CC BY
46
Раздел 3
ГИДРОЛОГИЯ. КЛИМАТ HYDROLOGY. CLIMATE
Section 3
УДК 556.383:518.6 (571.51)
ОЦЕНКА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ЗОН ПОДТОПЛЕНИЯ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ
На основе проведенных исследований разработана методика анализа и прогноза риска подтопления урбанизированных территорий, которая интегрирует средства программных продуктов моделирования гидравлики речных потоков, фильтрации подземных вод и ГИС. Выполнена схематизация гидрогеологических условий территории исследований, обоснован выбор среды гидрогеологического моделирования. Проведен анализ и обоснование параметров количественной оценки ведущих факторов подтопления. Выполнена математическая постановка задачи и предложена численная модель расчета процесса подтопления территории. Модель основывается на решении двухмерных уравнений фильтрации с учетом геометрии водоносного пласта и фильтрационных характеристик, слагающих его пород. Приводятся результаты вычислительного эксперимента.
Разработана методика картографических построений и оценки процессов подтопления территорий с использованием цифровых моделей рельефа. В результате получены электронные карты специализированной гидрогеологической информации, позволяющие производить комплексный анализ закономерностей процессов подтопления территорий. В результате моделирования выделены зоны различной степени подтопления грунтовыми водами. Практическая значимость работы заключается в применении результатов исследования для мониторинга и прогноза процесса подтопления урбанизированных территорий.
С.Г. Яковченко, В.И. Заносова
ООО «Центр инженерных технологий», Барнаул, E-mail: [email protected], [email protected]
Ключевые слова: затопление и подтопление территорий; гидрогеологическая схематизация; моделирование потоков подземных вод; численная модель расчета.
Городские территории, расположенные на берегах рек, довольно часто находятся под угрозой наводнений вследствие половодий и паводков. Следствием затопления является подтопление застроенных территорий, связанное с повышением уровня грунтовых вод, которое нарушает нормальное функционирование расположенных на ней объектов.
Подтопление может усугублять чрезвычайную ситуацию, когда на определенной территории складывается обстановка, которая приводит к ухудшению состояния окружающей среды и наносит ущерб здоровью людей, материальным и культурным ценностям. Высокий уровень грунтовых вод приводит к снижению прочности грунтов в основании зданий и сооружений, и, как следствие, к деформации или разрушению несущих конструкций [Прогноз..., 1978; Рекомендации..., 1983].
Наиболее актуальными прогноз и защита от затопления и подтопления становятся для тех урбанизированных территорий, где природные условия благоприятствуют развитию таких
В01: 10.24412/2410-1192-2021-16304 Дата поступления: 8.12.2021
процессов. Поэтому вопросам изучения природных (геоморфологических, гидрогеологических, инженерно-геологических) условий необходимо уделять большое внимание при определении границ зон затопления и подтопления местности.
Целью исследования является установление границ зон затопления и подтопления территорий, прилегающих к рекам Чулым и Ададым для осуществления мер по предотвращению негативного воздействия вод и ликвидации его последствий в отношении водных объектов. Объектом исследования в данной работе является территория в границах г. Назарово Красноярского края. Работы по определению границ зон подтопления проводятся в соответствии с требованиями постановления Правительства Российской Федерации № 360 от 18.04.2014г. «Об определении границ зон затопления и подтопления» [Постановление...,
2014].
Материал и методика исследований
Город Назарово находится на левом берегу р. Чулыма (приток Оби) в 192 километрах западнее Красноярска.
Расположение части городской территории вдоль низких берегов рек Чулым и Ададым способствовало ее затоплению в периоды прохождения высоких половодий, паводков, а также в результате возникновения заторных явлений. Крупные наводнения в г. Назарово происходили в 1966, 1991, 1995, 1997, 1999, 2001, 2004, 2006, 2007, 2010, 2014, 2018 гг.
Долина реки Чулым в пределах городской черты местами расширяется до 5-6 км. Левый склон пологий, расчленен неглубокими логами и долиной реки Ададым, правый склон круче левого и переходит в южный макросклон хребта Арга. Река имеет здесь четыре террасы с абсолютными отметками от 239 до 290 м. Пойменная терраса имеет
ширину до 3 км. Отметки поверхности в границах города 237-240 м. Поверхность поймы сильно изрезана озерами и старицами. Первая надпойменная терраса, у города достигает ширины в 2-2,5 км, абсолютная отметка поверхности террасы 247 м. Вторая надпойменная терраса так же хорошо прослеживается в рельефе. Третья надпойменная терраса находится южнее городской территории и имеет абсолютную отметку до 290 м. В значительном отдалении от русла наблюдаются ложбины, которые, как правило, лежат на 0,5-1,0 м ниже прирусловой части. Пониженные участки заболочены. Затапливается пойма при половодье слоем воды от нескольких сантиметров до 1,5 м (рис. 1)
Рис. 1. Долина реки Чулым в пределах г. Назарово Fig. 1. Valley of the Chulym River within the city of Nazarovo
Уровни воды в верхнем бьефе регулируются плотиной Назаровской ГРЭС таким образом, чтобы обеспечить искусственное поддержание меженных горизонтов воды на отметках, обеспечивающих подачу воды в подводящий канал. Максимальные уровни воды регулируются в зависимости от сроков и высоты открытия затвора для пропуска весеннего половодья.
