3.3 Вивчення балансу і підземних вод

Баланс підземних вод - це співвідношення між їх надходженням (приходна частина) та витратою (витратна частина) в кількісному виразі (в мм шару води) на досліджуваній площі за визначений відрізок часу (період ).

Баланс підземних вод обумовлений впливом як природних (атмосферні опади, випаровування, транспірація рослинами, конденсація, поверхневий та підземний стоки) так і штучних факторів (меліорація, втрати води, підпір, дренаж і т.ін.).

Мета вивчення балансу підземних вод - виявлення і оцінка ведучих факторів формування їх режиму та оцінка природних і експлуатаційних ресурсів підземних вод.

Баланс підземних вод вивчається як для великих районів і цілих басейнів річок (в межах ключових балансових ділянок і репрезентативних басейнів), так і для окремих ділянок території (на водно-балансових майданчиках).

Режим і баланс підземних вод тісно пов’язані між собою, тому що вони характеризують єдиний процес формування підземних вод. Водний баланс передумовлює напрямок і характер режиму підземних вод, тому вивчення його елементів і виявлення основних ведучих показників надає підгрунтя для наукового пізнання і управління режимом підземних вод. В свою чергу, аналіз режиму підземних вод дозволяє виконувати кількісне визначення окремих елементів водного балансу (інфільтрації, випаровування, підземного стоку) і дає можливість виконувати більш обгрунтовані воднобалансові розрахунки.

Баланс підземних вод вивчається як для окремих ділянок території на спеціальних водно-балансових майданчиках, так і для великих районів і цілих басейнів річок у межах ключових балансових ділянок і репрезентативних басейнів.

В гідрогеологічній практиці водний баланс вивчається 2 групами методів: 1) гідродинамічного аналізу режиму підземних вод (з використанням аналітичних і кінцево-різницевих рішень диференціальних рівнянь) та 2) експериментальними (водно-балансовий і лізиметричний).

Метод гідродинамічного аналізу режиму підземних вод грунтується на застосуванні теорії несталого руху підземних вод до розрахунку головних елементів їх балансу за даними спостережень за режимом підземних вод. Метод всебічно враховує гідрогеологічні умови, дозволяє кількісно оцінювати інфільтрацію опадів, зрошувальних вод, що досягають рівня підземних вод, витрату останніх на сумарне випаровування і підземний стік, а також оцінювати необхідні гідрогеологічні параметри. Всі ці дані, що отримуються на спеціальних створах спостережу вальних свердловин, які закладаються на типових балансових ділянках (елементах потоку), використовуються при складанні прогнозів зміни режиму підземних вод під впливом господарської діяльності людини.

В узагальненому вигляді баланс підземних вод для елемента потоку площею F за час t визначається таким рівнянням:

,

де - водовіддача або нестача насичення порід; Q₁ , Q₂ - відповідно притік та відтік підземних вод в елементі потоку; W - величина живлення підземних вод (може бути додатною при інфільтрації атмосферних і поливних вод та від’ємною - за рахунок випаровування); W_gl- інтенсивність перетікання через підошву за рахунок водообміну з нижчезалягаючим водоносним горизонтом.

Всі елементи водного балансу (Q₁, Q₂, W і W_gl), що входять в рівняння, визначаються за допомогою даних про положення рівня води в свердловинах за відповідними формулами динаміки підземних вод (аналітичні або кінцево-різницеві рішення).

Експериментальні методи дозволяють визначати елементи водного балансу на типових за гідрогеологічними умовами балансових ділянках, з наступним їх перенесенням на всю площу, що вивчається.

При використанні водно-балансового методу всі елементи водного балансу, що входять в балансове рівняння визначаються експериментально за допомогою різноманітних приладів і дослідних установок незалежно один від одного.

Лізиметричний метод (від гр.“lysis”-розчинення +“metreo”-вимірюють) дозволяє визначати елементи водного балансу експериментально за допомогою спеціальних лізиметричних установок різних конструкцій.

Лізиметри з постійним рівнем грунтових вод дозволяють шляхом безпосереднього виміру визначати інфільтраційне живлення або сумарне випаровування, яке обумовлене сукупним впливом діючих факторів за розрахунковий відрізок часу. Ці величини відповідно визначаються за об’ємами води, що відбирається (зливається) або додається для підтримання в лізиметрі завданого постійного рівня води.

Лізиметри зі змінним в часі рівнем грунтових вод (рис.), що автоматично підтримується на висоті природного рівня, дозволяють визначати величини різності між притоком і відтоком грунтових вод в горизонтальному напрямку.

Комбінована установка обох типів лізиметрів і спостережу вальної свердловини на грунтові води, по якій визначають величину зміни рівня води H, надає можливість розраховувати водовіддачу або нестачу насичення порід  за формулою:

,

де всі величини визначаються експериментально.

Рис. Схема будови лізиметрів:

А - лізиметр з постійним рівнем грунтових вод; Б - лізиметр з безперервним регулюванням рівня грунтових вод;

1- доливна трубка;2 - спостережна трубка; 3 - піщана-гравійний фільтр; 4 - посудина Маріотта; 5 - зливний бак; 6 - посудина для вимірів інфільтрації до рівня грунтових вод

Існує багато методів прогнозу режиму підземних вод: гідродинамічні методи (Буссинеска-Майє, Форхгеймера), аналітичні методи, методи кінцевих різниць, їмовірно-статистичні методи, гідрометеорологічні методи, геліосиноптичний метод, автокореляційний метод, балансовий метод. Ці методи детально описані в 2 томі «Справочного руководства гідрогеолога» під редакцією В.М.Максимова.

Методичні рекомендації до виконання роботи

1. Дано:

- гідрогеологічні параметри свердловин згідно завдання;

- схема розташування свердловин.

2. Виконання: описати характеристику водозабору, розрахувати зниження рівня підземних вод водозабору, допустиме зниження рівня та радіус впливу водозабору за формулами; розрахувати зону санітарної охорони за формулами, нанести контури другого і третього поясів ЗСО на карту, описати правовий режим в межах першого, другого і третього поясів ЗСО.

Контрольні запитання