30 % от среднего многолетнего [8]. На р. Норильской колебания толщины льда контролирует до 25–30 % меженного стока при равных гидрометеорологических условиях в предзимний период.

В-четвертых, при уменьшении промерзания почвогрунтов возрастает их воздухопроницаемость. При более свободном проникновении воздуха в зону аэрации над грунтовыми водами зимой не создается более низкое давление, чем в атмосфере, и подземные воды свободно разгружаются в реки. В ГГИ ведутся экспериментальные работы по выявлению влияния колебания давления воздуха в зоне аэрации на режим разгрузки подземных вод в водные объекты. Уже первые

результаты показали, что разница давления в атмосфере и в ненасыщенной зоне почвогрунтов при прохождении атмосферных фронтов может составлять до 50–100 мм в эквиваленте водяного столба, а зимой — до 200 мм и более при возникновении сезонно-мерзлого слоя, слабо пропускающего воздух, необходимый для заполнения пустот при снижении уровня грунтовых вод. При потеплении зим, прекращении промерзания почвогрунтов это физическое явление, существенно снижающее уровни подземных вод при отсутствии инфильтрации, исчезает.

В результате перечисленных процессов при увеличении зимней температуры воздуха, с одной стороны, может происходить увеличение питания подземных вод за счет роста инфильтрация атмосферных осадков, а с другой — улучшение условий дренирования водоносных горизонтов гидрографической сетью. В разных регионах страны эти процессы проявляются по-разному. Например, в северных и сибирских регионах значительное промерзание всегда есть, и это не сказывается на увеличении питании подземных вод. Но зимний сток там практически везде имеет тенденцию роста, так как снизились «потери» на ледообразование и улучшилась пропускная способность русел рек при уменьшении толщины льда.

Изменения взаимодействия между поверхностными и подземными водами в условиях современного изменения климата происходят не синхронно в разных звеньях гидрографической сети. Например, при сохраняющемся росте минимального стока на средних и больших реках северо-запада РФ на многих малых реках минимальный сток, достигнув максимума в 1980-е годы, начал снижаться с середины 1990-х годов. Снижение минимального стока в условиях продолжающегося потепления зим, вероятно, сопровождается снижением уровней грунтовых вод в приводораздельной зоне речных бассейнов. Это привело к высыханию лесов (уже наблюдается в больших масштабах в еловых лесах в Архангельской и Вологодской областях), обмелению приводораздельных озер.

Одна из причин несинхронности изменения водообмена подземных и поверхностных объектов в разных звеньях гидрографической сети состоит в следующем. При произошедшем увеличении стока в верхних звеньях гидрографической сети уровень воды в нижних звеньях становится выше. Так, увеличение зимнего стока в 2 раза на равнинных реках с площадью водосбора в 10 тыс. км² вызывает увеличение минимального уровня воды в среднем на 0,7 м, а при площади водосбора 100 тыс. км² — более чем на 1 м (рис. 3). Следствием этого является постепенное уменьшение дренирующей способности (из-за повышения базиса дренирования) в нижних звеньях гидрографической сети. В результате ежегодно в теплые зимы снижается разгрузка подземных вод в межень в нижние звенья рек, десятилетиями происходит рост средних годовых уровней грунтовых вод, наблюдается подтопление прибрежных территорий, заболачивание их долин, активизация оползней на приречных склонах, повышение аварийности линейных транспортных сооружений изза изменения несущей способности переувлажненных оснований. Накопившиеся в приречных долинах (или не сработанные зимой) подземные воды перераспределяются частично на более короткую летне-осеннюю межень и увеличивают минимальный летний сток рек, когда снижается приток с верхних звеньев гидрографической сети. Таким образом, потепление зим приводит к большему участию в питании рек в холодный период года вод верхнего яруса (дренируемого малыми реками), а в теплый период — нижнего яруса зоны активного водообмена литосферы. При этом средние годовые уровни грунтовых вод могут существенно не изменяться в зоне питания. А если и растут, то не в разы по отношению к норме, как меженный сток рек.

