Гидрогеологический мониторинг на участках береговых водозаборов (методические рекомендации)
В. М. Шестаков, С. А. Брусиловский
Настоящие методические рекомендации составлены в развитие документа [1] применительно к условиям береговых водозаборов и используют общие принципы гидрогеоэкологического мониторинга, представленные в работе [2]. Мониторинг подземных вод на территориях береговых водозаборов может рассматриваться, как наиболее типичный случай водно-ресурсного мониторинга, целенаправленного на обоснование рационального использования ресурсов подземных вод. Такой мониторинг представляет собой систему проведения наблюдений и сбора информации для оценки состояния и прогнозирования изменений в системе водоотбора применительно к решению задач управления работой водозаборов подземных вод, исходя из водохозяйственных требований.
Анализ материалов мониторинга подземных вод на ряде объектов централизованного водоснабжения показывает, что методика его проведения должна быть тесно связана с гидрогеологическими условиями на территориях водозаборов. С этой точки зрения представляет первостепенный интерес условия береговых водозаборов, имеющих широкое распространение и развитую систему мониторинга. Береговые водозаборыподземных вод располагаются на берегах рек (водохранилищ) в эксплуатируемых горизонтах подземных вод и в плане обычно состоят из рядов водозаборных скважин (ВС) вдоль берега реки (водохранилищ). Основную балансовую часть у таких водозаборов составляет приток со стороны реки (водохранилищ).
Мониторинг на территории водозаборов подземных вод включает проведение регулярных наблюдений и специальных прогностических обследований.
Регулярные наблюдения (РН) проводятся для регулярного слежения за состоянием водозаборных скважин и качеством добываемой воды. Ведение КЗ организуется водопользователем с участием СЭС. Сроки проведения РН определяются утверждаемым регламентом. Особое внимание к проведению РН проявляется при наличии явного ухудшения условий водоотбора (аварийное снижение производительности или превышение загрязнения по показателям ПДК).
Специальные обследования проводятся для прогностического обоснования оптимизации работы водозаборов с учетом улучшения качество отбираемой воды, в частности, для переоценки эксплуатационных запасов подземных вод на участке водозабора. Специальное обследование организуется водопользователем с привлечением специализируюшихся в этом направлении организаций федерального уровня согласно стратегической программы использования подземных вод для водоснабжения. Как правило, для научного сопровождения специальных прогностических обследований следует привлекать специализированные научные подразделения.
Сроки проведения специальных обследований устанавливается согласно планированию работ по оптимизации работы водозабора. На этапе пуска водозабора проводятся первоначальное прогностическое обследование, на основании которого должно быть проверено реальное соответствие производительности водозабора утвержденным эксплуатационным запасам.
В рамках мониторинга могут проводится наблюдения, направленные на решение проблем влияние водоотбора на окружающую среду, - такие наблюдения следует проводить с участием геоэкологов, специализирующимися на решении такого рода работ. Особые обследования проводятся также при работах по регенерации водозаборных скважин с задачей оценки эффективности этих работ. Гидрогеологический мониторинг включает гидрогеодинамические и гидрогеохимические наблюдения. При их постановке ниже конкретно рассматриваются наиболее характерные для средней полосы России условия постоянно действующих равнинных рек и не учитываются особенности условий на территориях многолетней мерзлоты.
Гидрогеодинамические наблюдения
Гидрогеодинамические РН направлены на слежение за стабильностью работы водозабора и включают синхронные замеры уровней и расходов воды в ВС, а также уровней воды в реке. При постановке гидрогеодинамических наблюдений следует иметь в виду, что наибольшее влияние на производительность береговых водозаборов обычно оказывают сопротивления ложа водотока (водоема), включая связанную с ним величину отрыва уровней потока под водотоком, а для скважин в песчаных водоносных пластах так же и скин - эффект, определяющий потери напора в прискважинной зоне ВС.
Прогностические обследования на участках береговых водозаборов согласно принципу модельной ориентированности [2] должны быть, главным образом, направлены на оценку параметров геофильтрационной схемы, используемой для расчетов водозаборов.
