CC BY
72
ISSN 2313-2159 (print) ISSN 2409-9864(online)
Dniprop. Univer.bulletin. Geology, geography., 26(1), 227-234.
doi: 10.15421/111823
G. P. Yevgrashkina, T. P. Mokrickaja,
V. K. Marchenko, K.S. Lomova Dniprop. Univer. bulletin, Geology, geography., 26(1), 227-234.
Прогноз уроненного режима подземных вод оползнеопасных участков (на примере г. Днипро)
Г. П. Евграшкина, Т. П. Мокрицкая, В. К. Марченко, К.С. Ломова
Днепровский национальный университет имени Олеся Гончара, Днепр, Украина, e-mail: marchenlo_lera@icloud. com
Анотащя. Прогноз уровенного режима подземных вод - важная и обязатель-Received 30.0L2018 ная составляющая комплекса полевых, лабораторных и научных исследова-
Received in revisedform 04.02.2018 ний для обоснования оптимальных природоохранных мероприятий гидроге-Accepted 15.02.2018 ологической направленности. Классический гидрогеологический прогноз
включает решение всех видов фильтрационных задач в соответствии с их классификацией: прямые, инверсные, обратные, индуктивные и обобщенные. Вначале решаются обратная и инверсная задачи. Их результат - обоснование расчетной схемы, определение граничных условий и фильтрационных параметров. На втором этапе рассматриваются варианты индуктивных задач для выбора уравнений, описывающих исследуемые процессы, и соответствующих им аналитических и численных решений, наиболее достоверных в исследуемых условиях. Адекватность выбранного решения реальным условиям подтверждается результатами эпигнозного расчёта путем сопоставления его с режимными наблюдениями. На основе выполнения всех названных действий обоснованно доказано, что для прогноза уровен-ного режима оползнеопасных территорий, примыкающих к балкам, оптимальными в методическом и научном аспектах признаны две схемы - предельного или максимального подъёма и полуплоскость в полуограниченном пласте. Здесь рассматриваются участки, схематизированные по первой схеме. Исследования завершаются решением прямой задачи - определения величины подъема уровня с учетом испарения с их поверхности. Рассмотрены также аварийные ситуации с образованием и растеканием техногенных бугров.
Ключевые слова: гидрогеологический прогноз, граничные условия, достоверность, адекватность, эпигноз, прямая задача, режимные наблюдения
Forecast of the level regime of groundwater in landslide areas (on the example the city of the Dnipro)
G. P. Yevgrashkina, T. P. Mokrickaja, V. K. Marchenko, K.S.Lomova
Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine, e-mail: marchenlo_lera@icloud. com
Abstract. The forecast of the groundwater regime is an important and compulsory component of a complex of field, laboratory and scientific studies to justify the optimal nature protection measures of hydrogeological orientation. The classical hydrogeological forecast includes the solution of all types of filtration problems in accordance with their classification: direct, inverse, inverse, inductive and generalized. First, the inverse and direct problems are solved. Their result is the justification of the design scheme, the definition of boundary conditions and filtration parameters. In the second stage, we consider variants of inductive problems for the choice of equations describing the processes under study and the corresponding analytical and numerical solutions that are most reliable under the conditions under study. The adequacy of the chosen solution to the real conditions is confirmed by the results of the epicopic calculation by comparing it with the observational observations. On the basis of the implementation of all the above-mentioned actions, it was reasonably proved that for the forecast of the level regime of landslide-dangerous territories adjacent to the beams, the optimal in the methodical and scientific aspects was recognized as two schemes - limit or maximum lift and a half-plane in a semi-bounded bed. Here we consider the sections schematized according to the first scheme. The investigations are completed by solving the direct problem of determining the amount of rise in the level with allowance for evaporation from their surface. Also considered are emergency situations with the formation and spreading of man-made hillocks. The methods of determining the value of infiltration supply are described in the present paper for solving the problems without limitations in the presence of regime-based observations. These methods are well-coordinated with each other, confirming their high reliability. The amount of infiltration feed in all areas adjacent to the territories of the Yevpatoriskaya, Tunelnaya, Krasnopolyanskaya and Krasnopovstancheskaya alleys indicates a steady but very slow rise in the level of groundwater. For the first time, two-dimensional nonlinear equations that take into account the filtration
Geology • Geography
Dnipro university bulletin
Journal home page: geology-dnu-dp.ua
anisotropy in finite-difference form are used to determine the value of infiltration nutrition. There are no similar publications in the modern scientific physiotherapist, and previous authors use more simple methods. In determining the magnitude of evaporation for the city of Dnipro, a plot of the dependence of evaporation from the depth of the occurrence of groundwater level was constructed.