Отметим, что существующая методика расчетов расхода рек различной обеспеченности приводит к различиям меженных минимальных расходов 50- и 95%-ной обеспеченности в 2,5–3 раза и более. Поэтому возможность перенесения этих соотношений на величину подземного стока с учетом инерционности последнего вызывает много вопросов и может, безусловно, быть поставлена под сомнение.

Описанное выше несинхронное участие подземных вод в питании разных звеньев гидрографической сети повышает регулирующую способность подземных вод в формировании речного стока, и особенно меженного. Следствием этого является и то, что один и тот же минимальный расход воды в реке может быть сформирован в теплые годы в большей мере за счет верхних водоносных горизонтов, а в холодные — за счет более глубоких. С одинаковой интенсивностью подземные воды различных уровней не участвуют в питании рек. Таким образом, опорный минимальный расход воды, используемый в гидрологическом обосновании оценки естественных ресурсов подземных вод, не отражает их в полной мере в холодные зимы, а в теплые может привести к их неоправданному завышению. Из-за этого велика и амплитуда многолетних колебаний низкого стока, а расходы, например 95%-ной обеспеченности, отражают только часть потенциально возможного питания рек, интерпретируемого как показатель естественных ресурсов подземных вод.

Важно также отметить, что на увеличение зимнего стока рек в районах с умеренным климатом, помимо вышеописанного увеличения дренирующей способности верхних звеньев гидрографической сети, также оказывают влияние оттепели. Их количество и продолжительность растет с повышением температуры воздуха. Во время оттепелей происходит снеготаяние и водоотдача из снежного покрова, формируется поверхностный сток. По данным Подмосковной воднобалансовой станции количество суток с положительной температурой в январе-феврале за период 1978–2008 гг. увеличилось по сравнению с периодом 1958–1977 гг. с 71 до 269 [11]. Естественно, что сток талых вод в календарный зимний период не может быть интерпретирован как подземное питание рек.

Из изложенного следует, что изменение меженного потока рек, в том числе его расчетные величины 50- и 95%-ной обеспеченности, нельзя интерпретировать и приравнивать к изменению питания подземных вод и их естественных ресурсов.

Рассмотрим соответствие отношения расчетного меженного стока рек к величине питания подземных вод или их естественным ресурсам с гидрогеологических позиций.

Из проведенных за последние 50 лет работ по сопоставлению питания подземных вод и подземного питания рек [2, 12] следует, что величина подземного питания рек может колебаться от первых десятков процентов суммарного подземного стока до близких к нему величин по следующим причинам.

Так, еще в 1970-е годы В.М. Шестопаловым было показано, что в Украинском и Белорусском Полесье дренирование реками подземного стока не превышает 10 % от его общей величины [12]. Остальная часть приходится на «скрытую разгрузку», в основном эвапотранспирацией с заболоченной территории.

Можно сформулировать следующие основные причины расхождений величины общего подземного стока и подземного стока в реки.

Подземное питание рек существенно зависит (прежде всего для малых рек) от глубины их эрозионного вреза и соответствующей ему степени дренирования подземного стока. На малых водосборах равнинных рек дренирование всегда неполное. Поэтому латеральный подземный сток, дренируемый рекой, может составлять значительную часть общего подземного стока.

Подземный сток, помимо разгрузки в русла рек, где он может быть измерен прямыми гидрометрическими методами, расходуется на эвапотранспирацию, родниковый сток, латеральный сток за пределами рассматриваемого водосбора и т.п. В холодные периоды года часть подземного стока аккумулируется в речном льду, наледях, сезонных подземных льдах, мигрирует в зоне аэрации к фронту промерзания и т.д. Потери подземного стока за счет этих процессов могут достигать 0,5–2,0 л/с•км². Естественно, что в теплые зимы эта величина существенно снижается в пользу увеличения подземного питания рек.

