Ущерб речному стоку в районе приречных водозаборов

Под ущербом речному стоку понимается уменьшение расхода рек в зоне действия подземных водозаборов. Ущерб стоку рек наносится за счет таких процессов, связанных с эксплуатационным понижением уровней подземных вод:

а) частичная или полная инверсия естественной родниковой разгрузки подземных вод в днище речной долины; сток от очагов родниковой разгрузки происходит в реку и является одной из составляющих руслового баланса;

б) частичная или полная инверсия естественной русловой разгрузки подземных вод (в гидрологии эта компонента руслового баланса называется "подземным питанием реки");

в) непосредственное поглощение речного стока в виде привлекаемого потока.

На рис.7.7 приведена теоретическая модель формирования ущерба стоку реки. До работы водозабора профиль ее расхода представляет собой прямую линию, отвечающую постепенному равномерному приращению расхода реки вниз по течению за счет склонового стока и подземного питания. Уровень подземных вод под руслом располагается выше уровня воды в реке на величину. При наложении эксплуатационной депрессии напоров от работы водозабора в продольном профиле долины образуется несколько характерных зон:

1 - вне депрессионной воронки выше по течению,  - ненарушенный гидродинамический и гидрологический режим

2 - периферийная часть депрессионной воронки, - частичная инверсия подземного питания реки, появление ущерба речному стоку; однако, расход реки еще сохраняет приращение вниз по течению

3 - внутренняя часть депрессионной воронки, - полная инверсия подземного питания реки, поглощение речного стока в подпертом режиме, интенсивность поглощения возрастает вниз по течению; интенсивный ущерб речному стоку с явным уменьшением расхода реки

4, 5 - ближайшая к водозабору часть депрессионной воронки,  - полная инверсия подземного питания реки, поглощение речного стока в свободном режиме, интенсивность поглощения постоянная в пределах зоны; интенсивный ущерб речному стоку с явным уменьшением расхода реки

6 - в гидродинамическом смысле зеркально повторяет зону 3; величина ущерба стоку продолжает возрастать, однако интенсивность ее возрастания постепенно снижается к нижней по течению границе зоны

7 - в гидродинамическом смысле зеркально повторяет зону 2; ущерб стоку еще возрастает, но с затуханием интенсивности; расход реки постепенно начинает увеличиваться за счет частично восстанавливающегося подземного питания

8 - вне зоны депрессии напоров - ненарушенный гидродинамический режим; ущерб стоку реки достигает максимума на границе зон 7 и 8; сток реки имеет естественное приращение вниз по течению.

Несколько комментариев к рассмотренной картине:

- Минимальное значение расхода реки существует ниже по течению от створа водозабора, на выходе из зоны 6, т.е. на нижней границе участка формирования привлекаемого потока.

- Полученный рекой ущерб стоку в абсолютном значении наследуется вниз по течению до устья. Однако, его относительная величина вниз по течению уменьшается по мере естественного роста расхода реки.

Рис. 7.7. Локализация зон нанесения ущерба стоку реки при работе приречного водозабора

 Общая величина ущерба на рис.7.7 ?

В случае подпертого режима взаимодействия подземных и поверхностных вод величина ущерба равна дебиту водозабора за вычетом суммарной величины инверсируемой бессточной естественной разгрузки в области депрессии напоров. За этой, может быть, не сразу понятной формулировкой кроется достаточно простая вещь: приходящий в речную долину естественный поток подземных вод, сформированный за счет питания на междуречных областях питания, дренируется не только путем русловой разгрузки и/или родниками (с последующим стоком в реку), но и в какой-то (возможно, достаточно значительной) мере за счет эвапотранспирации на площади днища долины, где уровни располагаются близко от поверхности. Эта разгрузка имеет бессточный характер и не участвует в подземном питании реки. Инверсия ее при работе водозабора (на той части площади днища, где понижение напоров приводит к сокращению разных форм испарения) обеспечивает некоторую долю в балансе водоотбора, но не вызывает ущерба речному стоку.

При образовании значительной зоны свободного режима фильтрации под рекой формирование ущерба стоку несколько осложняется - в зависимости от сезонной динамики речного стока величина ущерба может быть больше или меньше дебита водозабора (с поправкой на инверсию бессточной разгрузки). Не детализируя это положение, заметим лишь, что оно вполне понятно даже на качественном уровне - поглощение речного стока в зоне отрыва не регулируется величиной понижения и, следовательно, дебита, а определяется только сопротивлением экрана и режимом уровня реки.

Следует различать локальный и региональный ущерб речному стоку. Под локальным надо понимать ущерб стоку конкретной реки непосредственно в зоне его нанесения, т.е. на площади эксплуатационной депрессии конкретного водозабора. Именно об этом мы говорим в этом разделе. Однако, если рассматривать в целом водный баланс региона, в который входит бассейн реки, то ущерб речному стоку окажется значительно меньше. Почему ? Потому что добываемая водозабором вода подается на нужды хозяйственно-питьевого водоснабжения и после применения по назначению в той или иной форме (через системы водоотведения, а также за счет потерь и утечек из водонесущих коммуникаций) возвращается либо в виде техногенного питания подземных вод, либо прямым стоком в гидросеть. В практике водохозяйственных расчетов доля возвратных вод достигает 80%, т.е. региональный ущерб речному стоку (за счет безвозвратных потерь - в основном, испарения) составляет не более 20% от водоотбора.  

