Збиток річкового стоку в районі прирічкових водозаборів

Під збитком річкового стоку розуміється зменшення витрат річок в зоні дії підземних водозаборів. Збиток стоку річок наноситься за рахунок таких процесів, пов'язаних з експлуатаційним зниженням рівнів підземних вод:

а) часткова або повна інверсія природної джерельної розвантаження підземних вод у днище річкової долини; сток від вогнищ джерельної розвантаження відбувається в річку і є однією зі складових руслового балансу;

б) часткова або повна інверсія природної руслової розвантаження підземних вод (у гідрології ця компонента руслового балансу називається "підземним живленням річки ");

в) безпосереднє поглинання річкового стоку у вигляді притягається потоку.

На ріс.7.7 приведена теоретична модель формування збитку стоку ріки. До роботи водозабору профіль її витрат являє собою пряму лінію, що відповідає поступовому рівномірному збільшенню витрат річки вниз за течією за рахунок схилового стоку і підземного харчування. Рівень підземних вод під руслом розташовується вище рівня води в річці на величину . При накладення експлуатаційної депресії напорів від роботи водозабору в поздовжньому профілі долини утворюється кілька характерних зон:

1 - Поза депрессионной воронки вище за течією, - непорушеною гідродинамічний і гідрологічний режим

2 - Периферійна частина депрессионной воронки, - часткова інверсія підземного живлення річки, поява збитку річкового стоку, а проте, витрата річки ще зберігає приріст вниз за течією

3 - Внутрішня частина депрессионной воронки, - повна інверсія підземного живлення річки, поглинання річкового стоку в підпертою режимі, інтенсивність поглинання зростає вниз за течією; інтенсивний збиток річковому стоку з явним зменшенням витрат річки

4, 5 - найближча до водозабору частина депрессионной воронки, - повна інверсія підземного живлення річки, поглинання річкового стоку у вільному режимі, інтенсивність поглинання постійна в межах зони; інтенсивний збиток річкового стоку з явним зменшенням витрати річки

6 - В гідродинамічної сенсі дзеркально повторює зону 3; розмір матеріальної шкоди стоку продовжує зростати, однак інтенсивність її зростання поступово знижується до нижньої за течією межі зони

7 - В гідродинамічної сенсі дзеркально повторює зону 2; збиток стоку ще зростає, але з загасанням інтенсивності; витрата річки поступово починає збільшуватися за рахунок частково відновлюється підземного харчування

8 - Поза зоною депресії напорів - непорушеною гідродинамічний режим; збиток стоку ріки досягає максимуму на кордоні зон 7 і 8; сток річки має природне збільшення вниз за течією.

Кілька коментарів до розглянутої картині:

-- Мінімальне значення витрат річки існує нижче за течією від створу водозабору, на виході із зони 6, тобто на нижній межі ділянки формування притягається потоку.

-- Отриманий річкою збиток стоку в абсолютному значенні успадковується вниз за течією до гирла. Однак, його відносна величина вниз за течією зменшується в мірою природного зростання витрат річки.        

Рис. 7.7. Локалізація зон нанесення збитку стоку ріки при роботі   надрічкової водозабору     

Загальна величина збитку на ріс.7.7?

В випадку підпертою режиму взаємодії підземних і поверхневих вод величина збитку дорівнює дебіт водозабору за вирахуванням сумарної величини інверсіруемой безстічної природної розвантаження в області депресії напорів. За цієї, може Можливо, не відразу зрозумілою формулюванням криється досить проста річ: приходить в річкову долину природний потік підземних вод, сформований за рахунок харчування на междуречних областях харчування, дренується не лише шляхом руслової розвантаження та/або джерелами (з подальшим стоком в річку), а й у какой-то (можливо, досить значною) мірою за рахунок евапотранспіраціі на площі днища долини, де рівні розташовуються близько від поверхні. Ця розвантаження має безстічних характер і не бере участі в підземному живленні річки. Інверсія її при роботі водозабору (на тій частині площі днища, де зниження напорів призводить до скорочення різних форм випаровування) забезпечує деяку частку в балансі водовідбору, але не викликає збитку річкового стоку.

При освіту значній зони вільного режиму фільтрації під річкою формування збитку стоку дещо ускладнюється - залежно від сезонної динаміки річкового стоку розмір матеріальної шкоди може бути більше або менше дебіту водозабору (з поправкою на інверсію безстічної розвантаження). Чи не деталізуючи це положення, зауважимо лише, що воно цілком зрозуміле навіть на якісному рівні -- поглинання річкового стоку в зоні відриву не регулюється величиною зниження і, отже, дебіту, а визначається тільки опором екрану і режимом рівень річки.

Слід розрізняти локальний і регіональний збиток річкового стоку. Під локальним треба розуміти шкоду стоку конкретної річки безпосередньо в зоні його нанесення, тобто на площі експлуатаційної депресії конкретного водозабору. Саме про це ми говоримо в цьому розділі. Однак, якщо розглядати в цілому водний баланс регіону, до якого входить басейн ріки, то збиток річкового стоку виявиться значно менше. Чому? Тому що видобувається водозабором вода подається на потреби господарсько-питного водопостачання і після застосування за призначенням у тій чи іншій формі (через системи водовідведення, а також за рахунок втрат і витоків з водонесущих комунікацій) повертається або у вигляді техногенного живлення підземних вод, або прямим стоком в гідромережа. У практиці водогосподарських розрахунків частка зворотних вод досягає 80%, тобто регіональний збиток річкового стоку (за рахунок безповоротних втрат - в основному, випаровування) становить не більше 20% від водовідбору.