Река Ададым - левый приток р. Чулыма, впадает в него на 1380 км от устья. Русло реки огибает город с юго-восточной границы, вплотную подходя к жилым многоэтажным массивам и частным одноэтажным домам. Ширина русла р. Ададым в пределах города - от 4 до 20 м, глубина - 0,5-1,5 м, уклон русла - 0,003, расход воды у г. Назарово в среднем за год составляет 0,62 м3/с, максимальный расход - 59,6 м3/с (29.04.1984). На всём участке нижнего течения долина реки испытала существенные антропогенные и техногенные изменения. Правый берег вскрыт Наза-ровским угольным разрезом с системой отвалов, искусственных водоемов и обслуживающих сооружений. Левый берег занимают многоэтажные постройки г. Назарово и дома с приусадебными участками частного сектора. Надпойменные террасы реки прослеживаются лишь на правом берегу. В пределах левобережья их границы полностью стёр-
ты спускающимися в пойму садово-огородными участками, жилыми домами, подсобными строениями и другими сооружениями.
Сток реки зарегулирован несколькими прудами в верхнем и среднем течении. Такие мелкие притоки, как ручьи Ельник, Березовка, Листвянка и другие, имеют слабо разработанную долину и небольшие расходы воды. Значительное влияние на уровенный, термический и ледовый режимы р. Ададым оказывают сбросы дренажных вод Назаровского угольного разреза. Максимальный сток и уровни воды на участке верхнего бьефа проходят обычно в первых числах мая, в нижнем бьефе максимум половодья сдвинут на середину мая. Наибольшие расходы воды редких обеспеченно-стей на р. Ададыме совпадают по срокам с максимумами на р. Чулыме.
Для решения задач по выделению зон подтопления методом численного моделирования использовался пакет программ MODFLOW [McDonald, Har-baugh, 2003; Lautz, Siegel 2006; Kim et al. 2008; Milzow, Kinzelbach, 2010], хорошо зарекомендовавший себя в многочисленных расчетах потоков воды в насыщенных грунтах. MODFLOW -трехмерная конечно-разностная модель движения подземных вод, которая позволяет моделировать как стационарную, так и нестационарную фильтрацию
грунтовых вод в напорном, безнапорном и напорно-безнапорном режимах. При решении поставленных задач учитываются такие показатели как осадки, испарение, дренированность территории, а также взаимодействие подземных вод с поверхностными водотоками. Уравнение движения подземных вод решается с использованием конечно-разностной аппроксимации. Область фильтрации делится на блоки, в которых свойства среды принимаются постоянными. В плане блоки располагаются в виде регулярной сетки с переменным шагом. Для расчета зон подтопления и водного баланса подземных вод изучаемой территории использовалась программа MODFLOW в средах моделирования Aquaveo GMS (Groundwater Modeling System) и Simcore PMWIN (Processing ModFlow).
Для решения поставленных задач в качестве исходных материалов использованы:
- цифровая модель рельефа (ЦМР);
- государственная геологическая карта территории М 1:200 000 и материалы к ней [Целыковский и др., 2009].
- учетные карточки буровых скважин, расположенных на территории города из архива Красноярского филиала фонда геологической информации по Сибирскому федеральному округу;
- результаты бурения инженерно-геологических скважин и опытно-фильтрационных работ.
С целью построения расчетной схемы, применительно к выбранному методу численного моделирования проведена схематизация гидрогеологических условий. Задача схематизации - выявить ведущие факторы движения потока подземных вод и обосновать второстепенные, которыми в данной задаче можно пренебречь. В соответствии с этим схематизации подлежат: геометрия пласта или отдельных его слоев в плане и разрезе, фильтрационные свойства грунтов, дополнительное инфильтраци-онное питание, характеристики потоков (мощность, направление, уклоны и т.д.), а также граничные и начальные условия [Максимов, 1979; Рекомендации..., 1983; Мироненко, 2001].
Результаты и их обсуждение
Схематизация гидрогеологических условий выполняется последовательным анализом гидродинамических особенностей потока с использованием критериев, позволяющих качественно и количественно оценивать допустимость предполагаемого упрощения.
Гидрогеологические условия территории исследований на изученную глубину 15,0 м (зона влияния на подтопление территории) характеризуются раз-
витием водоносного комплекса в верхнечетвертичных и современных аллювиальных отложениях. Водоносный комплекс четвертичных отложений приурочен к пойме и надпойменным террасам р. Чулым. Водовмещающими являются песчаные и гравийно-галечниковые отложения.
По характеру вмещающей среды подземные воды четвертичных отложений относятся к типу порово-пластовых. Водоносный горизонт безнапорный и на отдельных участках слабонапорный. Нижним водоупором являются элювиальные глины, алевролиты или мергели, вскрытые на глубинах от 7,2 до 12,8 м. Грунтовые воды в пределах исследуемой территории вскрыты бурением на глубине от 0,2 до 6,6 м, на отметках 233,0-243,9 м.
С удалением от реки глубина залегания уровня увеличивается. Общий по-
ток грунтовых вод направлен в сторону р. Чулым. Питание водоносный горизонт получает в основном за счет атмосферных осадков и гидравлической связи с поверхностными водами. Во время паводков происходит подпор грунтовых вод в прибрежной зоне р. Чулым.
Амплитуда сезонного колебания уровня грунтовых вод в течение года может достигать 2,0-2,5м. Разгрузка грунтовых вод происходит в речную долину в меженный период.