Пространственная структура (дизайн) расположения наблюдательных скважин (НС) устанавливается, исходя из требований проведения последующей интерпретации данных наблюдений с учетом возможности диагностической оценки согласования условий наблюдений используемой расчетной схеме. Решение этой задачи требует творческого подхода, при реализации которого следует исходить из принципа соответствия дизайна сети НС структуре потока подземных вод, зависящей от особенностей профильной и плановой деформации потока, а также от пластового строения потока. Представления о структуре потока устанавливаются на основании тестового геофильтрационного моделирования.
В качестве примера рассмотрим типичные условия потока на участке берегового водозабора, состоящего из рядов водозаборных скважин (ВС), располагаемых вдоль берега реки в однопластовом потоке. В этом случае в основной части поток обычно может считаться плановым, имеющим генеральное направление от берега реки к ряду ВС, с зоной профильной деформации в ложе реки и примыкающей к ней области потока.
Как основной расчетный случай обычно рассматривается при этом условия стационарного режима потока, соответствующие меженнему уровню воды в реке. В этом случае к основным геофильтрационным параметрам в условиях однопластового строения потока грунтовых вод относятся проводимость потока с характеристикой распределения проницаемости по его глубине, параметры сопротивления ложа реки, а также расчетный радиус водозаборных скважин, характеризующий их прискважинное сопротивление (скин-эффект).
В таких условиях следует устанавливать НС по створам нормальным к линиям водозабора, избегая мест искривления контура уреза водоема (рис.1). Между водозабором и рекой в створе должны располагаться, как минимум, две НС. Для полноты представлений о потоке целесообразно в этом створе добавлять еще одну НС, имея в виду, что это позволяет провести не только определение параметров, но и диагностику стационарности режима потока, которая может нарушаться из-за неконтролируемых изменений водоотбора [3]. Для малых и средних рек следует также иметь НС на противоположном от водозабора береге реки (НС0 на рис.1). Ближайшую к реке НС рекомендуется отодвигать от уреза реки за пределы зоны профильной деформации потока, которая при сравнительно однородном строении потока (при отсутствии глинистых прослоев внутри потока) имеет размер порядка мощности потока.
При наличии двух рядов ВС к наблюдательному створу добавляются НС между рядами. Продолжение створа НС за пределы рядов ВС обусловливается необходимостью учета потока к рядам ВС с береговой стороны, а также для оценки влияния водоотбора на окружающую территорию.
Заложение фильтровой части НС при однородном строении водоносного пласта по глубине можно ограничивать, устанавливая их с некоторым заглублением в водоносный пласт. При наличии в водоносном пласте глинистых слоев следует задавать глубину заложения НС с учетом возможности разделения напоров потока внутри пласта, особенно для ближайшей к реке НС.
Береговые водозаборы, располагаемые в первом от поверхности горизонте напорных вод, обычно состоят из ряда водозаборных скважин, установленных в этом горизонте вдоль берега реки. В этом случае для определения расчетных геофильтрационных параметров,- к которым кроме проводимости водоносных пластов добавляется коэффициенты перетока разделяющих пластов, - в рамках мониторинга может быть рекомендована схема расположения НС, показанное в разрезе на рис. 2,-здесь система НС состоит из двух пар НС, располагаемых по берегам реки в верхнем пласте, и створа из двух НС в нижнем пласте. Аналогические схемы расположения НС - с уменьшением их количества по глубине - рекомендуются при водоотборе из двух напорных пластов.
В составе наблюдательного створа обязательно должен быть водомерный пост, позволяющий замерять режим уровней воды в реке. Стационарные гидрометрические створы, на которых также определяется расход воды в реке, оборудуются - согласно рекомендациям [1] - выше и ниже по течению реки в тех случаях, когда водоотбор соизмерим с меженним расходом реки, чтобы иметь возможность оценить по данным гидрометрических наблюдений вызываемый водоотбором ущерб поверхностному стоку.
Устройство водозаборных скважин должно позволять регулярно проводить замеры динамических уровней вместе с замерами дебита ВС, которые должны использоваться для оценки параметров скин-эффекта, нередко определяющих реальную производительность ВС. Замеры дебитов ВС производятся водомерами или расходомерами, а при их отсутствии для приближенной оценки расходов водоотбора используются данные по времени работы насоса и расходу электроэнергии.