В завершення цієї теми: для чого потрібні оцінки локального збитку річкового стоку?

По-перше, такі оцінки є обов'язковий елемент прогнозування водовідбору впливу на навколишнє середовище і є, таким чином, одним з умов затвердження ЕЗ родовища підземних вод.

По-друге, збиток витраті річки означає і відповідний ЗБИТКИ ГЛИБИНІ РІКИ. Це, у свою чергу, означає, що в міру нанесення збитку стоку річці кількісно змінюється умова 3 роду на контурі річки, тому що змінюється (знижується) рівень на кордоні . Недооблік цієї обставини може призводити до невизначеним похибок фільтраційного розрахунку з усіма наслідками, що випливають балансовими наслідками. Однак, треба розуміти, що це питання має практичне значення лише при порівнянних величинах водовідбору і витрат річок.

Як прогнозувати очікувану величину збитку річкового стоку - у часі і по контурам гідромережа, що потрапляють в область депресії?

1. Аналітичні розрахунки - як завжди, дають лише спрощену оцінку. Для досконалої річки:

,

де a - коефіцієнт уровнепроводності, t - розрахунковий момент часу від початку роботи водозабору, erfc - позначення відомої студентам спеціальної функції (додатковий інтеграл ймовірності); Q0 - дебіт водозабору з поправкою на інверсію безстічної розвантаження.

Розрахунок за цією формулою (є і більш складні, що враховують екранування річки) дає тільки динаміку збитку в часі, але не по довжині річки - ніби-то весь збиток наноситься в одному створі річки.

2. Тому при явної необхідності врахування просторово-часових характеристик збитків слід застосовувати комбіноване моделювання взаємодії підземних і поверхневих вод, сенс якого полягає в коректуванні рівнів річок в процесі рішення відповідно до поточної величиною збитку річкового стоку.

Алгоритм комбінованого розрахунку такий:

-- на черговому кроці за часом розрахунок сітки напорів виконується з урахуванням стану граничного умови, отриманого на кінець попереднього кроку;

-- при знайдених значеннях напору в кожному блоці, що містить граничне умова 3 роду, обчислюється величина витрати взаємодії пласта з річкою;

-- після цього послідовно для всіх "річкових" блоків, починаючи з самого верхнього за течією, обчислюється залишковий витрата ріки (шляхом алгебраїчного складання з витратою взаємодії в кожному блоці);

-- потім для кожного блоку обчислюється нова глибина річки, відповідна залишковим витраті річки в цьому блоці, і обчислюється різниця між початковій глибиною та поточної - це і є шукане зміна рівня на кордоні до кінця розрахункового тимчасового кроку ;

-- отримане значення вираховується з початкового значення рівня на кордоні ; можна робити наступний крок, на якому транскордонний витрата буде дорівнює:

,

де Нрасч = Н (якщо зберігається підпертий режим взаємодії з річкою),

Нрасч = Н0 (якщо рівень опустився нижче за позначку відриву).

Видно, що транскордонний витрата при наявності шкоди менше, ніж без нього. Чи не виключається, що в окремих блоках розрахункова величина виявиться більше остаточного витрати річки - це означає, що стався повний перехоплення стоку ріки на цій ділянці і, отже, на наступному тимчасовому кроці граничне умова в цьому блоці повинно бути виключено з розрахунку.

Як обчислити глибину річки, яка відповідає відомому її витраті? Є різні підходи; один з найбільш простих (і тому - життєздатних) - застосування формули Шезі, що є аналогом формули Дарсі стосовно поверхневим потоків і встановлює зв'язок між витратою водотоку, гідравлічними русловими опорами і витратами енергії в потоці:

,

де С - коефіцієнт Шезі (аналог коефіцієнта фільтрації), -- площа поперечного перерізу потоку, R -- гідравлічний радіус (відношення площі поперечного перетину до довжини змоченого периметра), I - ухил водної поверхні потоку.

Вважаючи гідравлічний радіус що практично дорівнює середній глибині річки (що цілком допустимо для річок, глибини яких багато менше їх ширини G), можна вважати:

,

що дозволяє обчислювати середню глибину річки у відповідності з відомим витратою.

Коефіцієнт С може бути визначений безпосередньо за допомогою польових вимірювань, однак звичайно його обчислюють через так званий "коефіцієнт шорсткості" n, що залежить від характеру русла, матеріалу дна, наявності водної рослинності та т.д. (приймається за таблицями з гідрологічних довідників). Існують різні емпіричні формули зв'язку C і n - найбільш відома, наприклад, формула Меннінг: .

На кафедрі гідрогеології МГУ майже 20 років застосовується програма комбінованого моделювання фільтрації (MCG, С. О. Гріневській), апробована, зокрема, при підрахунку ЕЗ великого надрічкової Перміловского родовища підземних вод (сума експлуатаційних запасів близько 320 тис. куб.м на добу