Дренирующая способность гидрографической сети переменна. Она зависит от изменения пропускной способности русла при изменении размеров и состояния его периметрического сечения, в частности в зимнюю и летнюю межень. Кольматация русловых отложений, зарастание русла, промерзание береговой зоны, формирование ледяного покрова, деформация русла на значительных участках могут существенно изменить дренирующую способность и соответствующие ей меженные расходы рек. Вследствие этого в одних и тех же меженных расходах реки может быть различное участие генетических составляющих, и поэтому трактовать меженный расход как показатель подземного стока неправомерно.

Зарегулированность и соответствующая инерционность подземных вод многократно выше, чем поверхностных. Поэтому высокая динамичность изменения расхода поверхностных вод не соответствует значительной инерционности подземного стока, что подтверждается следующими данными.

При анализе карт гидроизогипс хорошо видно, что в подавляющем большинстве случаев изменение градиента потока в годы высокой, средней и низкой водности крайне незначительно, т.е. при изменении меженного расхода реки в 1,5–2 раза в годы разной водности соответствующее изменение расхода подземного потока, оцененного по формуле Дарси, не превысит 5–10 %.

Изотопные оценки «возраста» подземных вод показывают, что его величина, как правило, колеблется от 7–10 до n•1000 лет [11], что противоречит постулату о возможности сезонной изменчивости величины подземного стока, соответствующей изменчивости меженного расхода рек в годы разной водности.

Так, в районе г. Тында на Алданско-Саянском кристаллическом щите предполагалось, что в трещинно-жильных водах межсезонного и, тем более, межгодового регулирования подземного стока не происходит и сезонно сработанные за зимний воднокритический период запасы подземных вод возобновляются при снеготаянии и появлении руслового стока в р. Шахтаум (малый водосбор). Выполненные В.А. Поляковым оценки «возраста» подземных вод тритиевым методом показали, что он составляет 8–10 лет. Полученные результаты позволили сделать вывод о многолетнем регулировании подземного стока [3].

Внутригодовое и многолетнее регулирование величины подземного стока происходит за счет его регулирования в зоне аэрации. Достаточно 1–2 м ее мощности при эффективной водоотдаче 3–5 % в интервале колебаний уровня для компенсации изменения питания подземных вод в течение года до 2,5 л/с•км² на малых и средних водосборах, что приводит к относительно мало меняющейся величине подземного стока.

Рассмотрим конкретный пример подхода к оценке подземного стока в бассейне р. Чекмагуш в Республике Башкортостан по результатам поисков подземных вод для водоснабжения райцентра с. Чекмагуш, выполненных ОАО «Башкиргеология» совместно с ЗАО «ГИДЭК» в 2007–2009 гг. под руководством М.С. Верзакова.

Проблема обеспечения подсчитанных запасов подземных вод естественными ресурсами возникла в связи с тем, что для оценки последних первоначально была принята величина 30-суточного подземного стока 95%-ной обеспеченности, которая оказалась существенно ниже заявленной потребности в воде.

Район исследований расположен на бедной водными ресурсами территории.

Площадь водосбора р. Чекмагуш по замыкающему участок работ створу составляет 99 км². По данным наблюдений за расходом реки с 1980 г. модули подземного стока 50- и 95%-ной обеспеченности составляют 0,47 и 0,15 л/с•км², различаясь более чем в 3 раза.

Водосбор р. Чекмагуш сложен переслаиванием в различной степени трещиноватых песчаников, алевролитов, аргиллитов, глинистых сланцев шешминского горизонта уфимского яруса верхней перми.

Подземные воды безнапорные и слабонапорные, приурочены к зоне экзогенной трещиноватости, развитой на глубину 50–70 м. Перепад уровней от водораздела к долине реки составляет n•10 м на расстояниях от 2 до 4 км. Зона аэрации, в которой происходят колебания уровней подземных вод, сложена элювием материнских пород.

