Уравнение водного баланса подземных вод

Баланс подземных вод

Баланс в переводе с французского означает равновесие, весы, а в различных областях хозяйства — соотношение приходной и расход­ной частей, прибыли и убыли.

В гидрологии под балансом воды понимают ее приход и расход, приход обусловлен выпадением осадков, а расход — испарением и стоком.

Баланс воды может рассматриваться как для отдельных участков земной поверхности, так и для всего земного шара в целом, Баланс воды на земном шаре есть не что иное, как количественное выраже­ние закона круговорота воды в природе.

Приведем некоторые количественные данные из водного баланса Земли,

В атмосфере одновременно содержится 13-15 тыс. куб, км влаги и это количество полностью обновляется через каждые 9 суток.

Общий запас подземных вод в земной коре составляет около 60 млн., куб, км, причем полный водообмен происходит следующим образом: воды в зоне активного водообмена возобновляются за 333 года, межпластовые — примерно за 5000 лет, а глубинные воды — за десятки и сотни миллионов лет, т.е., за целые геологические периоды.

6 ледниках сосредоточены наибольшие запасы пресных вод Земли — 24-27 млн. куб, км и возобновляются они таким образом: в горных ледниках — за 10 тыс. лет, на крупных ледниковых пассивах С Антар­ктида) — за 200 тыс. лет.

Существуют различные методики водобалансового подсчета, раз­личные формулы и уравнения водного и солевого баланса. Отдельные элементы баланса изучаются на специальных опытно-балансовых участках гидрогеологической службы.

Результаты балансовых расчетов обычно оформляются в виде сводных таблиц, в которых для каждой приходной или расходной статьи водного баланса выделяется специальная графа,

Метод водного баланса является одним из основных методов в мелиоративной гидрогеологии. С его помощью определяются основные Факторы режима подземных вод, составляются прогнозы режима на оп­ределенный период проведения тех или иных гидромелиоративных ме­роприятий и т, п.

Так, уравнение общего водного баланса включает: суммарное изменение запасов воды в границах рассматриваемой территории за оп­ределенный период, приток поверхностных вод, приток подземных вод, атмосферные осадки, испарение и транспирацию, подземный от­ток.

С помощью водно-6алансовых исследований можно изучать очень важный и очень вредный процесс засоления почвы и вести с ним борьбу.

Уравнение общего солевого баланса включает: начальный и ко­нечный запасы солей в поверхностных водотоках и водоемах в зове аэрации и в подземных водах, поступление солей с подземным прито­ком, вынос солей с подземным оттоком.

Таким образом, можно сделать вывод, что баланс подземных вод какой-либо территории есть количественное выражение факторов, вы­зывающих изменение запасов воды и растворенных в ней солей за оп­ределенный отрезок времени.

Дата добавления: 2016-06-13 ; просмотров: 1404 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Уравнение водного баланса подземных вод

Режим подземных вод – это изменение во времени их уровня, химического состава, температуры и расхода.

Режим подземных вод в естественных условиях

В естественных условиях для подземных вод характерен ненарушенный (естественный) режим, который формируется в основном под влиянием метеорологических, гидрологических и геологических факторов.

Метеорологические факторы (осадки, испарение, температура воздуха, атмосферное давление) — основные в формировании режима грунтовых вод. Они вызывают сезонные и годовые (многолетние) колебания уровня, а также изменения химизма, температуры и расхода грунтовых вод.

Сезонные колебания уровня обусловлены неравномерностью выпадения осадков и изменениями температуры воздуха в течение года. Наиболее высокое понижение уровня приходится на периоды весеннего снеготаяния (весенний максимум) и осенних дождей (осенний максимум). Наиболее низкое положение уровня в годовом цикле отмечается в конце лета — начале осени и в конце зимы.

Разность между наивысшим и наинизшим горизонтом подземных вод называют максимальной амплитудой колебания уровня. Обычно амплитуды сезонных колебаний грунтовых вод не превышают 2,5-3,0 м, а максимальные составляют 10-15 м (в долинах горных рек, сложенных галечниками и закарстованными известняками).

Подъем уровня начинается лишь через некоторое время после выпадения осадков. Этот отрезок времени тем больше, чем меньше водопроницаемость пород и больше глубина залегания грунтовых вод.

