МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЗАВИСИМОГО ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОДОТОКОВ (ВОДОЕМОВ)

Как уже отмечалось выше, в случае необходимости изменчивость независимого гидрологического режима водотоков и водоемов, которая, как правило, имеет сезонный характер, в большинстве случаев моделируется только вариациями их уровня, которые описываются, как функция от времени:

Практическая необходимость моделирования независимого гидрологического режима поверхностных вод, как правило, связана с задачами изучения сезонной и многолетней изменчивости формирования ресурсов подземных вод, как в естественных, так и в техногенных условиях. При этом для эпигнозной постановки моделирования расчетная схематизация гидрологического режима осуществляется непосредственно по данным наблюдений.

Учитывая природные закономерности естественного гидрологического режима водотоков и водоемов, для моделирования этих процессов больше подходят программные средства, алгоритм которых предусматривает линейную интерполяцию (2.4) по заданному числу опорных точек (см. 1.4.3).

Для прогнозных гидрогеологических задач на стандартные расчетные сроки порядка 25 и более лет, как правило, используется типовой годовой график гидрологического режима, который обосновывается по материалам многолетних наблюдений на стационарных постах и циклически повторяется на весь срок прогноза.

При этом подготовка данных для моделирования существенно упрощается, если расчетный алгоритм предусматривает особый «цикличный» тип изменчивости параметров граничных условий, который описан в рамках одного типового года (программы РЕЧКА, MCG, см. главу 7).

Независимый гидрологический режим поверхностных вод, формируясь, главным образом, под действием метеорологических и климатических факторов обладает определенной типичностью (схожестью) на значительных по площади территориях. С этих позиций весьма рациональным является использование нормированных функций коэффициентов динамичности поверхностного стока для схематизации прогнозного гидрологического режима водотоков [Гриневский, 1991(a)]. По данным типового годового гидрографа уровня водотока, полученного на опорном створе с использованием многолетних данных, характеризующих определенный тип гидрологического режима на всей (или частичной /:-той) площади модели, рассчитываются коэффициенты динамичности D_p^k(t) с произвольным временным шагом (суточным, декадным, месячным) по отношению к определенному

«начальному» уровню Н^к (0):

Уровни Н^к (0), относительно которых ведется расчет коэффициентов динамичности, в принципе, могут быть выбраны произвольно, однако именно они должны быть заданы, как начальные для всех поверхностных вод на модели Н_г(х,у,0). Наиболее логичным, учитывая возможную асинхронность различных типов гидрологического режима в пределах изучаемой территории, в качестве начальных использовать нормированные, среднегодовые значения.

Такой подход (программы РЕЧКА, MCG) исходит из предпосылки, что при различной абсолютной изменчивости уровней поверхностных вод по площади и во времени H_r(x,y,t), их относительная изменчивость в границах определенного типа гидрологического режима (к) одинакова. Тогда:

В этом случае моделирование изменчивости гидрологического режима, особенно в региональном масштабе, существенно упрощается.

В некоторых случаях моделирование проводится только в рамках определенной характерной фазы гидрологического режима - как правило, периода его резкой изменчивости. Характерным примером такой постановки является эпигнозное моделирование с целью калибрации параметров взаимосвязи ППВ, основанное на данных синхронных наблюдений за их уровнями в период характерной фазы гидрологического режима (половодье и/или паводок).

В качестве иллюстрации к такому подходу рассматривается постановка моделирования для территории (Гамбургского водозаборного участка в Ямало-Ненецком АО - рис. 2.3. Исследуемый водоносный песчаный горизонт верхнего талого интервала песчано-глинистого разреза олигоцен-четвертичных отложений приурочен здесь к талико- вой зоне шириной 200 - 300 м, протягивающейся вдоль долины р. Ся- гойхадуттэ. Данными режимных наблюдений охарактеризован период подъема уровней подземных и поверхностных вод реки и ручья в период весеннего половодья.

Для оценки параметров взаимосвязи ППВ проведено решение обратной нестационарной задачи моделированием периода половодья в относительных величинах изменения уровней - относительно «нулевого» меженного состояния. Для этого в соответствующие реке и ручью блоки модели (граничные условия 3 рода) задавались величины

Рис. 2.3. Фрагмент геофильтрационной модели Самбургского водозаборного участка (Ямало-Ненецкий АО) и результаты моделирования изменения уровней подземных вод в период половодья в сопоставлении с данными наблюдений по скважинам

подъема уровней поверхностных вод AH_r(x,y,t), а калибруемыми параметрами являлись величины AL, характеризующие гидрогеодина- мическое несовершенство водотоков.

В результате достижения удовлетворительного соответствия фактических и модельных уровней подземных вод по скважинам параметры гидрогеодинамического несовершенства водотоков составили: по контуру р. Сягойхадуттэ AL = 187 м; по контуру ручья AL = 280 м.

Иногда основной сезонно изменчивой гидрологической характеристикой водотоков является их ширина. Достаточно типичным примером таких условий являются участки горных рек на территории их выхода на равнину или морское побережье (Средняя Азия, Северный Кавказ), где в периоды половодья, связанного с таянием снега в горах, происходит гораздо более существенное увеличение русловой ширины водотоков, чем их глубины. Следует отметить, что такие периоды характеризуются, как правило, относительной кратковременностью.