После всестороннего анализа гидрогеологических условий и баланса подземных вод для обоснования обеспеченности подсчитанных эксплуатационных запасов подземных вод естественными ресурсами был принят среднемноголетний модуль подземного стока.

Возможность принятия этой величины по сравнению с МР_95% подтверждается следующими факторами:

• расчетные различия величин модулей противоречат масштабу изменчивости атмосферного питания, что свидетельствует об уменьшении доли подземного стока в реки по отношению к суммарному подземному стоку в маловодные меженные периоды;
• изменение расхода подземного стока в различные по водности годы в масштабах изменения расчетного подземного стока в реки не подтверждается данными режимных наблюдений.

По скв. 313 опорной наблюдательной сети минимальные уровни Р_10% и Р_95% по данным режимных наблюдений за 1966–2009 гг. различаются на 2,2 м. Рассмотрим, как это отразится на расходе потока от водораздела к долине, рассчитанном по формуле Дарси. При этом сделаем допущение, что при максимальных амплитудах изменения уровня на водоразделе его положение в долине реки остается постоянным, что соответствует максимальному изменению расхода подземного потока. При мощности оцениваемого водоносного комплекса, включающего все литологические разности, 50 м и амплитуде колебаний уровня 2,2 м изменением водопроводимости можно пренебречь.

Тогда, при одинаковой расчетной ширине подземного потока, изменение его расхода будет определяться только изменением уклона.

Рассмотрим возможные масштабы таких изменений.

По гидрогеологическому разрезу перепад напоров на участке долина — водораздел составит:

между скв. 6 и урезом реки — 59,6 м на расстоянии 4,1 км

J₁ = 59,6 : 4100 = 0,0145;

между скв. 108 и урезом реки — 62,4 м на расстоянии 1,35 км

J₂ = 62,4 : 1350 = 0,0462.

При изменении уровня на водоразделе на 2,2 м расчетные уклоны будут:

J₁ = 57,4 : 4100 = 0,0140;

J₂ = 60,2 : 1330 = 0,0445.

Изменения уклонов и соответствующее им изменение расходов составляет

(145•10^–4 — 140•10^–4) / 145•10^–4 = 3,4 %

и

(462•10^–4 — 445•10^–4) / 462•10^–4 = 3,2 %,

что существенно ниже всех гидрологических расчетов по изменению притока подземных вод в реки и свидетельствует о существенной регулирующей емкости водовмещающих пород.

Если принять, что различия расчетных модулей 50- и 95%-ной обеспеченности по бассейну р. Чекмагуш (0,47 и 0,15 л/с•км² или 40,6 и 13,0 м³/сут•км²) определяются только регулирующей емкостью водовмещающих пород, то водоотдача в зоне колебаний уровня (ΔН = 2 м/год) должна составить

Таким образом, для компенсации разницы расчетных величин подземного стока в реки при наблюдаемых колебаниях уровня достаточно, чтобы свободная водоотдача водовмещающих пород в зоне колебания уровня составляла всего около 0,5 %, что более чем реально.

При этом устойчивость подземного стока подтверждается данными режимных наблюдений, что еще раз свидетельствует о неидентичности измеренного подземного стока в реки и общего подземного стока.

Таким образом, полностью обоснована возможность принятия для расчетов значения модуля минимального стока Р_50% по р. Чекмагуш 0,47 л/с•км².

Реальное питание подземных вод может быть оценено по величине коэффициента инфильтрации атмосферных осадков. По опыту работ на открытых водосборах, сложенных скальными и полускальными породами, его величина колеблется от 0,2 до 0,5 [1].

Для сопредельных с рассматриваемой площадью районов Республики Татарстан величина питания подземных вод в аналогичных условиях оценивалась методами математического моделирования на месторождениях Лесной Зай, Бавлинское, Октябрь-Буляк, Степной Зай [10]. По этим данным она колебалась в пределах 85–100 мм/год или 2,7–3,2 л/с•км², что превышало даже среднемноголетние модули подземного стока в реки, составляющие обычно около 1,5–2,2 л/с•км² (среднее превышение примерно в 1,5 раза) [10].

