Изучение режима и баланса подземных вод

1.

ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМА И БАЛАНСА
ПОДЗЕМНЫХ ВОД

2.

Под режимом подземных вод понимают изменения в пространстве и во времени
ресурсов, свойств и состава подземных вод (включая уровни, расходы, скорости,
температуру, химический, газовый, и бактериологический составы), отражающие
процесс их формирования.
Цель наблюдений за режимом — установление объективных законов явлений,
имеющих место при формировании подземных вод, их объяснение и
использование для обоснования различного рода гидрогеологических прогнозов.
Изучение режима подземных вод позволяет определять:
1.
необходимые для прогнозов естественного или нарушенного режимов связи и
зависимости элементов режима от природных и искусственных факторов (или
их совокупности);
2.
отдельные элементы водного баланса, используемые при обосновании
водохозяйственных мероприятий и воднобалансовых расчетах;
3.
характер и степень влияния инженерной деятельности человека на подземные
воды и связанные с изменением их режима явления и процессы (для
обоснования наиболее рациональных путей управления режимом подземных
вод, их народнохозяйственного использования и охраны);
4.
особенности расчетных схем и значения расчетных гидрогеологических
параметров, необходимые для различных прогнозов и обоснований.

3.

Режим подземных вод
Естественный
(формируется под действием комплекса естественных факторов —
геологических, климатических, гидрологических, биолого-почвенных,
космогенных и др.)
Нарушенный
(обусловлен главным образом влиянием инженерно-хозяйственной
деятельности человека)
Слабонарушенный
(формирующимся при совместном воздействии искусственных и
естественных факторов, но при преимущественном влиянии последних)

4.

Виды исследования
режима подземных вод
Региональный
(направленные на выявление общих региональных
закономерностей формирования режима подземных вод (главным
образом, под действием естественных режимообразующих
факторов)
Локальный
((специализированные), направленные на изучение особенностей
режима подземных вод, формирующегося под влиянием местных
факторов (литологического состава пород, гидрологического
режима рек и водоемов, глубины залегания подземных вод,
дренированности территории и инженерной деятельности
человека)

5.

Задачи, решаемые при изучение естественного режима подземных вод:
1.
выявления условий формирования подземных вод (оценка питания,
разгрузки и роли отдельных режимообразующих факторов и процессов,
определение элементов водного баланса);
2.
изучения закономерностей изменения во времени естественного питания
подземных вод);
3.
установления закономерностей формирования водного, солевого и
теплового баланса подземных вод и использования их для прогнозов
режима подземных вод;
4.
регионального изучения естественного режима подземных вод как фона
для анализа и прогноза нарушенного режима подземных вод на
локальных участках;
5.
уточнения
природных
условий
гидрогеологических параметров.
и
расчетных
значений
Использование данных, полученных при изучении естественного режима:
1.
Планирование и осуществление различных видов строительства;
2.
Водоснабжение;
3.
Сельское хозяйство и др.

6.

Задачи, решаемые при изучение слабонарушенного и нарушенного режимов
подземных вод, их прогнозе и анализе:
1.
разведка месторождений подземных вод, оценка их запасов, составлении
прогнозов их режима при эксплуатации и обоснование мероприятий по
рациональному использованию и охране подземных вод от истощения и
загрязнения;
2.
разведка и разработка месторождений твердых полезных ископаемых,
нефти и газа (прогнозы водопритоков, влияния водоотлива и
устойчивости выработок, обоснование наиболее рациональных путей и
методов эксплуатации месторождений и т. д.);
3.
обоснование
оросительных,
обводнительных
и
осушительных
мелиораций и методов управления режимом подземных вод в районах их
проведения;
4.
изыскания, проектирование, строительство и эксплуатация различных
инженерных
сооружений
и
прогноз
возможных
изменений
гидрогеологических, гидрогеохимических, мерзлотных, мелиоративных,
инженерно-геологических и других условий в связи с водоснабжением,
орошением, осушением, гидротехническим, промышленным и
гражданским строительством и другими видами инженерной
деятельности человека и т. д.