Уровень грунтовых вод колеблется не только по сезонам, но и в многолетнем цикле. Многолетние колебания уровня связаны с ритмическими изменениями климата и приурочены к различным циклам, среди которых наиболее четко фиксируется 11-летний цикл. Амплитуды многолетних колебаний могут превышать амплитуды сезонных колебаний и достигать значительных размеров (до 8 м и более). Изучение многолетнего режима подземных вод необходимо для определения расчетной величины мощности водоносного горизонта, прогноза положения уровня на весь период длительной эксплуатации сооружений и других инженерных расчетов.

Гидрологический режим рек влияет на положение уровней подземных вод и их химизм в полосе шириной от 0,2-0,5 км (в песчано-глинистых отложениях) до 2-6 км в хорошо проницаемых породах. Колебания уровня подземных вод в речной долине с некоторым отставанием отражают колебания уровня реки.

Режим подземных вод в условиях влияния техногенных факторов

Инженерно-строительная деятельность человека и другие техногенные причины изменяют естественные режимообразующие факторы и способствуют возникновению новых, так формируется искусственный ( или нарушенный) режим подземных вод.

Деятельность человека может проявляться в повышении и в понижении уровня подземных вод, в изменении их химического состава, расхода и температуры. Основное внимание при инженерно-геологических исследованиях уделяется изучению уровенного режима подземных вод.

Повышению уровня подземных вод способствуют строительство водохранилищ и других искусственных водоемов, орошение, утечка воды из подземных сетей водонесущих коммуникаций, промышленных бассейнов, водохранилищ и т. д. Под влиянием искусственных (антропогенных) факторов уровни подземных вод могут подниматься на 10-15 м и более. Особенно значительно обводняющее действие крупных водохранилищ.

Под балансом подземных вод понимают соотношение между приходом и расходом подземных вод на данном участке за определенное время.

Режим и баланс подземных вод взаимосвязаны, и если первый отражает изменение количества и качества подземных вод во времени, то второй — результат этого изменения. Баланс может составляться для крупных территорий или для отдельных участков (поля орошения и фильтрации, групповые водоза- боры и т. д.). Участки, где проводятся измерения прихода и расхода подземных вод, называют балансовыми .

С помощью баланса характеризуют водообеспеченность района и возможности ежегодного пополнения запасов подземных вод, изучают причины подтопления территорий, прогнозируют изменение уровня подземных вод.

Для решения этих вопросов необходимы данные о составляющих баланса: приходных и расходных.

Приходная часть баланса грунтовых вод под влиянием естественных режимообразующих факторов слагается из следующих составляющих: инфильтрации атмосферных осадков (А); конденсации водяных паров (К); подземного притока (П).

Подземный приток в свою очередь включает боковой приток (П), фильтрационные поступления из поверхностных водных источников (реки, озера) (П2) и переток из нижележащего водоносного горизонта (П3).

Расходная часть баланса складывается из испарения (И) и подземного стока (С).

Испарение (И) включает расход воды за счет испарения с поверхности грунтовых вод и транспирации воды растительностью. Подземный сток (С) может быть представлен боковым оттоком (С1) и перетоком в нижележащий водоносный горизонт (С2).

Балансовое уравнение грунтовых вод для данного участка за время t имеет вид:

Δ W = А + К + П1 + П2 + П3 — И — С1 — С2,

где Δ W – изменение запасов грунтовых вод за время t.

Если на территории участка проводились режимные наблюдения за уровнем грунтовых вод, баланс грунтовых вод может быть выражен уравнением:

μΔh = А + К + П — И — С ,

где Δh – среднее изменение уровня за время t;

μ – коэффициент водоотдачи (при Δh с минусом) и недостаток насыщения (при Δh с плюсом).

Величина μΔh изменяется по сезонам и в многолетнем цикле. Она может быть положительной при подъеме уровня грунтовых вод и отрицательной при его опускании.

На балансовом участке могут быть выражены не все составляющие. Так, например, при глубоком залегании грунтовых вод из балансового уравнения исключается испарение (И), а при отсутствии перетока воды через водоупор — члены С2 и П3 .