Keywords: hydrogeological forecast, boundary conditions, reliability, adequacy, epignosis, direct problem, regime observations
Введение. Известно, что в последние годы город Днипро несет значительные убытки в связи с активизацией оползневых процессов (National report on the state of technogenic and natural safety in Ukraine in 2014, 2014). Природные факторы активизации связаны с обильным выпадением осадков в условиях повышенной эрозионной опасности территорий (Capparelli & Versace, 2014). Антропогенные причины развития оползневых процессов связаны с нерациональной застройкой, частичным или полным засорением балок и строительством в них различных объектов, нарушением работы систем водопровода и канализации, а также неконтролируемым размещением промышленных и бытовых отходов (Kovrov, 2015). Наиболее оползнепасной является территория правобережья р. Днепр, где сосредоточены 15 крупных балок и более 20 оврагов (Zuska, 2006). Собственно, это и выбрано основной проблемой представленного исследования, что определяет его актуальность как в чисто гидрогеологическом, инженерно-геологическом, так и в прикладном аспекте.
Цель исследований - создание современной методики прогноза уровенного режима на оползне-опасных участках городских территорий с ов-раго-балочными формами рельефа. Гидрогеологический прогноз - это всегда многовариантные комплексные исследования изменения режима подземных вод во времени и пространстве под влиянием естественных и техногенных факторов. Настоящее исследование является продолжением ранее выполненных определений инфи-льтрационного питания (инверсная задача) (Evgrashkina, Mokritskaja, & МагсЬепко, 2017). Здесь основное внимание уделено решению прямых задач - определению подъема уровня грунтовых вод для четырех оползнеопасных участков, которые названы по граничным условиям - балкам Краснополянская, Евпаторийская, Туннельная и Красноповстанческая. Для этих объектов рассмотрены также аварийные ситуации прорыва сетей водоснабжения или сброса с образованием техногенных бугров и их растеканием. Методы, объекты, результаты. Первый объект исследований - балка Краснополянская (рис. 1)
Рис. 1. Балка Краснополянская (г. Днипро)
Верхняя часть разреза, которая содержит грунтовые воды, сложена суглинками с коэффициентами фильтрации 0,057 - 0,19 м/сут. В таких породах, согласно предпосылке Мятиева - Гиринс-кого, движение подземных вод происходит преимущественно по вертикали. Горизонтальная составляющая настолько мала, что ею можно пренебречь. Здесь правомерным для определения величины подъема уровня грунтовых вод будет использование аналитической формулы предельного подъема (Zhemov, Soldak, Kushh, & Gryza, 1972):
Для однозначного выбора расчетной зависимости решаем индуктивную задачу, выполняя расчет по более сложной формуле:
£ =
гц
t(l-2i2erfcQ'
(2)
Она представляет собой конечно - разностную аппроксимацию уравнения:
±(т—) + £= —
дх ( дх2) £ ^ дх'
(3)
A J £t
Ah = —
ц
(1)
где 1\к - величина подъема уровня грунтовых вод, м;
t - срок прогнозного расчета, сут.; / - коэффициент недостатка насыщения, д.
ед.
и учитывает фильтрационную анизотропию и боковое растекание. Результаты расчета по формулам (1) и (2) оказались одинаковыми, поэтому в дальнейших исследованиях отдаётся предпочтение формуле (1) как более простой и менее трудоёмкой. Для склоновой части балки при наличии водного потока математически корректно подходит схема «полуплоскость в полуограниченном пласте» (Rudakov, 1970). Второй объект исследований - балка Евпаторийская (рис. 2).
Рис. 2. Балка Евпаторийская (г. Днипро)
Объект расположен в южной части города на склоне правого берега реки Днепр. Многолетние режимные наблюдения по трем скважинам использованы для определения величины инфильтра-ционного питания (статья), которые изменяются в пределах (1 - 27,7) • 10-5 м/сут. для положительных значений и (0,3 - 23,7) • 10-5 м/сут. для отрицательных. Среднемноголетнее значение величины е - положительное и равно 1,7 • 10-5 м/сут., что обеспечивает очень медленный подъем уровня грунтовых вод до глубины, при которой е равно и, испарению с поверхности грунтовых вод. Формула подъема уровня с учетом расхода на их испарение имеет вид:
где и - испарение с уровня грунтовых вод, м/сут. Остальные обозначения приведены выше. Для определения величины и выполнен расчет и построен график и = ) (рис. 3).
Третий объект исследований балка Крас-ноповстанческая, расположен между балками Туннельная и Запорожская (рис. 4).
Четвертый объект исследований, балка Туннельная, расположен между двумя предыдущими (рис. 5).