7.

Факторы, влияющие на
режим подземных вод
Экзогенные
(космические, метеорологические,
гидрологические, биологические)
Эндогенные
(геологические)
Искусственные
(антропогенные)
Природные условия
(геологическое строение, литология,
рельеф, почвы, наличие мерзлоты)

8.

Методы изучения режима подземных вод
Изучение режима подземных вод осуществляется путем стационарных
гидрогеологических наблюдений за изменением основных элементов
режима
(уровней,
расходов,
температуры,
химического
и
бактериологического составов) по специально оборудуемой сети
наблюдательных пунктов (скважин, источников, шурфов, колодцев).
Наиболее предпочтительны для наблюдения за режимом подземных вод
скважины и источники.
В районах нарушенного режима для наблюдений используются также
водозаборные и дренажные сооружения, горные выработки и т. п.
При неглубоком залегании подземных вод (до 10 м) в рыхлых отложениях
для наблюдений за уровнем используют забивные фильтры и штекфильтры,
изготовляемые из буровых труб и штанг (диаметром 2—3" и более).

9.

Конструкция наблюдательных пунктов:
А - наблюдательная скважина: 1 — оголовок, 2 — патрубок, 3 — комбинированный глиняноцементный замок (а — цемент, б — глина), 4 — колонна труб, 5 — рабочая часть фильтра, 6 —
отстойник, 7 — пробка, в —репер, 9 — уровень подземных вод, Б — штекфильтр: 9 — уровень
грунтовых вод

10.

11.

12.

Частота наблюдений зависит от целевого назначения выполняемых
исследований, характера и степени влияния естественных и искусственных
факторов, особенностей режима, длительности цикла наблюдений и других
факторов.
Изучение закономерностей естественного режима грунтовых вод должно
охватывать основные водоносные горизонты и проводиться во всех районах,
где эти горизонты представляют интерес в настоящее время или в
перспективе.
Результат:
изучение хода сезонных и многолетних колебаний уровня и других
элементов режима в различных гидрогеологических условиях,
основные факторы режима,
амплитуды сезонных и многолетних колебаний уровня и т. д.

13.

Размещение опорной наблюдательной сети осуществляется на основе
районирования исследуемой территории по условиям формирования режима
грунтовых вод, с использованием крупномасштабных гидрогеологических
карт и учетом степени изученности каждого из районов.
Выделение гидрогеологических районов проводится по:
климатическим условиям - провинции,
степени увлажненности — зоны,
степени дренированности — области,
литологическому составу водовмещающих пород — районы,
геоморфологическим условиям — участки,
мощности зоны аэрации — площади
определяется направленность исследований по изучению режима и
баланса подземных вод

14.

Принцип размещения наблюдательной сети
Схема расположения наблюдательных
скважин в гидрогеологическом районе:
1 — участок с приречным типом
режима подземных вод, 2 — участок со
склоновым типом режима подземных
вод, 3 — участок с междуречным типом
режима подземных вод, 4 — границы
террас, 5 — створ наблюдательных
скважин
- в пределах каждого из гидрогеологических
районов (основная единица районирования)
- в виде створов, ориентированных от
водоразделов к дренам (охват все характерных
для данного района комплексов
водовмещающих пород и геоморфологических
элементов (участки междуречий, склонов,
террас и пойм, площади с различной
мощностью зоны аэрации и т. д.).
- скважины на створах следует располагать
в виде кустов (3 скважины, расположенных
по потоку в условиях одномерного потока;
конверт из 5 скважин при радиальном в плане
потоке)
- створы скважин располагают в направлении
максимального изменения гидрогеологических
показателей (по потоку)
обеспечивается определение элементов
баланса грунтовых вод на основе
гидродинамического анализа режима их уровня
(при глубине залегания грунтовых вод не более
10 м).

15.