В условиях искусственного (нарушенного) режима подземных вод в балансовое уравнение грунтовых вод вводятся расходы на водоснабжение (В), расходы в дренажи (Д), фильтрация из оросительных каналов (Фк) и другие составляющие. Превышение прихода подземных вод над расходом может вызвать подтопление территории, при обратном соотношении составляющих баланса — ее осушение.

Изучая баланс крупной территории или любого другого участка, можно регулировать режим подземных вод в нужном направлении.

Для решения балансовых уравнений применяют экспериментальные и расчетные методы. В первом случае все основные статьи баланса подземных вод определяют непосредственным измерением, во втором — их рассчитывают на основе режимных наблюдений, используя уравнения неустановившегося движения в конечных разностях (метод Г. Н. Каменского).

Источник: Гидрология : учебное пособие по курсу «Науки о Земле» для студентов,
обучающихся по специальности 28020265 «Инженерная защита окружающей среды» /
сост. В. А. Михеев. — Ульяновск : УлГТУ, 2010. — 200 с.

Избранная библиография

Монографии и брошюры

Ганиев К.Г. — Испарение и инфильтрационное питание грунтовых вод (1979)

Ковалевский В.С. — Исследования режима подземных вод в связи с их эксплуатацией (1986)

Лебедев А.В. — Методы изучения баланса грунтовых вод (1976)

Лебедев А.В. — Оценка баланса подземных вод (1989)

Лукнер Л., Шестаков В.М. — Моделирование миграции подземных вод (1986)

Мейнцер О.Э. — Учение о подземных водах (1935)

Островский Л.А., Фомин В.М. — Подземные воды равнинной части Средней Азии (1969)

Опытно-фильтрационные работы / Под ред. Р.М. Шестакова и Д.Н. Башкатова (1974)

Попов О.Б. — Подземное питание рек (1968)

Посохов Е.В. — Формирование химического состава подземных вод (основные факторы) (1966)

Сляднев А.Ф. — Методы изучения баланса грунтовых вод (1961)

Терлецкий (ред.) Б.К. — Подземные воды (1932)

Устойчивое управление подземными водами: концепции и инструменты (публикации Тренингового центра МКВК, вып. 7, 2004)

Статьи

Антоненко В.Н., Кульдеев Е.И., Тынбаев М.М. — Гидрогеологические основы магазинирования подземных вод (2012)

Анзельм К.А., Эсанбеков М.Ю. — Влияние режима грунтовых вод на мелиоративное состояние орошаемых земель (2016)

Джамалов Р.Г., Сафронова Т.И. — Ресурсы подземных вод: их изменение под влиянием климата и распределение по странам мира в начале ХХI века (2009)

Нормативно-методическая и справочная информация

Гидрогеология СССР. Сводный том. Выпуск 1. Основные закономерности распространения подземных вод на территории СССР (1976)

Гидрогеология СССР. Сводный том. Выпуск 3. Ресурсы подземных вод СССР и перспективы их использования (1977)

Гидрогеология СССР. Сводный том. Выпуск 4. Влияние производственной деятельности человека на гидрогеологические и инженерно-геологические условия (1973)

Гидрогеология СССР. Сводный том. Выпуск 5. Инженерно-геологическое районирование и закономерности формирования инженерно-геологических условий территории СССР (1975)

Основные разделы

Портал знаний о водных ресурсах и экологии Центральной Азии

Водный и солевой баланс подземных вод

Водный баланс подземных вод

Водный баланс подземных вод представляет собой разность между приходом (питанием) и расходом воды в водоносном горизонте за определенный отрезок времени. Такой баланс называется водным балансом подземных вод. Кроме водного баланса иногда составляется солевой баланс подземных вод. По аналогии с водным он представляет собой разность между суммой солей (или содержа­нием какой-либо соли), поступивших в водоносный горизонт, и суммой солей (или количеством какой-либо соли), удаленных из него за определенный отрезок времени.

Баланс подземных вод изучают на основе анализа их режима (аналитические методы), а также экспериментально, с постановкой специальных лизиметрических и водно-балансовых исследований на типичных по гидрогеологическим условиям балансовых участках. В последнем случае элементы водного баланса (инфиль- трационное питание, испарение, транспирация, приток и отток подземных вод и др.) определяют экспериментально при помощи различных приборов и специальных установок и используют в дальнейшем для различных водно-балансовых расчетов и про­гнозов режима и баланса подземных вод изучаемых районов.

