Карта типов гидродинамической структуры и взаимодействий потоков подземных вод

ЭКОЛОГО-ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ

1.1. Назначение и основные принципы построения карты

Эта карта является одной из основных, поскольку на ее основе строится практически весь комплекс эколого-гидродинамических карт. Она в обобщенном виде характеризует:

1. геометрические размеры, форму и гидродинамическую структуру регионального потока подземных вод;
2. характер и строение водовмещающей среды;
3. условия и характер взаимосвязи потока подземных вод с поверхностью земли (для грунтовых потоков) и (или) со смежными горизонтами;
4. размеры, форму и характер взаимодействия локальных потоков.

Основными принципами построения карты являются:

1. обоснование границ потока, которые должны быть отражены на карте – эти границы должны быть значимыми для регионального потока и, как правило, совпадать с границами взаимодействующих с потоком ландшафтно-климатических и техногенных систем;
2. выбор достоверного сечения и метода построения изолиний и зон, отражающих особенности строения области фильтрации и ее гидродинамические характеристики, в соответствии с масштабом карты и принятым количеством исходных точек.

Названная карта является комплексной и совмещает: карту гидроизогипс (изопьез), изолиний глубин залегания уровня грунтовых вод (для грунтовых потоков), изолиний мощности разделяющих относительно водоупорных горизонтов (для двухслойных и многослойных потоков), типов взаимодействия грунтового потока с зоной аэрации и поверхностными водотоками. Исходной картой служит карта гидроизогипс, которая позволяет определить положение основных структурных элементов и оценить гидродинамические особенности потока. Тип гидродинамической структуры определяется характерной геометрической формой гидроизогипс и ортогональных к ним линий тока, показывающих направление латерального и локальных потоков подземных вод.

Карта дополняется гидродинамическими разрезами по характерным направлениям, на которых отражается линия поверхности земли, уровень грунтовых вод и (или) положение пьезометрической поверхности напорных вод, тип строения пород зоны аэрации, кровля и подошва разделяющих водоупоров, врезы рек и техногенных объектов.

После построения карты гидроизогипс (изопьез), других карт и разрезов, перечисленных выше, приступают к эколого-гидродинамическому анализу. Ход анализа может быть представлен в следующем виде:

• установление и картирование областей с различной конфигурацией и структурой потока;
• выделение площадей с принятыми типами гидродинамических ловушек;
• выделение участков потока с различной величиной напорного градиента;
• выделение локальных потоков;
• установление зон с различным типом гидродинамических взаимодействий грунтового потока с зоной аэрации.

1.2.Установление и картирование областей с различной структурой потока

При анализе структуры потока могут быть приняты следующие наиболее распространенные ее типы:

· плоскопараллельная;

· радиальная;

· перьевая.

Плоскопараллельная структура потока характеризуется равномерным чередованием гидроизогипс прямолинейной формы, поверхностный водоток является зоной транзита и может иметь все три типа гидродинамической связи с грунтовыми водами (прямую, капиллярно-инфильтрационную и инфильтрационную связь).

Радиальный (радиально-сходящийся и радиально-расходящийся) тип структуры связан с наличием локальных водораздельных зон, формирующихся на участках усиленного, в том числе и техногенного питания, например, под влиянием орошения и фильтрации воды из пересекающихся каналов и коллекторов с различной глубиной до уровня грунтовых вод по их дном. Форма изогипс в этом случае достаточно изометрична с соотношением ширины к длине потока не более, чем 1:3.

Перьевой тип структуры формируется в зоне линейно-вытянутых каналов и коллекторов, образующих сопряженные области соответственно питания и стока. Вследствие этого гидроизогипсы последовательно меняют свое направление по отношению к поверхностному водотоку. Создается линейно-вытянутое чередование изогипс с разным по знаку направлением движения к головной части канала и дрены. Отношение ширины к длине потока составляет более, чем 3-4 раза.

Зоны с однотипной структурой потока выделяются разными знаками, в качестве границ используют линии токов и напоров.

Два последних типа структур характеризуются своеобразным изменением градиентов потока, что приводит к формированию внутри этих структур особых участков, которые называются гидродинамическими ловушками.

