Исследование влияния Северо-Крымского канала на подтопление прилегающих территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(14), 2014 г., [66-77]

Исследование влияния Северо-Крымского канала на подтопление прилегающих территорий

Целью исследования является разработка теоретико-экспериментального метода оценки влияния водоемов и каналов на подтопление прилегающих территорий. Проведенные экспериментальные исследования показали тесную связь заполнения весной Северо-Крымского канала с ростом пьезометрических напоров в первом от поверхности водоносном горизонте, что существенно влияет на подтопление ПГТ Каланчак с окрестностями. Предложена двумерная математическая модель распространения напоров в плиоценовом водоносном горизонте с использованием уравнения Гельмгольца.

Рассмотрены методы идентификации параметров уравнения и краевых условий на основе натурных исследований, измерений напоров в наблюдательных скважинах. Решение краевой задачи осуществляется численным методом последовательной верхней релаксации в прямоугольнике. Получена трехмерная напорная поверхность влияния участка Северо-Крымского канала на подтопление ПГТ Каланчак с окрестностями, что позволило комплексно оценить влияние канала, определить управляющие воздействия и разработать меры для минимизации фильтрации и снижения напоров. В частности рекомендуется реконструкция участка канала, модернизация систем комбинированного (совместно вертикального и горизонтального) дренажа, строительство новых самоизливающихся скважин вдоль русла р. Каланчак. Для уменьшения инфильтрации рекомендуется применять водосберегающие режимы орошения, прогрессивные способы полива земель с выбором адекватных источников воды для орошения.

Экспериментальные исследования показали, что причинами подтопления на юге Украины являются как природные, так и антропогенные факторы, которые способствуют увеличению пьезометрического напора водоносного горизонта [1-3].

Исследованиями приморских территорий междуречья Днепр-Молочная, где расположена территория ПГТ Каланчак (Херсонская область), выделена особая в гидрогеологическом отношении зона устойчивого подтопления [1], в которой уровень грунтовых вод во многом зависит от напорного питания с плиоценового водоносного горизонта. По данным Каховской гидрогеолого-мелиоративной экспедиции (КГГМЭ) [1] и наших исследований [2, 3] расширение площадей подтопленных земель имеет тесную связь с ростом напоров первого от поверхности водоносного горизонта в песках плиоцена [1].

Ставится задача на основе теоретико-экспериментальных исследований разработать метод математического моделирования процессов распространения напоров в первом водоносном горизонте, что позволит оценить влияние фильтрации из необлицованной части Северо-Крымского канала (СКК) и водоема оз. Щучье на подтопление ПГТ Каланчак и его окрестностей. Математическое моделирование распространения напоров с учетом комплексной оценки ситуации на объекте дает возможность разработать управляющие воздействия, мероприятия по реконструкции дренажных систем, а также технические решения по модернизации систем защиты от подтопления ПГТ Каланчак и прилегающих территорий.

Состояние объекта. Фильтрация воды в плиоценовый горизонт происходит из необлицованной части СКК (рисунок 1, выделена красным пунктиром) и водоема оз. Щучье. Водоем оз. Щучье имеет площадь около 0,7 км2, среднюю глубину 1,5-2 м, заполняется водой в апреле после пуска СКК и используется для самотечной подачи воды в Чаплынский магистральный канал. После завершения поливного сезона весь «мертвый объем» воды, равный 1,1 млн м3, к середине января инфильтрируется (просачивается) в грунт и фильтруется на пополнение плиоценового водоносного горизонта. Это указывает на то, что в весенне-летний период, когда оз. Щучье непрерывно пополняется водой из СКК, из него постоянно происходит существенная вертикальная фильтрация воды в водоносный горизонт.

Методология теоретико-экспериментального обоснования влияния СКК на подтопление ПГТ Каланчак. Предлагаемый нами методологический подход базируется на экспериментальных натурных исследованиях напоров водоносного горизонта на прилегающих территориях после весеннего пуска СКК. Инструментарием теоретико-экспериментального исследования является математическая модель распространения напоров, использующая данные натурных наблюдений. Допущение о влиянии пьезометрического напора на поднятие УГВ подтверждается данными наших исследований увеличения напоров плиоценового водоносного горизонта в парных наблюдательных скважинах № 142, 142` (рисунки 1, 2), наблюдательной сети Каховской ГГМЭ.