Данные моделирования соответствовали возможности принятия экспертной величины коэффициента инфильтрации 0,2 от суммарной величины атмосферных осадков маловодного года составляющей около 420 мм/год, и зарегулированности питания подземных вод в многолетнем разрезе.

Зарегулированность подземного стока в многолетнем разрезе подтверждается также оценками «возраста» подземных вод на тех же объектах, выполненными В.А. Поляковым тритиевым методом. По данным этих оценок «возраст» подземных вод составляет 30–50 лет [11].

При величине осадков для данной территории Башкортостана в маловодный год (Р_95%) 280 мм и коэффициенте инфильтрации 0,2 средний модуль питания подземных вод может составить 56 мм или 1,8 л/с•км².

Выполненная оценка показывает, что принятый модуль подземного стока в р. Чекмагуш 0,47 л/с•км² не только гарантирован, но, безусловно, существенно занижен за счет неполного дренирования подземного стока и существенной величины «скрытой разгрузки».

Достаточно надежные оценки обеспеченности подсчитанных запасов и ресурсов, а следовательно, и модуля подземного стока, могут быть получены по опыту эксплуатации действующих водозаборов.

Изучение опыта эксплуатации действующих водозаборов на Среднем Урале в 1980-х годах [2] показало повсеместное несоответствие среднемноголетнего модуля эксплуатационного водоотбора и минимального среднемесячного модуля подземного стока в сторону существенного превышения первого над вторым. Поэтому в последующем при оценке запасов подземных вод на Среднем и Южном Урале, проведенной ЗАО «ГИДЭК» для водоснабжения Каменск-Уральского и Магнитогорска, для расчетов принималась величина среднемноголетнего подземного питания, близкая к среднемноголетнему модулю эксплуатационного водоотбора.

Определение ресурсной базы по модулю эксплуатационного водоотбора дало весьма эффективные результаты и в других районах, где общая величина обеспеченности подсчитанных запасов лимитировалась заниженными характеристиками подземного стока в реки.

Исходя из этого определим модуль фактического эксплуатационного водоотбора по водозабору Игенче, расположенному в долине р. Чекмагуш:

• среднегодовой водоотбор — 1060 м³/сут, сезонный летний — 130 м³/сут, максимальный среднемесячный — 1380 м³/сут;
• площадь водосбора — 12,5 км².

Модуль эксплуатационного водоотбора соответственно 84,8, 106,4 и 10,4 м³/сут или 0,98, 1,23 и 1,28 л/с•км².

Рассчитанные величины соответствуют годовому слою осадков 31–40 мм, что составляет лишь 11–14 % от их суммы в маловодный год и может считаться гарантированной величиной, положенной в основу подсчета запасов действующего водозабора по высоким категориям. Для новых участков используем наименьшую из трех приведенных величин.

Таким образом, основой оценки ресурсного потенциала подземных вод и прогнозных ресурсов новых участков может быть еще одна величина — модуль, определенный по опыту эксплуатации действующего водозабора с минимальной его величиной — в данном примере 0,98 л/с•км², что в 2 раза превышает среднемноголетний модуль подземного стока в реку.

Результаты расчетов с учетом всех трех вариантов модулей сведены в таблице. Каждый последующий вариант увеличивает расчетную величину модуля в 2 раза по сравнению с предыдущей.

Как видно из приведенного примера, оценка величины питания подземных вод или суммарного подземного стока по модулю подземного стока реки приводит к существенному занижению естественных ресурсов подземных вод при использовании значений не только модуля Р_95%, но и Р_50%.