В результате анализа пространственной изменчивости частных показателей свойств грунтов, определенных лабораторными методами с учетом геологического строения и литологических особенностей в пределах границ города выделено 4 основных инженерно-геологических элемента (ИГЭ) (табл. 1).
Характеристики инженерно-геологических элементов Characteristics of engineering and geological elements
Таблица 1
Table 1
Инженерно-геологический элемент (ИГЭ) Минимальная мощность, м Максимальная мощность, м Коэффициент фильтрации, м/сут
Суглинок тяжелый пылеватый тугопластичный (аОпыу) 0,3 6,8 0,0017
Песок средней крупности водонасыщенный (аОпыу) 0,5 3,2 4,5
Гравийно-галечниковые отложения с песчаным заполнителем водонасыщенные (аОпыу) 1,0 11,8 19,1
Глина элювиальная полутвердая (еОп-ш), алевролит слабовыветрелый (12//), мергель выветрелый (Б1-2). 2,2 6,5 водоупор
При расчетах водных потоков во-довмещающие пласты схематизируются по трехслойной схеме в порядке сверху вниз:
слой 1 - «воздух» (вода, вышедшая на поверхность). Нижняя граница -дневная поверхность, верхняя - поверхность постоянной высоты, равной наивысшей отметке рельефа на территории моделирования;
слой 2 - покровные суглинки (ИГЭс), имеющие повсеместное распространение;
слой 3 - водонасыщенные пески и галечники, сведенные в один обобщенный слой (ИГЭв), нижняя граница которых совпадает с положением водоупора.
Мощность т (м) и коэффициент во-допроводимости Т (м2/сут) выделенных слоев по данным бурения и опытно-фильтрационных работ вычисляются как сумма соответственно мощностей и водопроводимостей ИГЭ, а коэффициент фильтрации к (м/сут) как частное рассчитанной водопроводимости и мощности слоя (табл. 2).
Таблица 2
Гидрогеологические параметры инженерно-геологических элементов Hydrogeological parameters of engineering-geological elements
Table 2
№ скважины Покровные суглинки (ИГЭс) Водонасыщенные пески и галечники (ИГЭв)
тс1 Тс kc тв Тв kB
1 6,8 0,0116 0,0017 1,0 19,1 19,1
2 1,8 0,0031 0,0017 6,5 116,9 18,0
3 1,2 0,0020 0,0017 5,7 108,9 19,1
4 1,3 0,0022 0,0017 7,8 149,0 19,1
5 - - - 9,8 187,2 19,1
6 0,9 0,0015 0,0017 10,4 198,6 19,1
7 2,5 0,0043 0,0017 5,5 105,1 19,1
8 0,3 0,0005 0,0017 7,9 104,2 13,2
9 1,4 0,0024 0,0017 5,8 88,9 15,3
10 0,5 0,0009 0,0017 11,8 225,4 19,1
11 2,3 0,0039 0,0017 6,8 113,8 16,7
12 4,0 0,0068 0,0017 5,3 72,0 13,6
13 6,1 0,0104 0,0017 5,4 90,0 16,7
14 0,5 0,0009 0,0017 9,0 171,9 19,1
15 1,5 0,0026 0,0017 9,2 175,7 19,1
минимальное 0,3 0,0005 0,0017 1,0 19,1 13,2
максимальное 6,8 0,0116 0,0017 11,8 225,4 19,1
среднее2 2,2 0,0038 0,0017 7,2 128,4 17,9
Примечания: 1 т-мощность слоя, м; Т-коэффициент водопроводимости, м2/сут; к-коэффициент фильтрации, м/сут; 2 средний коэффициент фильтрации грунтов определялся как частное сумм по всем скважинам коэффициента водопроводимости и мощности ксредн=2Т/Ет.
Таким образом, при математической постановке задачи водоносный комплекс долины р. Чулым схематизируется как набор пластов, ограниченный непроницаемым контуром, получающих питание за счет инфильтрации атмосферных осадков и притоков через границы.
Для водоносного комплекса (ИГЭв) приняты следующие средние расчетные параметры: мощность тв =7,2 м, коэффициент водопроводимости кв = 128,4 м2/сут, коэффициент фильтрации кв = 17,9 м/сут, коэффициент водоотдачи цв = 0,22. Покровные суглинки (ИГЭс) имеют следующие расчетные характеристики: мощность тс = 2,2 м, коэффициент фильтрации кс = 0,0017 м/сут.
Модуль инфильтрационного питания оценивается методом водного баланса [Крестовский, Постников, 1972]. При расчете методом водного баланса коэффициент поверхностного стока а (как отношение годового стока к осадкам) определен по данным наблюдений на гидропосте р. Ададым - г. Назарово (табл. 3). Величина коэффициента стока в среднем составляет 0,34, суммарное инфильтрационное питание - 318 м3/(сут*км2). Коэффициент фильтрации в вертикальном направлении принимается для всех слоев равным 0,1 от коэффициента фильтрации в горизонтальном направлении.
Для расчета положения уровня грунтовых вод строится трехмерная математическая модель заданного участка со стратиграфией пластов на основе данных бурения и рельефа местности.
С помощью численного решения уравнения фильтрации в зоне интенсивного водообмена проводится математическое моделирование по общепринятым в гидрогеологии методам [Гавич, 1980; Ломакин и др., 1988; Сологаев, 2002; Иванов, Арефьев, 2008; Kim et al., 2008; Мокиенко, 2012; Дьяконова и др., 2016; Bojun et al., 2018; Мусин, Храм-ченков, 2019].