Анализ динамики УГВ в четвертичном горизонте в указанных скважинах (142а, 142а`) показывает, что УГВ незначительно снижается (рисунок 2) [2]. Это объясняется тем, что на юге Украины в весенне-летний период нарастает дефицит водного баланса в расчетном слое почвы - суммарное испарение существенно превышает поступление воды от выпадения осадков. Нарастающий дефицит лишь частично компенсируется поливами. Увеличение дефицита приводит к существенному снижению фильтрации в плиоценовый горизонт. Эта тенденция должна была бы приводить к снижению напора в плиоценовом горизонте, однако экспериментальные измерения пьезометрического напора в наблюдательных скважинах 142, 142` (рисунки 1, 2) показали его увеличение в весенне-летний период. Увеличение напоров водоносного горизонта объясняется только тем, что после пуска СКК в конце марта происходит существенная фильтрация воды в этот горизонт из наполненного водоема и необлицованной части канала.

канал подтопление экспериментальный

Рисунок 1. Схема участка для исследования влияния СКК на подтопление окрестностей ПГТ Каланчак

Рисунок 2. Динамика (в абсолютных отметках) снижения уровней грунтовых вод в четвертичном горизонте (142а, 142а`) и увеличения напоров в плиоценовом водоносном горизонте (142, 142`) в 2009 году

Проведенные экспериментальные изыскания нуждаются в проведении теоретических исследований процессов фильтрации из водоемов и необлицованных каналов на основе адекватных теоретико-эмпирических математических моделей. Исходя из этого, возникла необходимость математического моделирования напорного питания для обоснования управленческих решений по инженерной защите территорий ПГТ Каланчак.

В результате изучения геологических разрезов скважин вертикального дренажа установлена двухслойная однопластовая физическая фильтрационная модель (рисунок 3, в). Толща отложений верхнего слоя 6-19 м до первого водоносного горизонта состоит в основном из средних суглинков, лессоподобных суглинков и опесчаненных глин c небольшими коэффициентами фильтрации. Фильтрация из оз. Щучье в водоносный горизонт происходит так, что скорость движения направлена поперек напластования - по вертикали (рисунок 3, а). При этом приведенная скорость и приведенный коэффициент фильтрации определяются формулами [4]:

, , ,

канал подтопление экспериментальный

где - эквивалентная или приведенная длина, м;

, ,…, - коэффициенты фильтрации слоев грунта, м/сут;

- напор воды над верхним слоем, м;

- напор воды под нижним слоем, м;

, ,…, - толщина слоев, м.

Результаты исследований. В основу моделирования фильтрации вдоль напластования слоев грунта (рисунок 3, б) положена одномерная по оси (рисунок 1) модель распространения напора в водоносном горизонте [4]:

, ,

где - фоновое значение напора при отсутствии влияния СКК, м;

- параметр, характеризующий скорость снижения напора вдоль оси (определяется экспериментально).

Рисунок 3. Расчетные модели фильтрации

Из общего решения этого уравнения:

при условии конечности напора при из равенства (1) получим . Тогда:

Используя значения напоров в точке , определим в уравнении (2) .

В основу идентификации теоретико-эмпирических математических моделей положены полученные авторами данные натурных наблюдений напоров в скважинах №142, 142` наблюдательной сети Каховской ГГМЭ (рисунок 2). Для идентификации параметра выберем дополнительную точку (наблюдательная скважина 142`) с координатами и напором . Она находится на расстоянии от канала м. Тогда из уравнения (2)

находим:

,

где - измеряемый напор в скважине № 142` с координатой , м;

- измеряемое значение напора в точке (уровень воды в водоеме), м;

- фоновое значение напора, м.

При определении параметра в разные моменты времени использовались данные измерений напора (рисунок 2) в измерительной скважине № 142`. Полученные по формуле (4) значения данного параметра на определенные даты измерений в течение трех месяцев? , , ) позволили рассчитать напоры по одномерной модели (5) вдоль напластования слоев грунта (таблица 1). Расчеты показывают, что после пуска СКК 30.03.2009 года уже в течение месяца (по состоянию на 28.04.2009 г.) в плиоценовом водоносном горизонте устанавливается квазистационарное распределение напора по оси , которое лишь незначительно возрастает во времени (по состоянию на 29.05.2009 г. и на 22.07.2009 г.).