1.3. Картирование гидродинамических ловушек

Под гидродинамической ловушкой понимают такой участок, где создаются гидродинамические условия, благоприятные для поступления, накопления и аккумуляции вещества, в том числе и загрязняющих компонентов, в потоке подземных вод. Такие условия создаются в следующих случаях:

· при резком уменьшении градиента потока на порядок и более;

· при смене направления движения на противоположное (скорость фильтрации равна нулю);

· при разветвлении потока на три и более составляющих;

· при смене латерального потока на вертикальный (или наоборот).

Местоположение таких участков устанавливается на основе анализа карты гидроизогипс, при котором обращается внимание на форму гидроизогипс и расстояние между смежными изолиниями, анализируется направление движения потока. С этой целью в соответствии с правилами построения гидродинамических сеток проводят раздельные линии напора и линии тока, выделяя зоны с одинаковой структурой потока. Затем в пределах каждой зоны выделяют участки с различными градиентом, числовое значение которого показывают на карте, и направлением потока.

В зависимости от типа взаимодействия с зоной аэрации все ловушки подразделяются на фильтрационные (мощность зоны аэрации не менее 5 м) и инфильтрационными (мощность зоны аэрации более 5 м).

В зависимости от места положения ловушек в поле гидродинамических структур потока они подразделяются на следующие типы:

· ложбина внутреннего латерального стока;

· подземный водораздел;

· седловина потока;

· полюс;

· мертвая зона.

Ложбина стока связана с радиально-сходящейся структурой потока и располагается во внутренней его части, где занимает плоское дно. Этот участок с минимальным уклоном является зоной аккумуляции вещества.

Подземный водораздел формируется под воздействием вертикального инфильтрационного потока, который идет через зону аэрации. Этот тип ловушки подразделяется на два подтипа – водораздельные плато и хребты. Их местонахождение зависит от геометрической формы и расположения объектов, формирующих вертикальные поток.

Водораздельное плато представляет собой плоский достаточно изометричный подземный водораздел, который формируется под массивами орошения, между крупными магистральными водотоками с инфильтрационной или капиллярно-инфильтрационной гидравлической связью с грунтовыми водами. Водораздельные плато встречаются как в перьевых, так и в радиальных структурах при различной глубине залегания уровня грунтовых вод. Они могут быть связаны как с природными (инфильтрация атмосферных осадков, инфильтрация сезонного поверхностного стока через дно оврагов и поверхностных водотоков при глубоком положении УГВ) так и с техногенными факторами (потери воды на городских и промышленных объектах).

Водораздельные хребты приурочены к линейно-вытянутым каналам или рекам, питающим грунтовые воды при значительной глубине их залегания от дна водотока.

Седловина потока образуется в местах слияния верховий нескольких элементарных радиальносходящихся и радиальнорасходящихся потоков и имеет относительно плоскую поверхность.

Полюс – это особая гидродинамическая точка потока. Здесь латеральная скорость потока равна нулю и существует только вертикальное движение вглубь потока.

Мертвая зона – это тоже особая гидродинамическая область, где наблюдается смена направления движения воды на противоположное. В результате формируется застойная область, где практически движение отсутствует. Такие зоны локализуются под питающими или дренирующими водотоками с высокой степенью гидродинамического несовершенства вреза их в подземный поток значительной мощности.

1.4. Картирование участков потока с различной величиной напорного градиента

Градиент потока является главной энергетической характеристикой влаго-и массопереноса, а характер его изменения по картируемой площади отражается картой изопьез. Для грунтовых вод пьезометрическая поверхность является общей границей, на которой происходит взаимосвязь двух потоков воды, вертикального и латерального, поэтому градиент латерального потока в обобщенном виде характеризует гидродинамическую обстановку, в которой осуществляется массоперенос вещества из ЗА в грунтовый поток и дальнейшее его движение по потоку.

При однородном строении пласта карта латеральных градиентов потока одновременно характеризует изменение скорости фильтрации v_ф и действительных скоростей u, с которыми осуществляется конвективный перенос загрязняющего вещества, т.к.:

v_ф = k·J u= v_ф/n_a

Отражение характера изменения этого показателя на карте производится выделением зон, в пределах которых вычисленный по карте гидроизогипс с учетом масштаба карты гидравлический градиент имеет значения, различающиеся в 1,5 и более раз.