U * 10-5 м сут
0 20 40 ® SO 100 120 140 160 180 200 220
Рис. 3. График зависимости испарения от глубины залегания уровня грунтовых вод
Рис. 4. Балка Красноповстанческая (г. Днипро)
Рис. 5. Балка Туннельная (г. Днипро)
Для балок Туннельная и Красноповста-нческая, как и для территории балки Краснопо-лянская выполнены аналогичные исследования для определения величины подъема уровня грунтовых вод с учетом испарения с их поверхности. Результаты представлены в таблице 1.
Прогноз изменения уровня грунтовых вод при аварийной ситуации. Постановка задачи такая: случился прорыв системы водоснабжения или сброса - бытового или промышлен-
Таблица 1 .Исходные данные и результаты расчета
ного. Зона аэрации заполняется водой до поверхности земли и образуется бугор. В это же время происходит растекание бугра на прилежащую территорию, но значительно медленнее, чем его образование, поэтому на стадии возникновения одновременным растеканием можно пренебречь. Во всех расчетах растекания бугра выходят из предпосылки, что он «образовался мгновенно». Задаче в такой постановке отвечает схема бугор - полоса (рис. 6):
№ п/п Название объекта исследований Среднемноголетняя величина инфильтрационного питания 8, м/сут. Скорость подъема уровня грунтовых вод, м/год Глубина УГВ от поверхности земли, м Глубина, при которой е = и
1 Балка Краснополянская 2,3 ■ 10-5 0,57 3,0 1,45
2 Балка Евпаторийская 1,7 ■ 10-5 0,57 6,5 1,51
3 Балка Красноповстанческая 1,2 ■ 10-5 0,54 2,49 1,5
4 Балка Туннельная 0,4 ■ 10-5 0,36 12,4 1,65
G. P. Yevgrashkina, T. P. Mokrickaja,
V. K. Marchenko, K.S. Lomova Dniprop. Univer. bulletin, Geology, geography., 26(1), 227-234.
к
0
-1 >—
Рис. 6. Расчетная схема бугор - полоса
Ah = 0,5 • Ah6 • (erf( - ег'*х),
( =
х+b
*х =
2 Vat'
(5)
(6)
(7)
В уравнениях (5) - (7) приняты такие обозначения:
1\к - высота остаточного бугра через промежуток времени t, сут.;
Ahб- высота бугра, который образовался, м; а - величина уровнепроводимости, м2/сут.; х- расстояние расчетной точки от начала координат, м;
Ь - половина ширины полосы инфильтрации 20 м.
По условию на четырех участках, которые прилегают к территориям балок Евпаторийская, Туннельная, Красноповстанческая и Краснополянская, произошла аварийная ситуация -повреждена труба. Из-за повреждения образовался бугор и необходимо рассчитать, за какое время он полностью исчезнет, а глубина снова дойдет до исходной отметки.
Пример рассчетов приведен для территории, прилегающей к балке Евпаторийская. Исходные данные
j = 6 м; b = 20 м;
t = 5 сут.; k = 0,012 м/сут.; m = 18,5 м; fi= 0,008.
т
а = -, ц
Т = к •т.
(8)
(9)
В формулах (8) - (9) приведены такие обозначения:
Т - водопроводимость, м2/сут.; / - коэффициент водоотдачи, д. ед.; k - коэффициент фильтрации, м/сут.; т - мощность водоносного горизонта, м. По формуле (9) рассчитано:
Через 5 сут. высота остаточного бугра в центре, где х = 0 м, будет равна по формулам (5 - 9):
0+20 с ( = , ■ = 0,85,
' 2^24,4 •6 '
-0,85,
2^24,4 •6 '
АН = 0,5 • 6 • (0,7706 - (-0,7706) = 4,62 м.
Аналогично рассчитываем высоту остаточного бугра через каждые 5 м, результаты расчетов приведены в таблице 2
G. Р. Yevgrashkma, Т. Р. Мокпск^а, V. К. МагсИепко, К.S. Lomova
Таблица 2. Последовательность расчета растекания бугра
х, м м & ефх п еф
0 4,627 502 -0,85 106 -0,77 125 0,851 064 0,77 125
5 4,502 556 -0,6 383 -0,63 331 1,06 383 0,867 543
10 4,145 018 -0,42 553 -0,45 269 1,276 596 0,928 985
15 3,603 978 -0,21 277 -0,23 651 1,489 362 0,96 482
20 2,95 177 0 0 1,702 128 0,983 923
25 2,270 177 0,212 766 0,236 507 1,914 894 0,993 232
30 1,634 072 0,425 532 0,452 688 2,12 766 0,997 379
35 1,097 272 0,638 298 0,633 309 2,340 426 0,999 067
40 0,685 333 0,851 064 0,77 125 2,553 191 0,999 695
45 0,397 097 1,06 383 0,867 543 2,765 957 0,999 908
50 0,21 297 1,276 596 0,928 985 2,978 723 0,999 975
При помощи полученных результатов можно сделать вывод, что высота бугра на расстоянии 50 м от центра будет равна 0,2 м (рис. 7).
