Определение подземной составляющей речного стока по гидрохимическим данным на примере Верхней Волги на участке от истока до г. Старицы

ГЕОГРАФИЯ

УДК 556.3+556.5 П. И. Яковлев

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДЗЕМНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ РЕЧНОГО СТОКА ПО ГИДРОХИМИЧЕСКИМ ДАННЫМ НА ПРИМЕРЕ ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ НА УЧАСТКЕ ОТ ИСТОКА ДО г. СТАРИЦЫ

Аннотация.

Актуальность и цели. В статье рассматривается проблема точности расчета подземного притока в реки по гидрологическим данным. Меженная гидрометрическая съемка позволяет определить приращение подземного стока с разной абсолютной погрешностью, в зависимости от величины измеренного минимального стока и варьирования подруслового стока. Причем относительная стандартная ошибка измерения расходов воды - ±3,5 %; на расчетном участке реки - ±7 %. Изменение параметров подруслового водного потока связано с различием в литологии грунтов, слагающих русло реки, т. е. с их типом и мощностью, условиями для залегания.

Материалы и методы. Для повышения точности расчета подземного притока в реки предлагается использовать уравнение руслового ионного (солевого) баланса, при минимальном меженном стоке не более 30-40 м3/с. Важным результатом гидрохимических расчетов является определение приращения ионного стока, которое позволяет рассчитать параметры подземного притока на речном участке, но при известных химических показателях подземных вод.

Результаты. Как известно, на Верхней Волге в период низкого стока содержание отдельных ионов и общая минерализация в подземных водах в 2-3 раза выше, чем в речных водах. Измерения электропроводности природных вод подтверждают эти выводы. Вышеуказанные ионометрические соотношения в речных и подземных водах позволяют определить подземный приток по гидрохимическим данным с меньшей погрешностью, чем по традиционному гидрометрическому методу.

Выводы. Ранее белорусский исследователь В. В. Дрозд определил гидрохимическим способом подземную составляющую речного стока в период весеннего половодья на малых реках своего региона. В нашем случае гидрохимический метод используется для повышения точности расчета подземного притока в реки по гидрологическим и ионометрическим данным. При больших различиях в минерализации речных и подземных вод погрешность его определения может быть снижена в 2 раза и более.

Ключевые слова: подземные, речные, поверхностные воды, очаг, участок разгрузки, геолого-структурный анализ, гидрохимическое опробование, термометрическая, гидрометрическая съемка, ионный сток, водпост, комплексный метод.

P. I. Yakovlev

DETERMINATION OF UNDERGROUND CONSTITUENT OF RIVER RUNOFF ACCORDING TO HYDROCHEMICAL DATA BY THE EXAMPLE OF UPPER VOLGA RIVER IN THE ZONE FROM THE SOURCE TO STARITSY TOWN

Abstract.

Background. The article considers a problem of accuracy of calculating underground inflow into rivers according to hydrological data. Low-water hydrological survey allows to determine accretion of underground runoff with different absolute error, depending on the volume of the measured minimal runoff and on the variation of underflow. Therewith, the relative standard water discharge measurement error is - ±3,5 %; in the measured part of the river - ±7 %. Change of parameters of the underflow is associated with the differences in lithology of soils, composing the riverbed, i.e. with soil type and thickness, occurrence conditions.

Materials and methods. To increase the accuracy of calculation of underground inflow into rivers the author suggests to use an equation of riverbed ionic (saline) balance with minimal low water flow not more than 30-40 м3/с. An important result of hydrochemical calculations is determination of ionic flow that allows to calculate the parameters of underground inflow in a part of a river, stipulated given chemical characteristics of underground waters.

Results. As is known, in Upper Volga river in the period of low flow the concentration of certain ions and general mineralization in underground waters is 2-3 times lower then in river water. Measurement of electroconductivity of natural waters prove such conclusion. The above mentioned ionometric correlation in river and underground waters allows to determine underground inflow according to hydrochemical data with lower error compared to the traditional hydrometric method.