Трехмерное движение грунтовых вод через пористую среду может быть описано уравнением в частных производных:
^ at ах Vх aj + ау('у ау) + az('z az) + W, где / - безразмерный коэффициент водоотдачи;
Т - коэффициент водопроводимости, м2/сут;
k - коэффициент фильтрации, м/сут; W - интенсивность инфильтрации на единицу площади, м/сут;
H - значение уровня грунтовых вод, м. В общем случае предполагается, что величины /, Tx,, Ty, TZ,, являются функциями пространства (x,y,z), а H и W, кроме того, и времени. Таким образом, уравнение описывает движение грунто-
вых вод в неустановившихся условиях в неоднородной и анизотропной среде.
Для решения уравнения дополнительно задаются начальное распределение напорной функции Н (х, у, 2) в водоносном пласте и краевые значения по границе расчетной области.
В качестве границ области выбраны урезы воды в реках, линии примыкания водоносных пластов к водоупорным породам, границы с естественными значениями уровней и напоров, остающиеся неизменными под влиянием различных искусственных факторов.
На участках границы задаются либо значения напоров (условие 1 -го рода), либо расходов (условие 2-го рода), а в случае граничного условия 3-го рода (границы несовершенных водоемов) -значения напора в водоеме и фильтрационное сопротивление.
Решение задачи ищется в области с
произвольной конфигурацией внешних и внутренних границ, с учетом неоднородности грунтов, а в случае безнапорного или напорно-безнапорного пласта коэффициент водопроводимости является еще и функцией напора, то есть Т=Т (х, у, 2, Н). При этом уравнение становится нелинейным, а также учитывается изменение функции Ж (х, у, 2, ^ как в пространстве, так и во времени.
Для решения уравнения используется конечно-разностная аппроксимация 2-го порядка точности пространственных производных и первого порядка точности по времени, образуя неявную схему, которая является наиболее устойчивой к ошибкам аппроксимации. Исходная пространственная сетка выбирается прямоугольной с неравномерным шагом. Каждый вертикальный слой соответствует геологическому слою с присущими ему характеристиками.
Таблица 3
Расчет годовой инфильтрации исследуемой территории
Table 3
Calculation of annual infiltration of the study area
Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Сумма
Осадки, мм 20 17 16 24 45 63 70 65 40 34 30 28 452
Поступление воды на поверхность Р, мм - - - 135 45 63 70 65 40 34 - - 452
Испарение Е, мм 4 4 8 22 51 67 60 43 30 16 7 4 316
Суммарное инфильтрационное питание (осадки минус испарение) 1=(Р-Е)(1-а), мм - - - 75 - - 7 15 7 12 - - 116
Определяются ячейки, не участвующие в расчете, остающиеся вне границы моделируемой области. Искомые функции находятся в геометрических центрах ячеек.
Исходная сетка отображается на реальную область, при этом расчетные элементы представляют собой прямоугольные в плане призмы с вертикальными боковыми гранями и скошенными основаниями. Высоты оснований изменяются линейно в зависимости от толщи водоносных слоев, значений х и у в центре призмы, а значения высоты 2к от положения нижней границы. Нумерация слоев идет от поверхности земли до подошвы водонасыщенной толщи. Таким образом, каждая расчетная ячейка является косоугольной.
Моделирование зон подтопления выполняется в границах города в отношении:
- территорий, прилегающих к зонам затопления при максимальных уровнях воды 1% обеспеченности зарегулированного стока р. Чулыма в нижнем бьефе гидроузла Назаровской ГРЭС;
- территорий, прилегающих к зонам затопления при максимальных уровнях воды 1% обеспеченности не зарегулированного стока р. Ададыма.
- территорий, прилегающих к водохранилищу Назаровской ГРЭС на р. Чулым, затапливаемых при уровнях
воды, соответствующих форсированному подпорному уровню воды водохранилища.
Граница моделирования в плане проведена по линии меженных урезов +15 - +20 м по высоте, область моделирования находится в основном в пределах распространения галечников (четвертичных отложений Q4) вдоль реки. Слой 2 при малой мощности суглинков объединяется со слоем 3 (пойма и террасы рек Чулым и Ададым), его фильтрационные характеристики предполагаются равными характеристикам слоя 3 (наиболее опасный вариант подтопления, при котором галечники не прикрыты кровлей суглинков). Это позволяет обеспечить более строгие требования к защите территории от подтопления.
Определяющим по основным фильтрационным характеристикам (распределение мощности слоя и характеристик фильтрации) является слой ИГЭв. Согласно данным откачек коэффициенты водопроводимости отложений на исследуемой территории меняются в пределах от 19,1 до 225,4 м2/сут (табл. 2).
Пространственная зависимость уровня грунтовых вод Итш на исследуемой территории определена по измеренным значениям уровня грунтовых вод (УГВ) в скважинах и измерениям уровня поверхностных вод в р. Чулым в период осенней межени.
Схематизация отметок подошвы слоя ИГЭв для всей территории моделирования основана на результатах инженерно-геологических изысканий.
Для долины р. Чулым схематизация подошвы слоя ИГЭв сделана исходя из имеющихся полевых и архивных данных по скважинам левого берега. Отметка подошвы водоносного комплекса достигает минимальных значений у реки и растет при удалении от неё. Характерный уклон поверхности подошвы при удалении от реки равен 0,003 м/м.
