CC BY
9
УДК 556.182 Е.А. Филимонова
АНАЛИЗ БАЛАНСА ЭКСПЛУТАЦИОННОГО ВОДООТБОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНИРОВАННОЙ ВОДОЗАБОРНОЙ СИСТЕМЫ
Рассматриваются возможности увеличения располагаемых водных ресурсов малых речных бассейнов за счет комбинированных систем водоотбора. В качестве основного водозабора сохраняется современная система водоотбора, баланс которой обеспечивается сокращением речного стока. В низководный период для сохранения минимально допустимого расхода реки включается компенсационный водозабор. Проанализированы источники формирования компенсационного водоотбора.
Ключевые слова: водные ресурсы, комбинированное использование, малые реки, ущерб речному стоку.
It is offered to apply combined use water resources for small river basin. Appling the combined use sources of water allow to increase quantity of available water resources. The basic well is active system, which uses river flow. In limited periods compensating well is engaged to protect permissible minimum river flow. Water budget of compensating well is analyzed.
Key words: water resources, conjunctive use, small river basin, stream depletion.
Введение. Дефицит водных ресурсов проявляется особенно остро на территориях с интенсивным водо-потреблением. В.С. Ковалевским [Ковалевский, 2001] предложен новый подход к управлению располагаемыми водными ресурсами речного бассейна, с применением комбинированных водозаборных систем (КВС), которые представляют собой технологический комплекс из основного (ОВ) и компенсационного (КВ) водозаборов. Дебит основного водозабора (с поверхностной или подземной формой водоотбора) обеспечивается поверхностным стоком, поэтому его эксплуатация приводит к ущербу речному стоку, и следовательно, его производительность ограничивается условием сохранения минимально допустимого расхода реки (Рост).
В маловодные периоды года, когда основной водозабор не может обеспечить заявленную потребность, включается компенсационный подземный водозабор. Его дебит определяется разностью между расчетной потребностью и допустимым водоотбором на основном водозаборе. Необходимые условия работы компенсационного водозабора — сохранение минимально допустимого расхода реки и достаточное восполнение сработанных запасов в периоды высокой водности. Эксплуатационный баланс КВ должен обеспечиваться источниками, не приводящими к уменьшению стока реки, например емкостными запасами водоносного горизонта, инверсией бессточных форм разгрузки подземных вод и возможным увеличением инфильтрационного питания и перетекания из нижележащих горизонтов.
Обоснование комбинированного использования водных ресурсов на приречном месторождении подземных вод. Возможность применения и результаты прогнозного моделирования комбинированной водозаборной системы рассмотрены на примере месторождения подземных вод в аллювиальных отложениях. Подробная характеристика этого месторождения приведена в работе [Штенгелов, 2007].
Действующий водозабор состоит из 3 шахтных колодцев с суммарным дебитом водоотбора 20,3 тыс. м3/сут, обеспечиваемым сокращением русловой и родниковой разгрузки (23—32%) и поглощением стока реки (77—68%).
Минимальный среднемесячный расход реки (с вероятностью превышения 95%) составляет 0,2 м3/с (62,2 тыс. м3/сут) и наблюдается в марте. Эта величина уже включает ущерб от средней производительности действующего водозабора и рассматривается как минимально допустимый расход для нижележащего участка реки. В таком случае дальнейшее наращивание водоотбора (в перспективе до 30 тыс. м3/сут) не должно приводить к дополнительному ущербу стоку реки.
Результаты моделирования при сохранении современной системы водоотбора с увеличенной производительностью приведены в табл. 1. Анализ перестройки балансовой системы осуществлялся с помощью метода дельта-баланса [Маслов, Штенгелов, 2004]. Изменения в статьях баланса между естественными и нарушенными условиями характеризуют источники обеспечения эксплуатационного водоотбора, которые показывают, что дополнительная нагрузка (9,7 тыс. м3/сут) полностью обеспечивается сокращением речного стока, что приводит к нарушению минимально допустимого стока (МДС).