При региональных изучениях режима подземных вод
размещение наблюдательной сети для осуществляется на основе районирования территории, проводимого с учетом влияния основных режимообразующих факторов (геологического, тектонического и орографического
строения, степени дренированности и глубины залегания подземных вод,
условий их питания и разгрузки, литологии водоносных пород,
взаимосвязи подземных и поверхностных вод и т. д.).
основная единица - бассейн
геоструктурным условиям.
изучению подвергаются лишь основные по значимости водоносные
комплексы и горизонты.
подземных
вод,
выделяемый
по

16.

В артезианских бассейнах платформенного типа наблюдательная сеть размещается по
створам, заданным от областей питания изучаемых водоносных горизонтов к
областям их разгрузки.
Для малых артезианских бассейнов с однородным строением горизонтов необходимо
закладывать не менее трех скважин на каждый горизонт (по одной скважине в области
питания, напора и разгрузки.).
В районах переуглубленных речных долин платформенных областей необходимо
закладывать скважины на аллювий современной и переуглубленной долин как в
пределах поймы и низких террас (где имеют место взаимосвязь и разгрузка различных
горизонтов), так и на высоких террасах и водоразделах (где может осуществляться
питание подземных вод переуглубленной долины), а также на нижележащий горизонт.
Размещение наблюдательных скважин
в переуглубленной долине
(римские цифры — номера террас современной долины)

17.

В пределах переуглубленных долин горных областей помимо по перечных
створов следует предусматривать и продольные створы (для выявления
картины снижения напоров вдоль долины).
При изучении режима подземных вод предгорных артезианских бассейнов
(конусов выноса и пролювиальных шлейфов) наблюдательную сеть следует
закладывать створами из 3—5 скважин по направлению от гор к долине или
впадине. Для изучения влияния фильтрационной неоднородности в
предгорных бассейнах целесообразно иметь по перечный створ скважин,
перпендикулярный основному. В области раз грузки организуются
наблюдения за источниками.
Для изучения естественного режима межгорных артезианских бассейнов
наблюдательную сеть целесообразно размещать двумя-тремя створами
поперек межгорных долин или впадин в зависимости от их протяженности,
дополняя эти створы единичными скважинами между ними и образуя, таким
образом, один продольный створ с поперечниками
В малых артезианских бассейнах мульд и грабенов помимо основного створа
от области питания до области разгрузки следует предусматривать и
перпендикулярный ему створ для оценки влияния боковых границ.

18.

В среднем наблюдения за естественным режимом подземных вод
проводятся 10 раз в месяц. В периоды интенсивного воздействия
режимообразующих факторов (паводки, осадки и др.) частота наблюдений за
режимом подземных вод (особенно грунтовых) увеличивается в 2 - 3 раза.
Наблюдения за изменением химического и бактериологического состава
подземных вод и их температуры выполняются от 2 - 3 раз в месяц до 4 - 6
раз в год.
Частота измерений элементов режима напорных вод обычно в 2 - 3 раза
меньше, чем грунтовых.
Изучение региональных закономерностей режима грунтовых вод проводится
также и в районах, где природный режим на больших площадях нарушен
искусственными факторами, а влияние последних приобретает региональный
характер.

19.

Изучение нарушенного режима подземных вод имеет важное значение при
решении многих практических задач, связанных с использованием подземных
вод или их регулированием.
Принципы размещения наблюдательной сети и методика проведения
наблюдений за нарушенным режимом устанавливаются с учетом природных
особенностей района, его изученности, возможной степени влияния различных
режимообразующих факторов, целевого назначения и задач планируемых
исследований

20.

Частота наблюдений за элементами режима подземных вод должна
обеспечивать выявление основных закономерностей их изменения с учетом
характера поставленных задач и предполагаемых методов их решения.
Для выявления общих закономерностей режима подземных вод наблюдения
достаточно проводить 5 - 10 раз в месяц и реже. На участках гидравлической
взаимосвязи подземных вод с поверхностными в периоды паводков и
интенсивного выпадения атмосферных осадков уровень следует замерять
ежедневно (в одно и то же время суток с точностью замера ±1 см).
Наблюдения за изменением температуры воды необходимо осуществлять по
выборочной сети режимных скважин через определенные интервалы глубин
(0,2 - 0,8 м в слое суточных переменных температур, 2,5 м - до глубины 40 м,
25-50 м - до глубины 400 м и далее через 100 м до забоя). В пределах
изучаемых водоносных и водоупорных горизонтов дополнительно измеряется
температура не менее чем в трех точках (у кровли, в средней части и у
подошвы горизонта) Частота измерений определяется целевым назначением
наблюдений (от 5 раз в сутки для определения суточных изменений до одного
раза в квартал для выявления закономерностей годовых изменений
температуры). При специальных термометрических исследованиях шаг и
частота замеров детализируются с учетом поставленных задач .

