Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование методов геостатистики для исследования уровня грунтовых вод на орошаемых массивах Марксовского района Саратовской области

Т.А. Петровец, А.М. Зейлигер, А.В. Бахтина

ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия

Одна из задач работы состоит в анализе пространственно-временных массивов данных замеров уровней грунтовых вод в наблюдательных скважинах, расположенных на территории Марксовского района Саратовской области. За период с 1977 по 2003 гг. Гидрогеолого-мелиоративной партией Саратовской области собран массив данных мониторинга грунтовых вод. В течение этого периода измерений часть скважин выводилась из наблюдений, взамен которым устраивались новые, а в 90-е годы XX столетия в связи с недостаточным финансированием наблюдения проводились нерегулярно, что в итоге повлияло на комплектность рядов данных по отдельным скважинам. В целом массив исходных данных на территории исследуемого участка включает ряды наблюдений различной длины по 220 скважинам.

Имеющийся массив данных по наблюдениям за глубинами грунтовых вод в скважинах представляет собой набор данных точечных наблюдений за пространственно-непрерывным объектом, которым является грунтовые воды на исследуемой территории.

Обычно для анализа такого рода данных используют статистические методы, оперирующие с набором данных, статистически между собой несвязанных. В то же самое время данные измерений уровней грунтовых вод в пределах одного водосборного бассейна представляют собой взаимосвязанные характеристики [2]. Для их статистического анализа и получения пространственных характеристик положения уровня грунтовых вод на исследуемой территории необходимо использовать методы пространственной статистики, использующей информацию о взаимном расположении скважин и их высотном расположении.

В настоящей работе для выявления пространственно-временных характеристик набора данных многолетних наблюдений за положением грунтовых вод используется геостатистический метод. Этот метод грунтовых вод основан на пространственно-статистическом анализе массивов данных уровней грунтовых вод в наблюдательных скважинах, распределенных по исследуемой территории.

Основные положения геостатистики основаны на использовании пространственной корреляции экспериментальных данных для улучшения пространственных оценок и интерполяции. С этой целью используются вариограммы (полувариограммы), которые являются ключевым инструментом для оценки степени пространственной корреляции, имеющейся в данных. Вариограмма, характеризующая степень различия пространственных данных в зависимости от расстояния между ними, рассчитывается по следующей зависимости

,

где V(x) и V(x+h) - значение переменной в точке x и x+h, соответственно; E - символ среднего значения.

На данном этапе работы получены и проанализированы вариограммы отметок оголовков скважин, а также уровней грунтовых вод в скважинах на ряд выбранных моментов времени.

Для построения вариограммы отметок оголовков скважин были проделаны следующие операции:

проведена привязка оголовков скважин, для чего с цифровой модели рельефа участка были сняты отметки оголовков 220 скважин (V(x)), а также найдены расстояния между каждой парой скважин (h);

для каждой пары точек были вычислены разность и квадрат разности значений (

V(x)-V(x+h))²;

все пары точек были ранжированы по увеличению расстояний;

было выделено несколько интервалов значений расстояний;

внутри каждого интервала были вычислены среднее значение расстояний, количество пар скважин, попавших в интервал (n), сумма квадрата разности значений и полудисперсия, представляющая среднее различие между высотами двух любых точек, находящихся на расстоянии h друг от друга.

Построена полувариограмма отметок оголовков скважин в виде графика (рис.1).

На рисунке 1 приведен график полувариограммы, по оси абсцисс которого отложены расстояния между скважинами, а по оси ординат - полудисперсия, которая определяется как половина дисперсии (квадрата стандартного отклонения) между значениями отметок соответствующих скважин. Анализ этого графика показывает, что на небольших расстояниях между скважинами отметки оголовков этих скважин имеют высокую степень корреляции, которая уменьшается по мере увеличения расстояний между скважинами.

Традиционно полувариограммы имеют вид кривых, которые выполаживаются при некотором критическом значении расстояний между пространственными объектами, называемом предельным радиусом корреляции, являющимся одной из пространственно-статистических характеристик исследуемого объекта. Приведенная полувариограмма отметок оголовков скважин имеет вид возрастающей функции. Одно из объяснений этого обстоятельства может состоять в том, что этот радиус отметок оголовков скважин существенно больше, нежели предельные расстояния между скважинами на исследуемой территории, что связано со спецификой рельефа местности. Другое возможное объяснение этого обстоятельства, которое не отражает пространственно-статистические характеристики рельефа местности, связано со специальным расположением скважин по территории массива. Для подтверждения одной из гипотез необходимо провести пространственно-статистический анализ рельефа местности по случайной сетке и получить его вариограммы, а затем сравнить их с вариограммой отметок оголовков скважин. Другая отличительная особенность, приведенной выше полувариограммы отметок оголовков скважин состоит в том, что она проходит через начало координат, что указывает на отсутствие значительных погрешностей измерений отметок оголовков наблюдательных скважин, а также отсутствие микрорельефа в местах установки скважин.

Рис. 1. Полувариограмма отметок оголовков скважин

Основой для расчетов и построения полувариограмм уровней грунтовых вод являются отметки уровня грунтовых вод в наблюдательных скважинах. Привязка скважин к цифровой модели рельефа позволила трансформировать временные ряды глубин грунтовых вод по отдельным скважинам в пространственно-временной точечный массив уровней грунтовых вод объекта. Основные этапы работы по построению полувариограмм отметок уровней грунтовых вод идентичны этапам, приведенным выше для оголовков скважин. Здесь ниже приводятся полувариограммы отметок уровня грунтовых вод на июнь и октябрь 1997 года (рис. 2, 3).

На июньской полувариограмме отметок УГВ, построенной по одномоментным данным наблюдений по 75 скважинам (рис. 2), величина предельного радиуса корреляции составляет величину порядка 750 м для расстояния, больше которого можно говорить об отсутствии значимой корреляции. Аналогичная картина прослеживается и на октябрьской полувариограмме отметок УГВ, построенной по одномоментным данным по 105 скважинам для которой величина предельного радиуса корреляции также составляет величину порядка 750 м. Сравнение значений дисперсий отметок УГВ в июне и в октябре указывает на некоторое превосходство первых над вторыми. По-нашему мнению, это может быть объяснено влиянием локальных сезонных факторов, одним из которых может быть орошение, влияющих при этих масштабах мониторинга на локальную динамику УГВ.

уровень грунтовая вода скважина

Рис.2. Полувариограмма отметок уровня грунтовых вод, июнь 1997 г.

Рис.3. Полувариограмма отметок уровня грунтовых вод, октябрь 1997 г.

Другой отличительной особенностью полувариаграмм отметок УГВ по сравнению с отметками оголовков скважин является наличие так называемого «эффекта самородка», когда кривая полувариограммы не проходит через начало координат. По-нашему мнению, это обстоятельство вызвано высокой вариабельностью УГВ на относительно небольших участках исследуемой территории, что может быть объяснено влиянием изрезанности рельефа и прочих факторов.

Выводы

Геостатистический анализ массивов данных отметок оголовков скважин и уровней грунтовых вод на два момента времени территории Марксовского района Саратовской области показал наличие особенностей в соответствующих вариограммах.

Для дальнейшего исследования пространственно-временных характеристик уровней грунтовых вод изучаемой территории и проверки правомочности выдвинутых гипотез необходимо провести расчеты полувариограмм на другие моменты времени, а также сопоставить расположение скважин с расположением оросительных систем и сооружений на них.

Размещено на Allbest.ru