Таблица 1.Расчет распространения напоров от СКК до ПГТ Каланчак в одномерном случае на разные моменты времени

канал подтопление экспериментальный

Для моделирования распространения напорного питания (пьезометрического напора) в водоносном горизонте, который расположен на водонепроницаемых киммерийских глинах, разработана двухмерная теоретико-эмпирическая модель в виде системы:

Модель описывает изменение напоров в плоскости

В данной краевой задаче в дифференциальном уравнении Гельмгольца [4, 5] - искомая функция напора, м, - значения напоров на границе области, м, - некоторое установившееся значение напора при отсутствии влияния фильтрации; параметр определяется по формуле (4).

Дискретизация области и разностная аппроксимация уравнения (5) позволили получить численное решение итерационным методом последовательной верхней релаксации [5] в прямоугольнике (рисунок 1). Напорную поверхность (рисунок 4) получают в результате решения уравнения (5) как квазистационарную поверхность в разные моменты времени с учетом фиксированных напоров в скважинах № 142 и № 142`, измеренных в эти моменты времени.

Рисунок 4. Распределение напоров в области моделирования (окрестности ПГТ Каланчак)

Как показали исследования, поверхность напоров водоносного горизонта после пуска СКК уже в течение месяца приобретает квазистационарный характер и постоянно влияет на подтопление прилегающих территорий. Это требует принятия организационных мероприятий и инженерных решений по уменьшению фильтрационных потерь и оптимизации водоотведения.

Предлагается соединить Чаплынский магистральный канал с СКК при помощи трубопровода или отсыпать две дамбы через оз. Щучье, которое следует держать сухим. Тем самым исключаются потери воды на фильтрацию в плиоценовый горизонт и на испарение со свободной поверхности озера.

Рекомендуется комплексно применять водосберегающие режимы орошения, прогрессивные способы полива земель с выбором адекватных источников для орошения.

Улучшение управления состоит в необходимости включения после пуска канала дополнительных дренажных станций № 6, 7, 18 весной и обеспечения постоянной их работы в весенне-летний период.

Управляющие воздействия, направленные на модернизацию систем комбинированного (совместно вертикального и горизонтального) дренажа состоят в модернизации открытого горизонтального дренажа, который должен работать совместно с вертикальным [6]. Предусмотрено строительство вдоль русла реки новых самоизливающихся скважин, что существенно снизит напорное питание (без затрат электроэнергии) на данном участке и минимизирует процессы подтопления. Необходима также расчистка и углубление русла р. Каланчак.

Выводы

канал подтопление экспериментальный

1 Теоретико-эмпирический метод позволяет осуществить выбор адекватной математической модели распространения напоров в плиоценовом водоносном горизонте, провести идентификацию модели на основе данных натурных экспериментов, решить краевую задачу разностными методами и построить напорную поверхность в области исследований.

2 Полученная трехмерная напорная поверхность влияния участка Северо-Крымского канала на подтопление ПГТ Каланчак позволяет ком-плексно оценить влияние канала, определить управляющие воздействия и разработать меры для минимизации фильтрации и снижения напоров.

3 Для уменьшения фильтрации рекомендуется реконструкция участка Северо-Крымского канала, применение водосберегающих технологий орошения, прогрессивных методов полива. Существенное снижение напорного питания возможно при реконструкции систем вертикального и горизонтального дренажа, строительства вдоль русла реки новых самоизливающихся скважин.

Список использованных источников

1. Рябцев, М. П. Схема районирования зоны устойчивого подтопления приморских территорий Херсонщины и северного Присивашья / М. П. Рябцев // Меліорація і водне господарство. - 2007. - Вип. 95. - С. 167-176.

2. Системне дослідження та наукове обґрунтування заходів для захисту від підтоплення смт Каланчак Херсонської області / П. І. Ковальчук [та ін.] // Водне господарство України. - 2010. - № 2. - С. 21-26.

3. Определение эффективности вертикального дренажа на основе натурных исследований и математического моделирования / П. И. Ковальчук [и др.] // Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России. - Ч. 1. - М., 2009. - С. 156-163.

4. Полубаринова-Кочина, П. Я. Теория движения грунтовых вод: изд. 2-е / П. Я. Полубаринова-Кочина. - М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1977. - 664 с.

Размещено на Allbest.ru