Для сохранения МДС необходимо проанализировать возможность применения комбинированной водозаборной системы. В качестве основного водозабора сохраняется ныне действующая водозаборная система, дебит которой регулируется от требуемого перспективного до современной величины (табл. 2). Маловодный период, когда требуется защита стока реки от дополнительного ущерба, — внутригодовой период февраль—март, следовательно, необходимая продолжительность работы компенсационного водозабора (?) составляет 60 сут (табл. 2).
Таблица 1
Дельта-баланс и величина дополнительного ущерба речному стоку при современной системе водозабора, тыс. м3/сут
Источники обеспечения водоотбора
Месяц Дополнительная нагрузка использование емкостных запасов привлечение речных вод сокращение разгрузки подземных вод Дополнительный ущерб речному стоку
Январь 63 8730 914 9644
Февраль 59 8763 875 9638
Март 49 8805 852 9658
Апрель 16 8943 739 9682
Май 26 8895 782 9677
Июнь 9704 47 8742 924 9666
Июль 41 8763 903 9666
Август 45 8740 923 9663
Сентябрь 34 8784 881 9665
Октябрь 33 8798 867 9665
Ноябрь 49 8720 934 9653
Декабрь 44 8746 916 9662
Таблица 2
Определение периодов работы и дебита компенсационного водозабора, тыс. м3/сут
Месяц Расход реки Допустимое изъятие речного стока Дебит основного водозабора Дебит компенсационного водозабора, Qк Ожидаемый дополнительный ущерб речному стоку
Январь 168,4 106,3 30 0 9,7
Февраль 69,1 6,9 27,2 3,2 6,9
Март 62,2 0 20,3 9,7 0
Апрель 3196,8 4396,0 30 0 9,7
Май 6048 6030,7 30 0 9,7
Июнь 4800,4 4738,2 30 0 9,7
Июль 4761,5 4699,3 30 0 9,7
Август 4255,2 4193 30 0 9,7
Сентябрь 6298,6 6236,4 30 0 9,7
Октябрь 3675,5 3613,3 30 0 9,7
Ноябрь 1581,1 1518,9 30 0 9,7
Декабрь 702,4 640,2 30 0 9,7
Предварительную оценку необходимого удаления компенсационного водозабора (I*) от контура реки можно выполнить по формуле
£ ~ егТе
е.
где а — уровнепроводность водоносного горизонта, е — погрешность измерения расхода реки.
Уровнепроводность, определяемая фильтрационными и емкостными свойствами водовмещающих пород, изменяется в пределах области развития де-прессионной воронки, так как проводимость здесь варьирует в интервале 900—1300 м2/сут, следовательно, при водоотдаче, равной 0,25, уровнепроводность будет меняться в диапазоне (3,6^5,2) 103 м2/сут. Погрешность замеров расхода реки составляет 0,05.
При этих параметрах необходимое удаление компенсационного водозабора составляет около 800 м. Однако, учитывая снижение проводимости отложений к периферии днища долины, его следует увеличить до 1,5—2 км.
Схема компенсационного водозабора представляет собой квазилинейный ряд скважин, расположенных параллельно руслу реки. Прогнозное моделирование работы комбинированной системы проводилось на полный расчетный срок 25 лет. Ежегодно в марте работают 9 компенсационных скважин с дебитом 1078 м3/сут каждая, в феврале эксплуатируется только 3 такие скважины.