Другим характерным примером значительной сезонной изменчивости ширины водотоков, являются области распространения многолетнемерзлых пород, где за счет частичного или даже полного промерзания русла существенно сокращается площадь живого сечения руслового потока и его контакта с подземными водами. Причем длительность периодов резко различных условий взаимосвязи ППВ в этом случае может быть весьма значительной.

В рассмотренных примерах требуется схематизация сезонной изменчивости ширины водотока b = b(x,y,t), которая, согласно (1.3а - 1.3 в), в свою очередь определяет изменчивость параметра гидрогео- динамического несовершенства участка водотока А = A(xj>,f). При этом схематизация b(x,y,t) также может проводиться с использованием цикличных функций и на основе коэффициентов динамичности, аналогично рассмотренным выше для глубины (уровня) водотоков и водоемов.

Пример моделирования изменения условий взаимосвязи ППВ, связанных с сезонным промерзанием русла реки на территории рассмотренного выше Самбургского водозаборного участка представлен на рис. 2.4. Как показывает типичный годовой режим гидрологических параметров реки (рис. 2.4 а), здесь наблюдается практически полное промерзание реки в зимний период, при котором ее ширина сокращается на порядок.

В прогнозных расчетах водозабора процесс промерзания русел реки и ручья в зимний период отражается следующим образом: каждый год общего 25-ти летнего расчетного периода разбивается на 2 этапа. Первый этап отражает условия летне-осеннего периода (с конца мая по ноябрь), когда русло р. Сягойхадуттэ практически не промерзает (рис. 2.4 а). В этот период несовершенство водотоков характеризуется параметрами, полученными при калибрации модели. Второй этап отражает условия зимне-весеннего периода (с декабря по конец мая), когда русло реки большей частью промерзает, и активная ширина реки

Рис. 2.4. Графики внутригодовой изменчивости а) гидрологических характеристик реки; 6} расчетных величин гидрогеодинамического несовершенства русла А (м /сут) и прогнозных понижений уровня подземных вод в водозаборной скважине S (м) сокращается до 1.5 м, что существенно ухудшает условия взаимодействия ППВ. Значение параметра AL в этот период корректируется пропорционально уменьшению ширины реки, согласно (1.20) и (1.22). По сравнению с летне-осенней величиной 187 м, в зимний период AL возрастает более чем на порядок - до 3585 м, что отражается в расчетных значениях параметров гидрогеодинамического несовершенства водотока в речных блоках модели А (рис. 2.4 б).

Такая резкая сезонная изменчивость параметров гидрогеодинамического несовершенства водотока проявляется в прогнозном режиме уровня подземных вод в водозаборной скважине, работающей с постоянной производительностью (рис. 2.4 б). Промерзание водотока приводит к резкому сокращению расхода фильтрации из реки в зимний период, что обусловливает резкое увеличение понижений уровня подземных вод, которые затем восстанавливаются за счет увеличения питания из реки в летний период.

Сезонная динамика независимого гидрологического режима водотоков, проявляющаяся как в изменении их уровня, так и ширины (смоченного периметра) имеет важнейшее значение для участков береговых водозаборов, определяя характерную балансовую структуру эксплуатационного водоотбора Q₃, которая описывается следующим уравнением ГШтенгелов, 19881:

где AQ_e - сокращение естественного потока (разгрузки) подземных вод; Q_np(t) - изменчивый во времени расход привлечения (фильтрации) поверхностных вод; - изменение емкостных запасов водоносного горизонта AVза время At.

Основным источником формирования эксплуатационных запасов подземных вод большую часть года в этих условиях является привлечение поверхностных вод. Принимая во внимание незначительную, как правило, сезонную динамичность подземного стока AQ_S ~ const, в меженные периоды года, когда поверхностный сток весьма ограничен Q_np(t) —> 0, и основным источником формирования эксплуатационных запасов подземных вод может являться сработка емкости водоносного

горизонта ( ). При этом для стабильной работы водозабора необходимо, чтобы в относительно кратковременные периоды половодья и паводков происходило восполнение осушенной емкости горизонта

( ) за счет «дополнительного» питания из реки. Гидрогеодина-

мические аспекты такого сезонного регулирования эксплуатационных запасов подземных вод приречных месторождений подробно рассматривались Р.С. Штенгеловым [Штенгелов, 1988].

В частности, для рассматриваемого в этом разделе примера - Сам- бургского водозаборного участка - уже на 3-й прогнозный год после начала эксплуатации устанавливается циклично-стационарный гидро- геодинамический режим, при котором годовой ход понижений уровня подземных вод повторяется (рис. 2.4 б). Расчетный баланс эксплуатационного водоотбора в зимний период обеспечивается сработкой емкости горизонта, а в летний - за счет привлечения поверхностных вод. При этом весной формируется «дополнительное» питание из реки, восполняющее запасы подземных вод горизонта - рис. 2.5.

Рис. 2.5. Прогнозный годовой баланс эксплуатационного водоотбора на Самбургском водозаборном участке