Для правого крутого берега и участка левого берега у плотины по результатам инженерно-геологических изысканий протяженность слоя галечника ограничена поймой реки. При моделировании принято постоянное значение отметки подошвы и мощности галечника при удалении от реки. Такое приближение сделано для минимизации ошибки определения границы подтопления.
Уклон подошвы водоносного пласта вдоль долины р. Чулыма не выражен. Отметка подошвы в пойме составляет в среднем 228,2 м. Средний коэффициент фильтрации водовмещающих отложений в исследуемой области долины р. Чулыма меняется в пределах 13,2-19,1 м/сут, и в среднем составляет 17,9 м/сут.
Паводок на р. Чулыме имеет значительную продолжительность (до нескольких месяцев), что может быть до-
статочно для вертикальной инфильтрации воды из слоя ИГЭв через слой ИГЭс при характерных значениях mc = 2,2 м, kc = 0,0017 м/сут (табл. 2).
Таким образом, особенностью моделирования процессов подтопления, источником которых является паводковый подъем воды в реке, является необходимость совместного учета процессов затопления и подтопления. Сложный рельеф поймы, высокая проницаемость почвогрунтов, составляющих область водообмена, даже при наличии защиты исследуемой территории от затопления, требует учета выклинивания грунтовых вод на поверхность в депрессиях рельефа, их переноса по пойме, дальнейшего затопления и подтопления ими соседних участков при связи естественных депрессий с руслами существующих проток и стариц. При моделировании данных процессов был использован подход, предложенный и апробированный в работе Milzow C. [Milzow, Kinzelbach, 2010], а также рядом других авторов [Montzka et al., 2008; Rodriguez et al., 2008]. Он заключается во введении при моделировании движения грунтовых вод с помощью уравнения Дарси дополнительного пласта выше поч-вогрунтов, описывающего распространение поверхностных вод, характеризующегося коэффициентом фильтрации 40 м/сек и коэффициентом водоотдачи,
меняющимся от 0,15 до 1,0 (в зависимости от ландшафта затапливаемой территории). В данной работе принято значение коэффициента водоотдачи равное 1,0. Такое дополнение в модели как показывают указанные авторы позволяет корректно описать взаимодействие между грунтовыми и поверхностными водами, как на затопленных территориях, так и на заболоченных участках. Введение этого слоя позволяет рассмотреть с необходимой точностью процесс перетекания выклинивающихся в депрессиях грунтовых вод, а также процесс медленного затопления пойменной территории при подъеме уровней реки, описываемой в этом случае как граничное условие первого рода. Характеристики затапливающего или подтапливающего водного потока (распределение уровней вдоль направления течения реки) при этом берутся из результатов расчетов внешней программы гидрологического моделирования (одномерной HEC GEORAS или двумерной Aquaveo SMS). В расчетах с добавочным слоем дополнительно к базовым программам используется модуль Modflow Wetting Capability.
Для слоя ИГЭВ на границе со склоном долины реки ставится граничное условие второго рода (приток на границе). На контуре границы, проходящей через русло реки перпендикулярно
направлению ее течения, ставится граничное условие нулевого потока. На территории области затопления в начальный момент времени (т.е., территории, занимаемой руслом) ставится граничное условие равенства напора УВВ, рассчитанным по модели затопления (используется модуль Modflow Time-Variant Specified-Head).
Для слоя «воздух» на контуре границы, проходящей через русло реки перпендикулярно направлению ее течения и границе со склоном долины реки ставится граничное условие нулевого потока. На территории области затопления в начальный момент времени (т.е., территории, занимаемой руслом) ставится граничное условие равенства напора УВВ, рассчитанным по модели затопления (используется модуль Mod-flow Time-Variant Specified-Head).
На границе слоев ИГЭв и «воздуха» в области затопления ставится условие непрерывности напора. Приток на верхней границе слоя ИГЭв задается через модуль Modflow Recharge. Коэффициент инфильтрационного питания, используемый в модуле (через параметр Recharge Flux=I) приведен в таблице 3.
Моделирование уровней грунтовых вод проводится в пределах годового периода с дискретностью от нескольких суток до декад для ситуаций наличия и отсутствия паводка высоких вод. В по-
следнем случае уровни воды р. Чулым и р. Ададым принимаются постоянными в течение года и равными минимальным уровням расчетного графика многоводного года.
Согласно приложению постановления Правительства Российской Федерации № 360 от 18.04.2014г. «Об определении границ зон затопления и подтопления» в границах зон подтопления определяются [Постановление...,
2014]:
а) территории сильного подтопления (при глубине залегания грунтовых вод менее 0,3 м);
б) территории умеренного подтопления (при глубине залегания грунтовых вод от 0,3-0,7 до 1,2-2,0 м от поверхности);
в) территории слабого подтопления (при глубине залегания грунтовых вод от 2,0 до 3,0 м).
Внутри периодов моделирования уровни воды рек считаются изменяющимися линейно по времени. При наличии паводка шаг моделирования в период основной паводочной волны (15 марта - 15 июня для р. Чулым, 12 апреля - 2 мая для р. Ададым) принимается равным суткам, в остальные периоды равным 10 суткам. В отсутствие павод-
ка шаг моделирования равен 10 суткам за весь период моделирования.