Conclusions. Previously, the Belorussian researcher V. V. Drozd determined an underground constituent of river runoff by the hydrochemical approach in the period spring high water in small rivers of his home region. In this case the hydrochemical method is used to increase accuracy of calculating underground inflow into rivers according to hydrological and ionometric data. In conditions of great differences in mineralization of river and underground waters the error of determination thereof may be decreased two and more times.

Key words: underground waters, river waters, surface waters, source area, discharge area, geological and structural analysis, hydrochemical testing, thermometric, hydrometric survey, ion flow, complex method.

Введение

Как известно, большинство рек европейской части России в меженный период переходит на подземное питание. Гидрохимические показатели речных вод в это время отличаются повышенным содержанием отдельных ионов или их суммы: Na', Cl', SO4'', HCO3', Mg", Ca', робщ, - которое характерно

для глубоких подземных вод [1], исключая воды четвертичных и аллювиальных отложений, не смешанных с напорными водами. Параметры подземного притока в реки зависят от многих гидрологических, геологических и гидрогеологических факторов [2, 3], а именно: от водообильности водоносных горизонтов, интенсивности их питания, глубины эрозионного вреза водотоков и долин и дренирующего их воздействия, литологических и геолого-струк-турных условий. Причем отдельные геологические факторы могут значительно изменить общий фон разгрузки подземных вод в реки [2].

Ранее подземный приток в реки определялся генетическим расчленением гидрографа. В последние годы в качестве его нормы используются среднемноголетние минимальные 30-дневные расходы зимней межени. Эти расчетные данные часто приводятся в гидрологических монографиях и отчетах и характеризуют подземный сток всего речного бассейна [4, 5]. На основе этих величин определяются важные параметры - приращение стока, площадные и линейные модули подземного притока на расчетных участках рек.

При проведении геолого-разведочных работ на подземные воды в речных долинах обязательным является выполнение детальной гидрометрической съемки в период низкого меженного стока. В комплекс сопутствующих работ входят геолого-структурный анализ бассейна реки, термометрия, гидрохимическое опробование речных и подземных вод. Проводимые исследования позволяют выявить местоположение перспективных участков повышенного подземного притока в реки - возможных очагов разгрузки напорных и грунтовых вод, стоковые характеристики которых наиболее интересны для специалистов-гидрогеологов и гидрологов.

Как показывает практика, меженная гидрометрическая съемка не всегда позволяет с достаточной точностью определить параметры подземного стока из-за стандартной ошибки измерения расхода воды - 3,5-5,0 %. По расчетам Государственного гидрологического института, «на реках с минимальным расходом более 10 м3/с погрешность определения притока подземных вод по методу руслового баланса (при погрешности разницы в 7 %) на трехкилометровом участке может составлять около 60 тыс. м3/сут, а это - величина крупного месторождения». Кроме этого технического фактора, на точность расчета приращения подземного стока (Д<2подз ) может влиять изменение подруслового стока, которое связано с различием в литологии подрусло-вых отложений.

По химизму воды подрусловых потоков близки к речным водным массам [1]. Следует отметить, что подрусловый сток - трудно определяемая гидрогеологическая характеристика, особенно на средних и больших реках. И его изменения - в сторону увеличения или уменьшения - искажают истинную картину интенсивности разгрузки подземных вод при проведении меженной гидрометрической съемки. В частности, при значительном возрастании подруслового стока его подпитывание в период низкого стока происходит за счет подземного притока, сформированного на расчетном участке реки или за его пределами [3]. В другом случае при выклинивании подруслового стока происходит завышение минимальных расходов воды при выполнении гидрологических расчетов после проведения гидрометрических работ.

Во всех подобных ситуациях, чтобы минимизировать погрешность определения подземного притока в реки, предлагается использовать комплексный гидрохимический метод, который является кратким дополнением к основным традиционным способам расчета подземного стока. Эти методические нововведения возможны при определенных величинах и соотношениях гидрометрических, гидрохимических и гидрогеохимических характеристиках исследуемого водотока.