21.

Состав и методика наблюдений за режимом химического состава подземных
вод также зависят от целевого назначения. Полный химический анализ воды
выполняется один раз в 1 - 2 года.
При специальных исследованиях закономерностей изменения химического
состава вод в разрезе вследствие подтягивания некондиционных вод
целесообразно иметь несколько скважин с ярусно расположенными
фильтрами.
Частота отбора проб для анализа зависит от цели исследований, но всегда
увеличивается при активизации действия факторов, изменяющих состав вод
(паводки, поливные периоды, интенсификация водоотбора и др.). При
изучении взаимосвязи подземных вод с поверхностными проводят
синхронные отборы их проб.

22.

Наблюдения за режимом подземных вод в районах водозаборов проводятся
как в процессе поисково-разведочных работ (в основном, за естественным
режимом), так и при эксплуатации водозаборов, особенно крупных,
действующих в сложных гидрогеологических условиях, с ограниченными или
невыясненными источниками формирования их эксплуатационных з а пасов.
На основе этих наблюдений в процессе поисково-разведочных работ
проводятся:
1.
определение расчетных параметров и характеристик, используемых при
геолого-промышленной оценке источников водоснабжения и прогнозах
условий работы водозаборов (расчетные значения мощностей и напоров,
минимально и максимально допустимые понижения уровня,
коэффициенты, водопроводимости, уровне- и пьезопроводности,
упругоемкости, недостаток насыщения и водоотдача);
2.
уточнение граничных условий области фильтрации (степень
гидравлической связи подземных вод с рекой и другими горизонтами,
зависимость их режима от осадков и испарения);
3.
оценка размеров и возможных изменений естественного восполнения
запасов;
4.
оценка качества подземных вод и возможных его изменений.

23.

Наблюдательные пункты располагают по двум взаимно пересекающимся створам, проходящим
через центр водозабора, рассматриваемого в виде большого колодца радиусом R0.
В каждом створе закладывают от 3 до 7 скважин:
1 в центре,
2 внутри большого колодца на расстоянии (0,25—0,5)R0 от центра,
1—2 на расстоянии (1—1,25)R0
1—2 на расстоянии (1,5—2)Rо.
Желательно иметь наблюдательные скважины у ближайших границ потока, а также вне зоны
влияния водозабора (естественный фон).
Схемы размещения наблюдательной сети на действующих водозаборах:
А — в удалении от границ; Б — в долине реки; 1 — эксплуатационные скважины, 2
наблюдательные скважины, Rо — радиус «большого» колодца

24.

В сложных гидрохимических и санитарных условиях наблюдательная сеть
должна
обеспечивать
и
информацию
о
продвижении
контуров
некондиционных вод в плане и разрезе (створы к контурам и кусты ярусно
расположенных скважин), о тенденциях в изменении качества воды (питьевого,
лечебного, промышленного).
В районах строительства и интенсивной эксплуатации напорных вод песчаноглинистых отложений необходимы также наблюдения за возможными осадками
поверхности Земли.
Частота замеров элементов режима на водозаборах хозяйственно-питьевого
назначения принимается обычно не менее 10 раз в месяц, на других
водозаборах реже. На инфильтрационных водозаборах, работающих при
установившемся режиме, наблюдения сокращаются до одного раза в месяц.

25.