Расчетная поверхность максимальных уровней грунтовых вод Нп в год прохождения паводка 1% обеспеченности сравнивается с поверхностью максимальных уровней грунтовых вод в случае отсутствия паводка Но. Территория, где разница уровней Нп и Но не превышает 0,1 м не рассматривается при определении области подтопления, индуцированного рекой.
Графическое отображение границ зон подтопления, прилегающих к зонам затопления р. Чулым, р. Ададым в пределах территории города показано на рисунке 2. От качества типизации и схематизации гидрогеологических условий зависит достоверность построенной математической модели изучаемого объекта и выполненных на ней инженерных прогнозов по выделению зон подтопления городских территорий. Таким образом, определение границ зон затопления и прилегающим к ним зон подтопления это трудоемкая, многоуровневая задача, требующая в каждом случае индивидуального подхода к типизации и схематизации природных условий [Мироненко, 2001; Шестаков, 2009].
Рис. 2. Границы зон подтопления территории города, прилегающих к зонам затопления реками Чулым и Ададым при максимальных уровнях Fig. 2. The boundaries zones of the city of flooding by ground water adjacent to the flood zones b y the Chuly and Adadim rivers by maximum levels
Заключение
Моделирование дает возможность при изучении гидрогеологических объектов и составлении инженерных прогнозов полнее учитывать многообразие природной обстановки, оценивать влияние разнообразных факторов и процессов, повышать качество и достоверность получаемой при исследованиях информации, давать более обоснованные прогнозы условий работы инженерных со-
оружений и направленности гидрогеологических процессов и явлений, определять степень точности и достоверности других расчетных методов.
Следует особо отметить, что на гидрогеологической модели можно в короткие сроки изменить или добавить входные данные и получить обновленные прогнозные карты. Оперативность прогнозов весьма актуальна, учитывая динамику изменения гидрогеологиче-
ских условий на урбанизированных территориях.
Многие задачи, решаемые с помощью динамического гидрогеологического моделирования, могут послужить основой для дальнейшего развития си-
стемы экологического мониторинга региона, а результаты моделирования могут активно применяться коммунальными и аварийными службами, строительными и геологическими организациями [Белоусова и др., 2006].
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest. The authors declares that he has no conflict of interest.
Список литературы
1. Белоусова А.П., Гавич И.К., Лисенков А.Б., Попов Е.В. Экологическая гидрогеология. Москва: Академический пресс, 2006. 397 с.
2. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. Москва: Недра, 1980. 358 с.
3. Дьяконова Т.А., Хоперсков А.В., Храпов С.С. Компьютерное моделирование динамики затопления территорий в случае чрезвычайных ситуаций с использованием технологий параллельных вычислений // Кибернетика и программирование. 2016. № 3. С. 17-34. URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=18235 (дата обращения 25.06.2016).
4. Иванов Т.С., Арефьев Н.В. Разработка методики оптимизации защиты земель от затопления при строительстве гидроузлов с использованием ГИС-технологии // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. 2008.Т. 250. С. 56-61.
5. Крестовский О.И., Постников А.И. Испарение в период весеннего снеготаяния и половодья // Труды ГГИ. 1972. Вып. 194. С. 165-182.
6. Ломакин Е.А., Мироненко В.А., Шестаков В.М. Численное моделирование геофильтрации. Москва: Недра, 1988. 228 с.
7. Максимов В.М. Справочное руководство гидрогеолога. Ленинград: Недра, 1979. 512 с.
8. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. Москва: МГГУ, 2001. 509с.
9. Мокиенко В.И. Гидрогеологическое моделирование в системе мониторинга грунтовых вод городских агломераций // Сборник научных трудов SWorld. 2012. Т.48, № 4. С. 53-57. URL: http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/conference/the-content-of-
conferences/archives-of-individual-conferences/december-2012. pdf (дата обращения: 22.12.2019).
10. Мусин Р.Х., Храмченков М.Г. Введение в численное моделирование геофильтрации: учебно-методическое пособие. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2019. 41 с.
11. Постановления Правительства Российской Федерации № 360 от 18.04.2014 г. «Об определении границ зон затопления и подтопления» URL: http://government.ru/docs/all/91100/ (дата обращения: 11.11.2019).
12. Прогноз и предотвращение подтопления грунтовыми водами территорий при строительстве / Ред. С. К. Абрамова. Москва: Стройиздат, 1978. 177 с.
13. Рекомендации по методике оценки и прогноза гидрогеологических условий при подтоплении городских территорий. Москва: Стройиздат, 1983. 240 с.
14. Сологаев В.И. Фильтрационные расчеты и моделирование защиты от подтопления в городском строительстве. Омск: СибАДИ, 2002. 416 с. URL: https://docviewer.yandex.ru/view/330124077 pdf (дата обращения: 22.11.2019).
15. Целыковский А.Ф., Целыковский В.Ф., Гузаев А.А. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:200 000. Издание второе. Серия Енисейская. Лист О-46-XV - Лесосибирск. Объяснительная записка. Москва: МФ ВСЕГЕИ, 2009. 188 с.
16. Шестаков В. М. Гидрогеодинамика. Москва: КДУ, 2009. 368 с.