Отсюда следует, что для надежной оценки подземного стока при необходимости учесть все составляющие приходных и расходных статей питания и разгрузки подземных вод целесообразно использовать математические модели с их калибрацией по уровням подземных вод с учетом среднемноголетнего питания рек, «скрытой разгрузки» эвапотранспирацией и высачиванием, а также латерального стока за пределы площади модели.

Подобные подходы в последующие годы нашли отражение в работах С.О. Гриневского [6], И.С. Пашковского, С.П. Позднякова и других исследователей.

Для упрощенных оценок можно использовать модуль эксплуатационного водоотбора, определенный непосредственно на изучаемом водосборе или объектах-аналогах.

Из изложенного можно сделать следующие основные выводы:

1. Меженный расход рек Q_р нельзя отождествлять с величиной подземного стока Q_п.ст., формирующегося в речных бассейнах. Их соотношение может колебаться в широких пределах — от первых процентов до практически полного дренирования в различных природных условиях. Только в редких случаях в условиях практически полного дренирования подземного стока их величины оказываются близки.
2. Вариации изменчивости меженного расхода рек нельзя переносить на соответствующие изменения подземного стока в годы разной водности. Оценка естественных ресурсов подземных вод по меженному стоку рек, особенно приравнивание их к меженному стоку рек 95%-ной обеспеченности, приводит к их существенному занижению. Более объективной характеристикой подземного стока является среднемноголетний меженный расход реки. Но и при такой оценке при неполном дренировании подземного стока его величина будет в разной степени занижена.
3. При необходимости наиболее объективная оценка питания подземных вод и величины подземного стока может быть получена на математических моделях, учитывающих все составляющие баланса питания и разгрузки подземных вод.
4. Эффективным для оценки естественных ресурсов подземных вод является их подсчет по модулю эксплуатационного водоотбора при установившемся режиме.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боревский Б.В., Хордикайнен М.А., Язвин Л.С. Разведка и оценка эксплуатационных запасов подземных вод в трещинно-карстовых пластах. — М.: Недра, 1976.
2. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод. 2-е изд. — Киев: Выща школа, 1989.
3. Боревский Б.В., Сидоркин В.В. Особенности формирования и оценки эксплуатационных запасов подземных вод в сквозных таликах гидрогеологических массивов криолитозоны // Разведка и охрана недр. — 2003. — № 10. — С. 50–52.
4. Боревский Б.В., Язвин Л.С. Оценка ресурсного потенциала питьевых подземных вод / Ресурсы подземных вод: современные проблемы изучения и использования: Материалы междунар. науч. конф. к 100-летию со дня рождения Б.И. Куделина. — М.: МГУ — ИВ ПАН, 2010. — С. 30–39.
5. Вершинина Л.К., Крестовский О.И., Калюжный И.Л., Павлова К.К. Оценка потерь талых вод и прогнозы объема стока половодья. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
6. Гриневский С.О. Оценка инфильтрационного питания ресурсов подземных вод на основе геогидрологических моделей: Автореф. дис. д-ра геол.-минер. наук. — М.: МГУ, 2012.
7. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Киреева М.Б., Сафронова Т.И. Изменение подземного стока под влиянием климата и антропогенных воздействий // Водные ресурсы. — 2008. — Т. 35. — № 1. — С. 17–24.
8. Лавров С.А., Калюжный И.Л. Физические процессы и закономерности формирования зимнего и весеннего стока рек бассейна Волги в условиях изменения климата // Водное хозяйство России. — 2012. — № 4. — С. 74–84.
9. Методические рекомендации по оценке подземного притока в реки. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
10. Плугина Т.А. Изменение балансовых составляющих водоотбора при эксплуатации месторождений подземных вод // Разведка и охрана недр. — 2003. — № 10. — С. 52–57.
11. Ферронский В.И., Поляков В.А. Изотопия гидросферы Земли. — М.: Научный мир, 2009.
12. Шестопалов В.М. Естественные ресурсы подземных вод платформенных артезианских бассейнов Украины. — Киев: Наукова думка, 1981

• < Назад
• Вперёд >