В районах орошения исследования режима подземных вод проводятся для:
оценки мелиоративного состояния земель,
проектирования систем орошения и дренажа,
обоснования режима орошения и эффективности работа дренажных
сооружений,
необходимости проведения промывных поливов, агромелиоративных и
других мероприятий.
Для выявления основных закономерностей режима и обоснования
мелиоративных мероприятий чрезвычайно важным является изучение водного
и солевого балансов орошаемых массивов.
Режим и баланс подземных вод в районах орошения изучаются на основе
наблюдений в пределах внутрихозяйственной и временной наблюдательных
сетей (создаются специально на массивах орошения) с привлечением данных
по опорной региональной сети (находится в ведении режимных
гидрогеологических партий) и результатов воднобалансовых исследований,
выполняемых на типовых участках

26.

Размещение наблюдательной сети - на основе карт гидрогеологомелиоративного районирования с учетом специфики решаемых задач и
особенностей мелиоративного освоения территории.
изучение режима подземных вод (грунтовых и связанных и с ними напорных)
основных горизонтов вплоть до регионального водоупора.
размещаются одиночные скважины и кусты пьезометров.
Спецификой выполняемых исследований является необходимость полного учета
всего комплекса ирригационно-хозяйственных условий и факторов,
оказывающих решающее влияние на формирование режима грунтовых вод.
Для решения специальных задач (определение гидрогеологических параметров,
оценка влияния на режим подземных вод мелиоративных систем и др.) следует
предусматривать размещение скважин по створам, пересекающим крупные
каналы, дрены, поливные и осушительные участки.
Элементы наблюдения - уровень, температура и химический состав подземных
вод, расходы скважин, каналов и дрен, составные элементы водного и солевого
балансов.

27.

В районах осушения исследования режима проводятся для:
обоснования проектирования осушительных систем,
оценки эффективности их действия во времени и по площади,
осуществления
контроля и регулирования водного режима
почв,
определения параметров осушаемых пород и осушительных
систем,
оценки влияния систем осушения на прилегающие территории
и решения других задач.

28.

Районы разработки месторождений полезных ископаемых. Основным режимообразующим
фактором в таких условиях является рудничный водоотлив. Создаваемая для наблюдений за
режимом сеть должна обеспечить:
определение эффекта водоотлива,
изменение этого эффекта во времени в зависимости от влияния естественных
(атмосферные осадки, поверхностный сток) и искусственных (расширение и углубление
фронта горных работ, система отработки) факторов,
изучение изменения состава и качества рудничных вод,
наблюдения за развитием депрессионной воронки и оценку влияния водоотлива на
гидрогеологические и мелиоративные условия прилегающих территорий,
уточнение схемы и параметров водоотлива
разработку мероприятий по рациональному использованию и охране водных, земельных
и других природных ресурсов.
С учетом необходимости решения перечисленных задач наблюдательная сеть обычно
устраивается в виде двух пересекающихся створов, лучи которых ориентируются от центра
разрабатываемого рудного поля (участка) к ближайшим границам водоносных пластов
(горизонтов), обводняющих месторождение.
При изучении режима нескольких в разрезе горизонтов наблюдательные пункты в створах
устраиваются в виде кустов скважин.
Элементы наблюдений - уровни, температура и качество подземных вод, величины
водопритока и водоотлива.
Частота замеров обычно составляет 3 5 раз в месяц. Она увеличивается при интенсивном
проявлении основных режимообразующих факторов (до 10 и более раз в месяц).

29.

Районы промышленного и гражданского строительства.
Изучение и прогноз режима грунтовых (а иногда и напорных) вод являются
обязательными при проектировании инженерного строительства в силу их
определяющего
влияния
на
инженерно-геологические
условия
и
экономическую эффективность строительства.
Задачи наблюдений за режимом подземных вод чрезвычайно разнообразны, но
в общем они сводятся к:
выявлению особенностей естественного и нарушенного режимов,
прогнозам и оценке влияния различных искусственных и естественных
факторов на режим подземных вод освоенной территории и условий ее
дальнейшего использования

30.