17. Bojun L., Jinliang Z., Libin Y., Siyu C., Dawei Z., Fusheng L. 2018. Regional Flood Risk Management Modeling and Application // MATEC Web of Conferences 246, 01024 (2018) ISWSO 2018. doi.org/10.1051/matecconf/201824601024
18. Kim N.W., Chung I.M, Kim N.W., Won Y.S., Arnold J.G. Development and application of the integrated SWAT-MODFLOW model // Journal of Hydrology. 2008.Vol. 214, №1. P. 179-196.
19. Lautz L.K., Siegel D.I. Modeling surface and ground water mixing in the hyporheic zone using MODFLOW and MT3D // Advances in Water Resources. 2006.Vol. 29(11). P. 1618-1633.
20. McDonald M.G., Harbaugh A.W. The History of MODFLOW // Ground Water. 2003.Vol. 41. № 2. P. 280-283. doi:10.1111 / j. 1745-6584. 2003.tb02591
21. Milzow C., Kinzelbach W. Accounting for subgrid scale topographic variations in flood propagation modeling using MODFLOW // Water Resour. Res. 2010. 46(10). https://doi:10.1029/2009WR008088
22. Montzka C., Canty M., Kunkel R., Menz G., Vereecken H., Wendland F. Modelling the water balance of a mesoscale catchment basin using remotely sensed land cover data // Journal of Hydrology. 2008. Vol. 353 (3-4). P. 322-334. doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.02.018
23. Rodriguez F., Andrieu H., Morena F. A distributed hydrological model for urbanized areas -Model development and application to case studies // Journal of Hydrology. 2008.Vol. 351 (3-4). P. 268-287. doi.org/10.1016/j.jhydrol.2007.12.007
References
1. Belousova A.P., Gavich I.K., Lisenkov A.B., Popov E.V. Ekologicheskaya gidroge-ologiya [Ecological hydrogeology]. Moskva: Akademicheskij press, 2006. 397 p. (in Russian).
2. Gavich I.K. Teoriya i praktika primeneniya modelirovaniya v gidrogeologii [The theory and practice of applying modeling in hydrogeology. Nedra, Moscow]. Moskva: Nedra, 1980. 358 p. (in Russian).
3. D'yakonova T.A., Hoperskov A.V., Hrapov S.S. Komp'yuternoe modelirovanie dina-miki zatopleniya territory v sluchae chrezvychajnyh situacij s ispol'zovaniem tekhnologij par-allel'nyh vychislenij [Computer modeling of the dynamics of flooding of territories in case of emergency using parallel computing technologies] // Kibernetika i programmirovanie [Cybernetics and programming]. 2016. № 3. P. 17-34. URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=18235 (accessed: 25.06.2016).
4. Ivanov T.S., Arefev N.V. Razrabotka metodiki optimizacii zashchity zemel' ot zatopleniya pri stroitel'stve gidrouzlov s ispol'zovaniem GIS-tekhnologii [Development of a methodology for optimizing land protection against flooding during the construction of hydroelectric facilities using GIS technology] // Izvestiya VNIIG im. B.E. Vedeneeva [News VNIIG them. B.E. Vedeneeva]. 2008.T. 250. P. 56-61. (in Russian).
5. Krestovskij O.I., Postnikov A.I. Isparenie v period vesennego snegotayaniya i polovod'ya [Evaporation during the period of spring snowmelt and flood] // Trudy GGI [Proceedings of the GGI]. 1972. no. 194. P. 165-182. (in Russian).
6. Lomakin E.A., V.A. Mironenko, V.M. Shestakov. Numerical modeling of geofiltration, Nedra, Moscow. 1988. 228 p. (in Russian)
7. Maksimov V.M. Spravochnoe rukovodstvo gidrogeologa [Reference manual of a hy-drogeologist]. Leningrad: Nedra, 1979. 512 p. (in Russian).
8. Mironenko V.A. Dinamika podzemnyh vod [Hydrodynamics of underground water].
Moskva: MGGU, 2001. 509 p. (in Russian).
9. Mokienko V.I. Gidrogeologicheskoe modelirovanie v sisteme monitoringa gruntovyh vod gorodskih aglomeracij [Hydrogeological modeling in the groundwater monitoring system of urban agglomerations] // Sbornik nauchnyh trudov SWorld [Collection of scientific papers SWorld]. 2012. T. 48, № 4. P. 53-57. URL: http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/con-ference/the-content-of-conferences/archi-ves-of-individual-conferences/december-2012. pdf (accessed: 22.12.2019) (in Russian).
10. Musin R.H., Hramchenkov M.G. Vvedenie v chislennoe modelirovanie geofil'tracii: uchebno-metodicheskoe posobie [Introduction to the numerical simulation of geofiltration: a teaching tool]. Kazan': Izd-vo Kazan. un-ta, 2019. 41 p. (in Russian).
11. Postanovleniya Pravitel'stva Rossijskoj Federacii № 360 ot 18.04.2014g. «Ob opre-delenii granic zon zatopleniya i podtopleniya» URL: http://government.ru/docs/all/91100/ (accessed: 11.11.2019) (in Russian).
12. Prognoz i predotvrashchenie podtopleniya gruntovymi vodami territorij pri stroitel'stve [Forecast and prevention of groundwater flooding of territories during construction] / Red. S. K. Abramova. Moskva: Strojizdat, 1978. 177 p. (in Russian).
13. Rekomendacii po metodike ocenki i prognoza gidrogeologicheskih uslovij pri podtoplenii gorodskih territorij [Recommendations on the methodology for assessing and forecasting hydrogeological conditions during flooding of urban areas]. Moskva: Strojizdat, 1983. 240 p. (in Russian).