1.5. Выделение локальных потоков

По карте гидроизогипс анализируют форму регионального потока, определяют местоположение его основных внешних областей питания и разгрузки. На этом фоне выделяют потоки, которые формируются под влиянием воздействием локальных источников питания природного и техногенного происхождения. Они могут иметь иную направленность, другие градиенты по сравнению с региональным потоком и часто приводят к изменению структуры потока и определяют положение ловушек. Локальные потоки могут видоизменяться во времени, что может свидетельствовать о нестабильности гидродинамической ситуации. На карте локальные потоки выделяются гидродинамической сеткой, в которой линии тока показываются другим знаком, чтобы отличить их от направления регионального потока.

1.6. Установление типов гидродинамических взаимодействий грунтового потока с зоной аэрации

Под гидродинамическим взаимодействием грунтового потока с вертикальными потоками, поступающими из зоны аэрации на его поверхность, понимается совокупный процесс вертикального водообмена с атмосферной влагой, почвой, растительностью и поверхностными водотоками. Этот процесс протекает в определенной инфильтрационной обстановке, формирующейся под воздействием совокупности факторов:

· состав и проницаемость пород зоны аэрации;

· мощность зоны аэрации (глубина залегания УГВ);

· водно-физические свойства и естественная влажность пород зоны аэрации;

· поле скоростей горизонтального потока, определяющее интенсивность отвода вертикальных потоков, поступающих из зоны аэрации;

Выделение типов гидродинамических взаимодействий предопределяет те гидродинамические и гидрогеохимические процессы и обстановки, в которых протекает процесс массопереноса вещества с поверхности земли через зону аэрации, его поступление к поверхности грунтовых вод и транспортировку латеральным потоком. Возможный механизм и обстановка массопереноса зависят также от того, каким образом – непосредственно или опосредованно – связаны латеральный и вертикальный потоки.

Картирование типов гидродинамических взаимодействий вертикального и горизонтального потоков ведется в следующей последовательности:

1. на карту гидроизогипс выносятся границы зон глубин залегания УГВ, соответствующие градациям: менее 5 м; от 5 до 10 м; более 10 м;
2. в соответствии с этими градациями устанавливается следующая классификация типов взаимодействий:

· гидравлический тип - при мощности зоны аэрации менее 5 м- характеризуется сезонной направленностью, чуткой реакцией на интенсивность поступления влаги с поверхности, преимущественно гидравлической (при влажности, близкой полной влагоемкости) или капиллярно-гидравлической (при влажности более максимальной молекулярной влагоемкости) формой влагопереноса и наиболее вероятным конвективным массопереносом; этот тип связи возникает, если русло поверхностного водотока прорезает или вскрывает верхнюю часть потока подземных вод или дно водотока находится на глубине менее 5 м от уровня грунтовых вод; все воздействия – естественные и техногенные – быстро передаются от поверхностного водотока к подземным водам, поэтому при схематизации гидрогеологических условий проходящие в этой зоне поверхностные водотоки могут рассматриваться как ГУ первого рода;

· капиллярно-инфильтрационный тип – при мощности зоны аэрации (ЗА) от 5 до 10 м - характеризуется капиллярно-пленочным и капиллярно-гравитационным влагопереносом, конвективным и дисперсионным массопереносом; в зависимости от динамики процессов влагопереноса в этих зонах могут со временем появиться участки с высокой степенью экологического риска;

· инфильтрационный тип – при мощности ЗА более 10 м – характеризуется слабой зависимостью движения влаги от количества воды, поступающей в данное время на поверхность земли, поэтому с экологических позиций этот тип связи является наименее опасным.

1. указанные в п. 2 типы взаимодействий наносятся на карту специальным знаком;
2. аналогичные участки гидродинамической связи с грунтовыми водами специальным выделяются по длине поверхностных водотоков путем сопоставления средних отметок уровня воды в водотоке, глубины воды в нем и глубины залегания УГВ вблизи водотока