5
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 П ч
0
-55 -45 -35 -25 -15 Рис. 7. Бугор на территории балки Евпаторийская
-5
15
25
35
45
55
Для расчета промежутка времени, через которое бугор полностью исчезнет используем формулы (5 — 9), при этом считаем, что t = 3 650 сут:
0+20 ппос
( = , — = 0,035,
2—27,7 -3650 0-20
= -0,035,
2-27,7 •3650
ДЛ = 0,5 • 6 • (0,0314 - (-0,0314) = 0,2 м.
Исходя из расчетов, приведенных выше, можно сделать вывод, что на территории балки Евпаторийская бугор высотой 6 м полностью исчезнет более чем через 10 лет. На рисунке 8 можно увидеть тенденцию растекания бугра через 5 сут., 1, 5 и 10 лет.
5
5 4,5 4 i I
3,5 3 3 2,51 1 2 .,5 1 0,5 0
— • i i -1— Г*'*"-1 I'
-1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 — — — 5 дiб ......... 1 piK — '
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 5 роюв ^ 10 роюв х' м
Рис. 8. Прогноз растекания бугра на территории балки Евпаторийская
Аналогичные расчеты проведены для территорий, прилегающих к балкам Туннельная, Красно-повстанческая и Краснополянская. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что бугор на территориях балок Тунельная и Красно-повстанческая полностью исчезнет через 10 лет, а на территории балки Краснополянская - уже через 5 лет.
Выводы: 1. Для прогноза уровенного режима на исследуемых территориях целесообразно использовать формулу предельного подъема, модернизированную с учетом поправки на испарение с уровня для различных глубин залегания. 2. Последствия аварийных ситуаций самоустраняются в течение 5 - 10 лет.
Библиографические ссылки
Capparelli G., 2014. Versace P. Analysis of landslide triggering conditions in the Sarno area using a physically based model. Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 3225-3237, 2014 www.hydrol-earth-syst-sci.net/18/3225/2014/ doi:10.5194/hess-18-3225-2014
EvgraskinaG. P., MokritskajaT. P., MarchenkoV. K. 2017. Opredelenie infiltratsionnogo pitaniya pod-zemnyih vod analiticheskimi I chislennyimi metodami[Determination of infiltration nutrition of groundwater by analytical and numerical methods]. Visn. Dnipropetr. Univ. Ser. Geol. Ge-ogr., Vol. 25, № 2. 146 - 150(in Russian). Kovrov O.S., 2013. Otsinka vplivu hydrogeologichnnyh harakterystyk gruntyv na stykist prirodnyh
shyliv dlya prognozu zsuviv. Ekologichna bezpeka. № 1/2013(15)/ S.72-76 [Evaluation of the influence of soil hydrgeolog-ical properties on stability natural slopes for the forevasting landslides.Environment safety. № 1/2013(15)/ P.72-76] (in Ukrainian).
Natsionalna dopovid pro stan tehnogennoi ta prirodnoi bezpeki v Ukraini u 2014 rotsi [Elektronniy resurs]. Rezim dostupu:
http://www.dsns.gov.ua/files/prognoz/re-port/2014/ND_2014.pdf - K: Ministerstvo ndzvichaynih situatsiy Ukrainy, K., 2014. - 365 s.). National report about technogen and environment safety in Ukraine [internetresourse] Made of access
http://www.dsns.gov.ua/files/prognoz/re-port/2014/ND_2014.pdf - K., 2014. - 365 p. (in Ukrainian).
Rudakov V. K. 1970.Metody prognoznyh raschetov vlija-nija oroshenija na rezhim gruntovyh vod [Methods for predicting the effect of irrigation on the groundwater regime]. Hydrogeological forecasts in connection with land irrigation and wather supply. Dnipro. (in Russian).
Zhernov I. Je., Soldak A. G., Kushh P. Ju., Gryza O. O. 1972. Melioratyvna gidrogeologija [Meliorative gidrogeologiya]. Vyshha shkola, Kyiv (in Ukra-nian).
Zuska A.V., 2006. Vplyv geometrii parametriv masivu na zsuvni procesi v misti Dnipropetrovsku. Visnyk ZhDTU. 2006. № 1 (36). S137-146 [The influence of the geometry of the array parameters on landslides in the city of Dnepropetrovsk.News of ZSTU. 2006. № 1 (36). P.137-146] (in Ukrainian).