14. Sologaev V.I. Fil'tracionnye raschety i modelirovanie zashchity ot podtopleniya v go-rodskom stroitel'stve [Filtration calculations and modeling of protection against flooding in urban construction]. Omsk: SibADI, 2002. 416 p. https://docviewer.yandex.ru/view/330124077 pdf (accessed: 22.11.2019).
15. Celykovskij A.F., Celykovskij V.F., Guzaev A.A. Gosudarstvennaya geologicheskaya karta Rossijskoj Federacii [State geological map of the Russian Federation]. Masshtab 1:200 000. Izdanie vtoroe. Seriya Enisejskaya. List O-46-XV - Lesosibirsk. Ob"yasnitel'naya zapiska. Moskva: MF VSEGEI, 2009. 188 p. (in Russian).
16. Shestakov V.M. Gidrogeodinamika [Hydrogeodynamics]. Moskva: KDU, 2009. 368 p. (in Russian).
17. Bojun L., Jinliang Z., Libin Y., Siyu C., Dawei Z., Fusheng L. 2018. Regional Flood Risk Management Modeling and Application // MATEC Web of Conferences 246, 01024 (2018) ISWSO 2018. doi. org/10.1051/matecconf/201824601024
18. Kim N.W., Chung I.M, Kim N.W., Won Y.S., Arnold J.G. Development and application of the integrated SWAT-MODFLOW model // Journal of Hydrology. 2008.Vol. 214, №1. P. 179-196.
19. Lautz L.K., Siegel D.I. Modeling surface and ground water mixing in the hyporheic zone using MODFLOW and MT3D // Advances in Water Resources. 2006.Vol. 29(11). P. 1618-1633.
20. McDonald M.G., Harbaugh A.W. The History of MODFLOW // Ground Water. 2003.Vol. 41. № 2. P. 280-283. doi:10.1111 / j. 1745-6584. 2003.tb02591
21. Milzow C., Kinzelbach W. Accounting for subgrid scale topographic variations in flood propagation modeling using MODFLOW // Water Resour. Res. 2010. 46(10). doi:10.1029/2009WR008088
22. Montzka C., Canty M., Kunkel R., Menz G., Vereecken H., Wendland F. Modelling the water balance of a mesoscale catchment basin using remotely sensed land cover data // Journal of Hydrology. 2008. Vol. 353 (3-4). P. 322-334. doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.02.018
23. Rodriguez F., Andrieu H., Morena F.A distributed hydrological model for urbanized areas - Model development and application to case studies // Journal of Hydrology. 2008.Vol. 351 (3-4). P. 268-287 https://doi.org/10.1016/jjhydrol.2007.12.007
ASSESSMENT OF HYDROGEOLOGICAL CONDITIONS WHEN DETERMINING AREAS OF FLOODING IN URBAN AREAS USING
NUMERICAL MODELS
S.G. Yakovchenko, V.I. Zanosova
LLC «Center for engineering technologies», Barnaul, E-mail: [email protected], [email protected]
Based on the studies carried out, a methodology for analysis and prediction of the risk of flooding by ground waters of urbanized areas has been developed, which integrates the tools of software products for modeling river flow hydraulics, groundwater filtration and GIS. The hydrogeological conditions of the research territory were schematized, the selection of the hydrogeological simulation environment was justified. Analysis and justification of parameters of quantitative assessment of leading factors offlooding by ground waters were carried out. Mathematical setting of the task was carried out and a numerical model of calculation of
the process of flooding groundwater of the territory was proposed. The model is based on the solution of two-dimensional filtration equations taking into account the geometry of the aquifer and the filtration characteristics of its rocks. The results of the computational experiment are given. The methodology of cartographic construction and assessment of flooding processes using digital relief models has been developed. As a result, electronic maps of specialized hydrogeological information have been obtained, allowing to carry out complex analysis of patterns of flooding by ground waters processes. As a result of the simulation, zones of different degree of flooding with groundwater have been identified. The practical significance of the work is to apply the results of the study to monitor and forecast the process offlooding by ground waters of urbanized areas.
Key words: flooding and flooding by ground waters of territories; hydrogeological sche-matization; modeling of underground water flows; numerical calculation model.
Received December 8, 2021
Сведения об авторах
Яковченко Спартак Геннадьевич - кандидат физико-математических наук, доктор технических наук, заместитель директора по науке ООО «Центра инженерных технологий». Россия, 656031, г. Барнаул, ул. Папанинцев, д. 129. E-mail: [email protected].
Заносова Валентина Ивановна - доктор сельскохозяйственных наук, доцент, научный консультант отдела геологии и гидрогеологии ООО «Центра инженерных технологий». Россия, 656031, г. Барнаул, ул. Папанинцев, д. 129. E-mail: [email protected].
Information about the authors
Yakovchenko Spartak. G. - PhD (candidate of physical and mathematical sciences, doctor of technical sciences), Deputy Director for Science LLC «Center for engineering technologies». 129, Papanintsev St., 656031 Barnaul, Russia. E-mail: [email protected].
Zanosova Valentina I. - PhD (doctor of agricultural sciences), Associate Professor, Scientific consultant division of geology and hydrogeology LLC «Center for engineering technologies». 129, Papanintsev St., 656031 Barnaul, Russia. E-mail: [email protected].