Обсуждение результатов. При использовании КВС отчетливо наблюдается перестройка балансовой структуры по сравнению с современной (табл. 3). Возрастает использование емкостных запасов в низководный период (дополнительный эксплуатационный водоотбор обеспечивается естественными запасами на 21,6 и 86,3% в феврале и марте соответственно), при этом роль естественных и привлекаемых ресурсов резко снижается. Кратковременное использование емкостных запасов компенсационным водозабором позволяет уменьшить ущерб речному стоку в феврале и марте до значений 7947 и 1332 м3/сут соответственно и снизить величину дополнительного
Таблица 3
Дельта-баланс и величина дополнительного ущерба речному стоку при рекомендуемой комбинированной системе водоотбора, тыс. м3/сут
Месяц Дополнительная нагрузка Источники обеспечения водоотбора Дополнительный ущерб речному стоку
использование емкостных запасов привлечение речных вод сокращение разгрузки подземных под
Январь 9704 -902 9224 1382 10 605
Февраль 10 144 2196 6780 1168 7947
Март 9702 8374 746 587 1332
Апрель 9704 -757 9513 944 10 458
Май 9704 -1031 9730 1005 10 735
Июнь 9704 -1070 9417 1365 10 782
Июль 9704 -1093 9467 1330 10 797
Август 9704 -1075 9380 1402 10 782
Сентябрь 9704 -1070 9494 1275 10 769
Октябрь 9704 -1045 9539 1202 10 740
Ноябрь 9704 -990 9288 1403 10 691
Декабрь 9704 -961 9301 1371 10 672
ущерба в марте до 2,14% от минимально допустимого расхода реки (рис. 1). Эти результаты доказывают выполнение требования о сохранении минимально допустимого расхода реки при работе комбинированной системы.
Рис. 1. Графики ущерба речному стоку при разных режимах эксплуатации
Во время работы только основного водозабора дебит системы обеспечивается сокращением расхода естественного потока и привлечением речных вод аналогично современным условиям, что приводит примерно к постоянной величине дополнительного ущерба стоку реки на уровне 10,7 тыс. м3/сут. Превышение дополнительного ущерба речному стоку над дополнительной производительностью связано с восполнением сработанных емкостных запасов за счет уменьшения разгрузки потока подземных вод и привлечения стока реки.
Изменение уровня в основном водозаборе соответствует динамике уровня реки (рис. 2), что объясняется значительной долей привлекаемых ресурсов в балансе основного водозабора. Годовой ход уровня подземных вод в скважинах компенсационного водозабора не зависит от режима поверхностного стока. Максимальное снижение уровня подземных вод в компенсационном водозаборе отвечает периоду его включения в феврале и марте, в остальные месяцы наблюдается постепенное восстановление уровня.
Полного ежегодного восстановления уровня не происходит, однако максимальное понижение уровня в скважинах до 2,3 м (на март 25-го года эксплуатации) является допустимым.
Воронка депрессии, сформированная компенсационным водозабором, имеет локальный характер, не сливается с воронкой депрессии, образованной основным водозабором (рис. 2).
Заключение. Таким образом, можно считать, что применение комбинированной системы позволяет увеличить имеющиеся водные ресурсы почти на 50%, не нанося дополнительного ущерба поверхностному стоку. Необходимость значительного удаления компенсационного водозабора от реки в рассмотренном случае определяется высокой степенью взаимосвязи водоносного горизонта с рекой. В технико-экономическом отношении выгоднее максимально приближать компенсационный водозабор к основному. Это возможно в случаях значительного фильтрационного сопротивления ложа рек либо при использовании упругих запасов нижезалегающего межпластового водоносного горизонта.
1000 2000 ' 3000 ' 4000 50Й0 6000 7000 8000
Рис. 2. Прогнозные изолинии понижений на март 25-го года эксплуатации комбинированной водозаборной системы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ковалевский В.С. Комбинированное использование ресурсов поверхностных и подземных вод. М.: Научный мир, 2001.
Маслов А.А., Штенгелов Р.С. Типизация баланса
Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова кафедра гидрогеологии, вед. инженер, e-mail: [email protected]
эксплутационных запасов подземных вод // Вод. ресурсы. 2004. Т. 31, № 5. С. 517-525.
Штенгелов Р.С. Эпигнозный анализ опыта эксплуатации приречного водозабора // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2007. № 5. С. 52—59.
Поступила в редакцию 23.12.2008
