4_Халеский статья

сЕКЦИЯ х. хххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххх

изучение неоднородности инфильтрационного питания с помощью геогидрологического моделирования

Халеский В.В.

Научный руководитель профессор С.О. Гриневский

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Инфильтрационное питание является крайне важным параметром для изучения ресурсов подземных вод большинства месторождений. Различные условия формирования инфильтрационного питания могут сильно изменить объемы пополнения подземных вод, что будет сильно сказываться на соотношении статей баланса водоотбора при эксплуатации месторождения. Таким образом, изучение неоднородности инфильтрационного питания является крайне важной задачей, а применение геогидрологических моделей, как комплексного метода для расчетов данного параметра - наиболее эффективной [2]. Принципы расчетов и дальнейших построений карт инфильтрационного питания будут представлены на примере Пермиловского месторождения Архангельской области. На Пермиловском месторождении ввиду его особенностей – сильно развитого поверхностного карста и небольшой мощности четвертичных отложений, повсеместно перекрывающих мощный (до 60 м) водоносный комплекс известняков, а также активного взаимодействия подземных и поверхностных вод, изучение условий формирования инфильтрационного питания является принципиально важной задачей для правильной оценки ресурсов подземных вод. Также одной из особенностей Пермиловского месторождения является и то, что поверхностный сток полностью формируется в пределах его балансовой площади. Таким образом, все ресурсы подземных вод данного месторождения полностью обеспечены инфильтрационным питанием. Для построения карты инфильтрационного питания было проведено районирование по трем основным критериям – по типу растительности (лесная и луговая), по типу почвенного покрова (глее-подзолистая, подзолистая, торфяно-подзолисто-глеевая, торфяная) и по преимущественному составу материнских пород зоны аэрации (песчаный, суглинистый, известняки). Далее путем наложения этих карт была получена карта общего районирования условий формирования инфильтрационного питания. Для каждого типа условий формирования питания было проведено моделирование трансформации влаги на поверхности земли [2] и в зоне аэрации [4]. Расчет баланса влаги на поверхности земли проводился с помощью программы SurfBal (1).

O = E_LS + S + V_P (1)

где O–количество осадков, E_LS – суммарное испарение с поверхности (с поверхности снега и листьев), S – поверхностный сток, V_P– впитывание в почву.

Для моделирования использовались многолетние суточные ряды метеорологических данных (осадки, температура, влажность воздуха и средняя скорость ветра) за период 1965-2019 гг, параметры снеготаяния и промерзания, теплопроводности почвы, а также коэффициент фильтрации и параметры Ван Генухтена, которые для глее-подзолистого типа почв определялись путем лабораторных испытаний образцов почв и зоны аэрации, отобранных автором в полевых работах в 2021 году, и дальнейшего их моделирования в программе RETC [5], а для остальных типов почв– по литературным данным. В полевых работах автором было пройдено 4 шурфа на двух ландшафтах. В каждом из шурфов были выделены почвенные горизонты А, В и материнские породы С [1]. Далее были отобраны и транспортированы в лабораторию образцы из каждого горизонта. Моделирование проводилось по результатам лабораторных определений методом центрифугирования параметров ОГХ и влагопереноса по сопоставлению фактических и модельных кривых ОГХ и влагопроводности [3]. Параметры снеготаяния, промерзания, а также теплопроводности почвы были получены путем калибрации по фактическим данным высоты снежного покрова и глубины промерзания. Параметры Ван Генухтена и коэффициенты фильтрации по литературным данным брались исходя из сходства характеристик соответствующих кривых ОГХ почв Пермиловского месторождения с почвами ближайших областей, для которых удалось найти больше данных. Расчет баланса влаги в зоне аэрации проводится моделированием в программе Hydrus -1D (2).

Vp =Ep + TR+ 𝑊. (2)

где Vp– впитывание в почву, Ep - испарение из почвы, TR – транспирация корнями растений, W – инфильтрационное питание

Моделировался разрез зоны аэрации единичной площади. Верхней границей модели является поверхность почвы, на которую поступает впитавшаяся влага по результатам расчета ее трансформации на поверхности в программе SurfBal. Нижней границей является среднемноголетняя глубина до уровня грунтовых вод (УГВ). Глубина до УГВ принималась равной 10 м, что отвечает максимальным величинам инфильтрационного питания. Для расчетов баланса влаги в зоне аэрации также задавались параметры Ван Генухтена и коэффициент фильтрации, а также параметры транспирации и развития корневой системы растительности. Осреднением результатов моделирования с суточным шагом по времени за период 1965-2019 гг получены среднемноголетние уравнения баланса (1, 2) и для каждого типа ландшафтных условий рассчиталась среднемноголетняя величина инфильтрационного питания. Близкие значения питания, полученные на разных ландшафтах, далее объединялись в зоны с диапазоном 20 мм/год с расчетом средневзвешенной величины для каждой зоны. Таким образом получена карта неоднородности среднемноголетнего инфильтрационного питания (Рис)., показывающая, что величины инфильтрационного питания имеют большой разброс – от 44 мм/год до 260 мм/год, то есть различаются в несколько раз. Минимальные значения характерны для лугового типа растительности глее - подзолистого и подзолистого типов почвы суглинистого состава зоны аэрации (44 и 64 мм/год соответственно), а также для лесного типа растительности, подзолистого типа почвы суглинистого состава зоны аэрации (68 мм/год). Максимальные значения соответствуют лесному типу растительности подзолистой почвы коренному составу зоны аэрации (260 мм/год). Таким образом, инфильтрационное питание имеет крайне высокую неоднородность и сильно зависит от условий формирования, что хорошо учитывается при применении геогидрологических моделей.

Рис. Схема районирования территории с различными условиями формирования инфильтрационного питания и карта неоднородности среднемноголетнего инфильтрационного питания Пермиловского месторождения подземных вод

Литература

1. Гриневский С.О. Схематизация строения и параметров зоны аэрации для моделирования инфильтрационного питания подземных вод, Вестн. Моск. Унта, Сер. 4. Геология, 2010, №6

2. Гриневский С. О., Поздняков С. П. Принципы региональной оценки инфильтрационного питания подземных вод на основе геогидрологических моделей // Водные ресурсы. 2010. Т. 37, № 5, с. 543– 557.

3. Смагин А.В., Садовникова Н.В., Мизури Маауиа Бен Али Определение основной гидрофизической характеристики почв методом центрифугирования // Почвоведение, номер 11, Российская академия наук, Москва, ―Наука‖, 1998 г

4. Šimůnek J., Šejna M., Saito H. et al. The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat and multiple solutes in variably-saturated media. Ver. 4.08. // Prepr. Depart. of Environ. Sci. University of California Riverside. California, Riverside, 2009. 296 р.

5. M.Th.vanGenuchten, J.Simunek, F.J. Leij, and M. Sejna. Code for Quantifeing the Hydraulic Functions of Unsaturated Soils. Copyright 2005-2009 Authors, All Rights Reserved.