Количество наблюдательных створов и их расположение вдоль водозаборного ряда обусловливается неоднородностью гидролого-геологических условий и неравномерностью водоотбора. При этом целесообразно для изучения неравномерности влияния сопротивления ложа реки предусматривать задание одиночных НС вдоль реки, согласовывая их положение с особенностями строения русловых отложений. Специальный дизайн НС принимается для замеров восполнения запасов грунтовых вод при затоплении поймы в паводок.
Важным вопросом для прогнозирования предельно возможного водоотбора на участке берегового водозабора является установление уровня отрыва, при котором осуществляется переход под рекой от подпертой фильтрации к свободной. Для определения этого уровня можно по-видимому использовать проведение этажных пьезометрических замеров в русле реки, хотя практического обоснования такое решение пока не имеет.
При наличии на участке водозабора инфильтрационных бассейнов, осуществляющих искусственное пополнение запасов грунтовых вод, в дизайн системы наблюдений включаются НС, расположенные вблизи бассейна, а также устройства для замеров расходов воды в бассейне.
Решающее значение для повышения достоверности исходных данных имеет правильный выбор режима проведения наблюдений.
Исходя из того, что расчетными для берегового водозабора обычно являются периоды стационарного уровенного режима, а нарушения стационарности могут быть связаны с переменным режимом уровней реки и водоотбора, можно рекомендовать на участках береговых водозаборов проведение замеров уровней воды в НС в отдельные сезоны года, имея при этом в виду, что особый интерес представляют материалы зимних наблюдений, когда гидрогеодинамическая обстановка в районе водозабора обычно оказывается менее благоприятной. При этом наблюдение за уровнями воды в НС следует проводить циклами в несколько замеров с первичным анализом стационарности потока, фиксируя режим водоотбора в ближайших к наблюдательному створу ВС.
В водозаборных скважинах, удаленных от наблюдательного створа, замеры динамических уровней и дебита водоотбора следует проводить в особом режиме с целью определения изменчивости удельного дебита ВС при <старении> ВС. Вместе с тем, как правило, нецелесообразно проводить изучение нестационарного режима при остановке и включении работы водоотбора, поскольку данные такого режима плохо интерпретируются из-за существенных осложнений в расчетной схеме нестационарного процесса.
Режимные наблюдения в период паводка дают существенную информацию о паводочном восполнении запасов грунтовых вод, а также позволяют оценить изменения параметров связи грунтовых вод с рекой и с напорными водами. В такой период замеры уровней воды в реке и в НС должны делаться с частотой, обеспечивающий непрерывность их изменений во времени. Как правило, такие наблюдения должны быть ориентированы на модельную интерпретацию данных наблюдений, методика которой не редко требует особого научно-методического обоснования. Перед замерами нестационарного режима НС следует опробовать путем проведения экспресс-наливов для оценки гидродинамической инерционности НС (см. приложение 1).
Интерпретация данных гидрогеодинамических наблюдений проводится для определения геофильтрационных параметров путем решения обратных задач эпигнозного моделирования.
В сравнительно простых условиях - при расположении рядов ВС в однопластовом потоке вдоль реки (рис. 1) - могут использоваться аналитические решения, позволяющие получить параметры T, ΔL и величину скин-эффекта применительно к схеме одномерного планового стационарного потока. Дальнейшие расчеты проводятся с учетом планового характера потока, обусловленного влиянием неравномерности распределения водоотбора и плановой конфигурации границ потока, используя компьютерное моделирование по существующих программам;- в частности, на практике используется программа MODFLOW с автоматизированным определением параметров по программе PEST [3]. При этом в области акватории реки (водохранилища) задается перетекание с расчетным параметром перетока А0, связанным с параметром ΔL определенным соотношением.
При расположении водозабора в напорных пластах решение обратных задач существенно осложняется из-за планово-пространственной структуры потока и необходимостью дополнительного определения проводимостей водоносных пластов и коэффициентов перетока разделяющих пластов. В этом случае решение обратной задачи следует проводить путем компьютерного моделирования потока в системе взаимодействующих водоносных пластов с целенаправленным подбором параметров. В плане проведения такого вычислительного эксперимента основное внимание следует уделять определению параметров разделяющих пластов и ложа водотока, задавая параметры проводимости водоносных пластов по данным опытных опробований, проведенных на стадии разведочных работ.