Основные тенденции в формировании режима подземных вод

Структура режима обычно включает в себя три компонента, кото­рые совместно проявляются в сезонном и многолетнем ходе измене­ния уровня: тренд, периодическая и случайная составляющие.

Трендом называется монотонное изменение уровня на протяже­нии значительного периода времени. Тренд с относительно высоким темпом формируется обычно под влиянием техногенных факторов. Менее интенсивное проявление тренда возможно под воздействием естественных факторов, связанных с многовековой цикличностью природных процессов, подчиняющихся солнечной активности. Так как ограниченные периоды наблюдений за режимом подземных вод (продолжительностью 30-50 лет) оказываются существенно меньши­ми, чем длительность вековых циклов природных процессов, фик­сируемая нами часть этого длительного цикла воспринимается как монотонные последовательные изменения показателей режима.

Тренд может быть линейным и нелинейным. Проявление линей­ного тренда, как это видно из уравнения, свидетельствует о не­изменности действия режимообразующих факторов, т.е. правая часть уравнения не меняется, и ∆Н/At = const. Тренд будет положительным при постоянном преобладании положительных составляющих баланса, и отрицательным - в случае преобладания его расходных элементов.

Проявление периодических колебаний уровня связано с сезонными или многолетними изменениями режимообразующих факторов, так что их алгебраическая сумма меняет свой знак. В этом случае опре­деленные периоды времени характеризуются положительным балан­сом подземных вод и ∆H/∆t>0, происходит подъем уровней. В после­дующий период баланс подземных вод оказывается отрицательным, т.е. расходные статьи водного баланса преобладают над приходными, следовательно, AH/At<0, и происходит снижение уровня подземных вод. Обычно проявляется сезонная и многолетняя периодичность, об­условленная сезонной активностью Солнца и ее 11-летним циклом.

Случайное, или катастрофическое, изменение уровней под­земных вод связано с многообразием процессов, которые относятся к числу стохастических - их очень трудно изучить и практически невозможно предсказать. К числу таких процессов можно отнести выпадение катастрофически большого количества осадков, сопрово­ждающееся увеличением инфильтрационного питания и подпором в реках, либо длительные засухи, приводящие к противоположному эффекту. Возникающие при этом изменения уровня не являются зако­номерными, хотя и происходят в полном соответствии с уравнением. Случайная составляющая служит мерой нашего незнания при­родных процессов.

Таким образом, любой длительный ряд наблюдений за уровнем подземных вод может быть представлен в виде

где Н_тр (t) - тренд, H_пр(t) - периодическая составляющая, ɛ - случайная составляющая.

Выделяют естественный и нарушенный типы режима. Естествен­ный режим определяется преимущественным влиянием климата и гидрологии. Эти факторы проявляются в виде периодической и слу­чайной составляющих режима уровней, изучение которых связано с использованием стохастических моделей. В формировании нарушен­ного режима ведущую роль играют техногенные воздействия, имею­щие в основном детерминированный характер (водоотбор, орошение и т.п.). Поэтому нарушенный режим изучают с применением аналити­ческих уравнений или моделирования.

В начале исследований для выявления типа режима применяют комплекс вероятностно-статистических методов: трендовый анализ, гармонический, регрессионный анализы, автокорреляция. В результа­те этого выделяют основные компоненты режима; тренд, периодиче­скую и случайную составляющие, определяют степень связи режима подземных вод с климатическими и гидрологическими факторами, а также связь режима изменения уровней на разных участках изучаемой территории, в разных водоносных горизонтах. Эти методы позволяют выполнить районирование территории по особенностям режима, вы­явить степень нарушенности естественного режима техногенными воздействиями. Для естественного режима характерно преобладание периодической и случайной составляющей, для нарушенного - трен­да. Большая изменчивость естественного режима уровней характерна для грунтовых вод. Эти воды подвержены прямому воздействию ме­теорологических и гидрологических факторов. Условия формирова­ния режима уровней связаны с различной расчлененностью рельефа, глубиной эрозионного вреза рек, естественной дренированностью территории. Важным фактором, определяющим режим уровней, яв­ляется также состав пород, слагающих зону аэрации и водоносный горизонт, глубина до уровня воды. В трещиноватых и закарстованных породах колебания уровней характеризуются большими амплитудами (до 10 м).

Основными типами режима грунтовых потоков являются водораз­дельный и прибрежный.

Водораздельный (междуречный) тип режима характерен для тер­риторий, удаленных от крупных поверхностных водотоков. Здесь раз­виты потоки, которые схематизируются как неограниченные в плане с параллельным во времени перемещением поверхности грунтовых вод. Основными режимообразующими факторами являются инфиль­трация атмосферных осадков и отток подземных вод, как латераль­ный по пласту, так и нисходящая фильтрация в нижезалегающие во­доносные горизонты. При малых глубинах залегания воды одним из основных режимообразующих факторов становится испарение.

Наибольшая интенсивность инфильтрации характерна для пери­ода весеннего снеготаяния, в летне-осенний период инфильтраци- онное питание практически полностью расходуется на испарение, в зимний период зона аэрации промерзает.

В долинах крупных и средних рек, имеющих хорошую гидрав­лическую связь с грунтовыми водами, развит прибрежный (терра­совый) тип режима уровней. Эти потоки схематизируются в виде полуограниченных в плане. Основными режимообразующими фак­торами здесь являются приток-отток, положение уровня подземных вод преимущественно зависит от сезонных колебаний уровня в реке. Область распространения прибрежного типа режима ограничена про­никновением изменения уровня, вызванных паводком на реке, вглубь берега. Величина этого проникновения зависит главным образом от уровнепроводности пласта и при типичных для грунтовых вод значе­ниях а=500-3000 м²/сут составляет 400-1200 м.

Напорные воды, изолированные вышезалегающими водоупорны­ми пластами, характеризуются меньшей изменчивостью положения уровней. Здесь могут практически не наблюдаться сезонные колеба­ния, но более отчетливо фиксируются многолетние колебания и тренд.