Баланс подземных вод может определяться для существующих условий или для проектных (прогнозный баланс). Основная задача расчета балансов подземных вод — количественная оценка харак­теристик гидрогеологических условий, а в случае неблагоприятной оценки — разработка мероприятий по изменению баланса с целью улучшения гидрогеологических условий территории. На основании изучения режима и определения баланса подземных вод при из­вестных условиях дается прогноз их режима.

Для мелиорации сельскохозяйственных земель наибольшее зна­чение имеет баланс грунтовых вод, для составления которого сле­дует количественно определить каждую приходную и расходную статью. Для этого поток грунтовых вод рассматривается в опреде­ленных границах: боковые границы — реки, каналы, коллекторы или условно принятые вертикальные поверхности; нижней гра­ницей обычно служит кровля подстилающего водонепроницаемого пласта или условная плоскость на принятой глубине.

Верхняя граница балансового блока выбирается по-разному. В одних случаях баланс грунтовых вод определяется с учетом ба­ланса поверхностных вод и вод в зоне аэрации. Верхней границей балансового участка в этом случае будет поверхность земли, включая поверхностные воды. В других случаях при определении баланса собственно грунтовых вод верхней границей балансового участка следует считать переменную величину — уровень грунтовых вод или верхнюю границу капиллярной каймы.

Основные приходные элементы баланса грунтовых вод следующие:

• питание грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных осадков через зону аэрации —А₀;
• питание грунтовых вод за счет фильтрации воды из каналов, водохранилищ и рек — Ф_к;
• питание грунтовых вод при инфильтрации оросительных вод — О;
• подземный приток —П₁
• питание грунтовых вод за счет перетекания из нижележащих на­порных горизонтов — М;
• питание грунтовых вод за счет конденсации паров воды в зоне аэрации — К.

Основными расходными элементами баланса грунтовых вод явля­ются:

• испарение с поверхности грунтовых вод и капиллярной каймы — И;
• транспирация воды растительностью — Т;
• отток в дренирующие сооружения (реки, коллекторы,дрены) — Д;
• подземный оттток за пределы участка П₂;
• расход грунтовых вод на питание нижележащих водоносных горизонтов — Г;
• водоотбор при откачке из скважин — Q_отк ;

В общем случае уравнние баланса грунтовых вод за время t имеет вид:

где μ — коэффициент водоотдачи (при понижении уровня грунтовых вод, т.е. при -∆H) или недостатка насыщения (при повышении уровня грунтовых вод на балансовом участке за время t, м; S — площадь балансового участка.

Основные элементы водного баланса (П₁,П₂,А₀,О,М) опреде­ляются с использованием результатов режимных наблюдений. При расчетах необходимо иметь основные гидрогеологические па­раметры — коэффициенты водоотдачи, уровнепроводности, пье- зопроводности и фильтрации. При решении баланса грунтовых вод его элементы могут определяться и экспериментальным методом. Это целесообразно делать при близком (3—5 м) залегании уровня грунтовых вод. При использовании экспериментального метода все элементы баланса грунтовых вод определяются на специальных участках, один независимо от другого, с помощью различных при­боров и установок. Наиболее распространенными установками яв­ляются лизиметры — металлические или бетонные сосуды разной высоты с округлым, квадратным или прямоугольным сечением.

Солевой баланс подземных вод

Солевой баланс подземных вод. Методы его решения разрабо­таны слабее. В общем случае, взяв за основу водный баланс грун­товых вод, величину каждого элемента баланса в объемных еди­ницах следует умножить на концентрацию солей (или какой-ни­будь соли) и полученные данные алгебраически сложить:

где ∆С — изменение содержания ионов солей или какой-либо соли в балансовом участке горизонта грунтовых вод за время t; С₀, С_ф и т.п. — концентрации солей или какой-либо соли, г/л или г/см 3 .

Солевой баланс показывает направленность гидрогеологических процессов, ведущих к засолению или расселению.