В статье приводятся примеры использования новой методики в Тверской области для самого верхнего участка р. Волги, исток - г. Старица, L = 350 км, где естественный гидрохимический режим наблюдался до строительства Вазузской гидросистемы в 1977 г. (рис. 1).

Щ. [£]= [О

1, 2 - действующие и закрытые стационарные г/посты Росгидромета и других ведомств;

3 - экспедиционные г/створы п. и. Гидропроекта, 1976-1986 гг.; 4 - г/посты-аналоги на соседних реках с рассчитанными параметрами подземного стока

Рис. 1. Схема пунктов наблюдений за минимальным стоком на р. Волге, от истока до г. Старицы

1 - ионный состав речных и озерных вод Верхней Волги по водпостам Росгидромета на август 1963 г., 1975 г.: межень водностьюр ~ 75 % обеспеченности (% экв. по формуле Курлова) [4]; 2 - ионный состав подземных вод в водозаборных скважинах по данным Института геохимии РАН, 1971-72 гг. (% экв. по формуле Курлова) [10]; 3 - пределы изменения отдельных одинаковых ионов в нескольких скважинах; 4 - населенные пункты;

5 - скважины; 6 - водпосты Росгидромета; 7 - р. Волга, Верхневолжские озера;

8 - основные притоки; 9 - геологические индексы эксплуатируемого водоносного горизонта отдельных или группы скважин; 10 - расстояние створов до устья р. Волги, км

Рис. 2. Схема изменения химического состава речных и подземных вод по длине р. Волги на участке: исток - г. Старица Тверской обл. - до создания Вазузского

водохранилища в 1977 г.

Как известно, из-за значительного эрозионного вреза, более 100 м, волжский водоток ниже с. Ельцы дренирует глубокие водоносные горизонты, которые характеризуются большей минерализацией, чем грунтовые и речные

воды (табл. 1). При этом в тверском Верхневолжье все вышеуказанные природные воды по химизму относятся к гидрокарбонатному классу, к которому принадлежат пресные подземные воды верхней части зоны интенсивного водообмена [9], дренируемые р. Волгой (рис. 2).

Теоретические основы предлагаемой методики

Теоретической основой предлагаемого метода является известное, но редко используемое в гидрологии, аналитическое выражение баланса растворенных веществ в речных водах до и после их взаимодействия с более минерализованным подземным водным потоком на расчетном участке реки.

Уравнение руслового ионного (солевого) баланса для исследуемого участка реки на дату измерения меженного стока при отсутствии поверхностного (дождевого) стока, Qпов = 0.

^КС-НС = РКС - РНс - ^ ррит ,

где ДРККС- НС - приращение ионного стока одного или суммы макрокомпонентов на расчетном участке реки, г/с; PНc , PКc - ионный сток одного или

суммы макрокомпонентов в начальном и конечных створах реки, г/с; ^ Ррит - суммарный ионный сток одного или суммы макрокомпонентов по

всем боковым притокам, г/с.

Далее с уравнением (1) проводим следующие преобразования:

ДрКС-НС =Д£)гхдз Рподз ; РКС = °кс рКС;

^ р1рит _ ^ бприт рприт ; РНС _ ЙНС рНС;

где °Н с ; °Кс ; ^ О^рит - измеренные расходы воды в начальном и конечном створах реки и сумма частных расходов всех боковых притоков, м3/с;

Л /оподз

ЛОгх - приращение подземного стока между конечным и начальным створами рек, вычисленное по гидрометрическим и гидрохимическим данным,

м3/с; Рнс; Ркс; Рприт - среднее содержание отдельных ионов или их суммы по всему живому сечению в начальном и конечном створах главной реки и на боковых притоках, мг/л или г/м3; рподз - средневзвешенное содержание отдельных ионов или их суммы в подземных водах, мг/л или г/м3, по длине расчетного участка реки.