Прогноз и картирование режима подземных вод
Под прогнозом режима подземных вод понимается предвидение развития
гидрогеологических процессов и явлений во времени и в пространстве, т. е.
изменений уровня, температуры, химического состава, ресурсов или запасов
подземных вод, происходящих под воздействием различных естественных и
искусственных факторов.
В зависимости от преобладающего действия режимообразующих факторов и
целевого назначения выделяют
прогнозы естественного режима подземных вод
прогнозы нарушенного режимов подземных вод.
Прогноз естественного режима служит фоном, на основе которого даются прогнозы
нарушенного режима.
Прогноз естественного режима является прогнозом общего пользования, а
прогнозы нарушенного режима — специализированными.
По заблаговременности осуществления прогнозы подразделяются на экстренные
(за 1—15 сут), краткосрочные, долгосрочные (сезонные и многолетние) и
сверхдолгосрочные (за 3 года и более).

31.

гидродинамические
Тенденций
Методы прогнозов
вероятностностатистические
(факторные)
Балансовый
Гидрогеологической
аналогии

32.

Гидродинамические методы основаны на использовании соответствующих
формул динамики подземных вод и обычно применяются в условиях, когда
режим предопределяется действием одного-двух факторов.
Методы:
• Основанные на использовании уравнений Буссинеска-Майе, Форхгеймера
• Аналитические решения для прогноза подпора, условий работы
водозаборных, дренажных сооружений
• Конечно-разностные решения
• Моделирование
Позволяют прогнозировать изменение уровня и дебита и требуют
предварительного определения расчетных параметров и фильтрационной
схемы области фильтрации

33.

Вероятностно-статистические методы базируются на выявлении и
использовании при прогнозах причинно-следственных связей между
элементами режима подземных вод и определяющими их факторами (одним,
двумя или совокупностью многих). Установленные прогностические связи
позволяют прогнозировать элементы режима подземных вод с указанием
достоверности их прогноза.
Методы тенденций основаны на экстраполяции выявленных по
материалам предшествующих наблюдений тенденций в ходе
многолетних колебаний уровня подземных вод.
Балансовые методы прогноза основаны на использовании
соответствующих уравнений водного баланса и прогнозе поведения
уровня или других элементов режима в зависимости от соотношения
отдельных элементов водного баланса, определяемых экспериментально
или аналитически.
Метод гидрогеологической аналогии основан на экстраполяции
отдельных установленных особенностей и закономерностей режима
подземных вод на аналогичные по гидрогеологическим условиям с
изученным участки.

34.

Картирование режима подземных вод.
В зависимости от на значения, картируемых или прогнозируемых элементов и
других показателей карты режима подземных вод подразделяются на
синтетические, аналитические и комплексные
Синтетические карты дают обобщенное представление о закономерностях
режима и чертах его сезонных и многолетних изменений. К ним относятся
карты районирования территорий по особенностям и типам режима
подземных вод (по масштабам они подразделяются на обзорные, мелко-,
средне- и крупномасштабные), на которых приводятся обобщенные
характеристики всех выделяемых разновидностей режима подземных вод.
Аналитические карты дают представление о площадном изменении
отдельных элементов режима. Сюда относятся карты глубин залегания
подземных вод (на определенную дату), различной обеспеченности уровней
грунтовых вод (например, 1, 3, 5, 50, 95, 97 и 99%), режима уровней
подземных вод, амплитуд колебаний уровней подземных вод и др.
На комплексных картах отражается одновременно несколько различных
характеристик режима подземных вод. Например на картах баланса
подземных вод могут быть отражены инфильтрационное питание (цветом),
испарение (штриховкой) и подземный сток (изолиниями).

35.

36.

37.

Заблаговременность составляемых прогнозов колеблется от 1,5 до 4 месяцев в
зависимости от приуроченности того или иного района к соответствующей
ландшафтно-климатической зоне.
Прогноз режима грунтовых вод выдается в виде карты распределения
предсказываемых уровней и пояснительного текста к ней. На карте величины
прогнозных уровней грунтовых вод представляются в виде коэффициентов
относительного положения λh. Коэффициенты относительного положения
характеризуют величину отклонения уровня от среднемноголетних значений,
выраженную в процентах или долях многолетней амплитуды А.