В завершение этой темы: для чего нужны оценки локального ущерба речному стоку ?

Во-первых, такие оценки представляют собой обязательный элемент прогнозирования воздействия водоотбора на окружающую среду и являются, таким образом, одним из условий утверждения ЭЗ месторождения подземных вод.

Во-вторых, ущерб расходу реки означает и соответствующий УЩЕРБ ГЛУБИНЕ РЕКИ. Это, в свою очередь, означает, что по мере нанесения ущерба стоку реке количественно меняется условие 3 рода на контуре реки, т.к. меняется (понижается) уровень на границе . Недоучет этого обстоятельства может приводить к неопределенным погрешностям фильтрационного расчета со всеми вытекающими балансовыми последствиями. Однако, надо понимать, что этот вопрос имеет практическое значение лишь при сопоставимых величинах водоотбора и расходов рек.

Как прогнозировать ожидаемую величину ущерба речному стоку - во времени и по контурам гидросети, попадающим в область депрессии ?

1. Аналитические расчеты - как всегда, дают лишь упрощенную оценку. Для совершенной реки:

,

где a - коэффициент уровнепроводности, t - расчетный момент времени от начала работы водозабора, erfc - обозначение известной студентам специальной функции (дополнительный интеграл вероятности); Q0 - дебит водозабора с поправкой на инверсию бессточной разгрузки.

Расчет по этой формуле (есть и более сложные, учитывающие экранированность реки) дает только динамику ущерба во времени, но не по длине реки - будто бы весь ущерб наносится в одном створе реки.

2. Поэтому при явной необходимости учета пространственно-временных характеристик ущерба следует применять комбинированное моделирование взаимодействия подземных и поверхностных вод, смысл которого заключается в корректировке уровней рек в процессе решения в соответствии с текущей величиной ущерба речному стоку.

Алгоритм комбинированного расчета таков:

- на очередном шаге по времени расчет сетки напоров выполняется с учетом состояния граничного условия, полученного на конец предыдущего шага;

- при найденных значениях напора в каждом блоке, содержащем граничное условие 3 рода, вычисляется величина расхода взаимодействия пласта с рекой;

- после этого последовательно для всех "речных" блоков, начиная с самого верхнего по течению, вычисляется остаточный расход реки (путем алгебраического сложения с расходом взаимодействия в каждом блоке);

- затем для каждого блока вычисляется новая глубина реки, соответствующая остаточному расходу реки в этом блоке, и вычисляется разница  между начальной глубиной и текущей - это и есть искомое изменение уровня на границе  к концу расчетного временного шага;

- полученное значение вычитается из начального значения уровня на границе; можно делать следующий шаг, на котором трансграничный расход будет равен:

,

где Нрасч = Н (если сохраняется подпертый режим взаимодействия с рекой),

Нрасч = Н0 (если уровень опустился ниже отметки отрыва).

Видно, что трансграничный расход при наличии ущерба меньше, чем без него. Не исключается, что в отдельных блоках расчетная величина  окажется больше остаточного расхода реки - это означает, что произошел полный перехват стока реки на этом участке и, следовательно, на следующем временном шаге граничное условие в этом блоке должно быть исключено из расчета.

Как вычислить глубину реки, соответствующую известному ее расходу ? Есть разные подходы; один из наиболее простых (и потому - жизнеспособных) - применение формулы Шези, являющейся аналогом формулы Дарси применительно к поверхностным потокам и устанавливающей связь между расходом водотока, гидравлическими русловыми сопротивлениями и затратами энергии в потоке:

,

где С - коэффициент Шези (аналог коэффициента фильтрации),  - площадь поперечного сечения потока, R - гидравлический радиус (отношение площади поперечного сечения к длине смоченного периметра), I - уклон водной поверхности потока.

Полагая гидравлический радиус практически равным средней глубине реки  (что вполне допустимо для рек, глубины которых много меньше их ширины G ), можно считать:

,

что позволяет вычислять среднюю глубину реки в соответствии с известным расходом.

Коэффициент С может быть определен непосредственно с помощью полевых измерений, однако обычно его вычисляют через так называемый "коэффициент шероховатости" n, зависящий от характера русла, материала дна, наличия водной растительности и т.д. (принимается по таблицам из гидрологических справочников). Существуют разные эмпирические формулы связи C и n - наиболее известна, например, формула Мэннинга: .

На кафедре гидрогеологии МГУ почти 20 лет применяется программа комбинированного моделирования фильтрации (MCG, С.О.Гриневский), апробированная, в частности, при подсчете ЭЗ крупного приречного Пермиловского месторождения подземных вод (сумма эксплуатационных запасов около 320 тыс. куб.м/сут ≈ 4 куб.м/с, что приближается к суммарному речному стоку с контура месторождения). Другие пригодные к практическому использованию программы моделирования фильтрации с учетом ущерба расходам и глубинам поверхностных водотоков нам неизвестны.