Затем уравнение (1) можно представить в следующем виде:

Д0ГХ рподз = ОкС рКС - ^ °прит рприт - °НС рНС;

Д0ГХ =

или ДОгхД = ЩсС-НС / рподз

Обозначения те же, что в уравнениях (1) и (1а).

University proceedings. Volga region

ID

oo

Таблица 1

Химический состав речных и подземных вод, ионный сток р. Волги и ее притоков в меженный период (март 1962 г. и сентябрь 1976 г.) по исходным данным Росгидромета и Роснедра.

Естественный водный режим до строительства Вазузской гидросистемы в 1977 г.

Водный объект, створ Площадь водосбора ^БОД -КМ Расстояние от истока или до устья для притоков, км Измер. Q, м3/с Речные воды Подземные воды

Концентрация ионов, мг/л, ионный сток г/с Номер скважины или родника, литературный источник [ ] Место- положение скважин Расстояние от истока, км Глубина отбора проб, м Концентрация ионов, мг/л

С а00 Mg00 Na°+K° НСО’з SO4” СГ ЕРобщ Са00 Mg00 Na°+ К0 НСО’з S04” СГ ХРобщ

Исток р. Волга: оз. Пено в/п Пено - 40 - 21,4 3,3 1,3 73,2 4,9 2,9 107,5 - -

Верхний приток из оз. Селигер р. Селижаровка в/п Яровик 2390 119 (22) 11,1 20,9 232 М 38 8*8 98 77,5 860 8*0 89 8J_ 90 127,4 1414 скв. 25 [9] п. Селижарово 119 33-35 72,1 16,0 0,4 300 1,0 0,5 380

р. Волга в/п Ельцы 9130 162 26,0 30,5 793 6*5 169 3*8 99 115,9 3013 7*3 189 5*1 133 170,1 4423 скв. 35 [9] родник 11а [8] родник 116 [8] п. Мол. Туд., с. Першино устье р. Млинга 207 214 218 62-61 59,6 49.5 52.5 19.5 16,0 15.6 8,0 2,53 2,20 268 238 227 12,0 10,5 390 307 308

р. Волга в/п Ржев 12 200 264 32,8 36,6 1200 8*0 262 12 194 147,6 4841 8*3 272 4*3 141 211,3 6931 скв. 4 [10] родник 24 [8] г. Ржев 264 80,0 61,7 57,5 49,6 24,0 35,3 38,0 298 321,0 135,1 6,6 41,8 48,0 640 500

р. Волга г. Зубцов 12 900 289 - 32,9 И ПО,8) 140,3 8*5 5*9 206,2 скв. 2 [10] родник 34 [8] родник 32 [8] г. Зубцов ниже г. Зубцова 289 306 316 90,0 43.4 84.4 76,2 71,5 19,9 28,1 58,7 20,4 255 207 322 162,0 2,9 86,8 85.0 53.0 700 400 500

Р. Вазуза в/п Золотилово 5510 (24) 8,30 68,2 566 26,6 221 8*2 68 337,2 2800 8*8 73 7*0 58 456,8 3791 - -

р. Осуга, в/п Коротнево 1230 13 (13) 0,69 68,1 47 23,8 16 11,8 8 331,8 229 9^9 6,8 6^3 4,3 452,1 312 - -

р. Волга, в/п Старица 21 100 353 46,2 45,2 2088 10,5 485 13,2 610 199,5 9217 10,4 480 хо 231 284,7 13 153 скв. 3 [9] родник 7 [8] родник 16 [8] г. Старица выше города г. Старица 353 338 353 50-70 33,1 29.0 77.1 30,8 14.0 17.1 13,1 5,0 8,4 286,9 150 220 14,9 5.5 10,0 9.6 410 210 300

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Важной задачей в этих расчетах является выделение речных участков с повышенным подземным притоком. Их возникновению часто способствуют очаги разгрузки напорных вод, генезис которых и их геохимическое значение рассматривались в научных работах А. М. Овчинникова (МГРИ, 1968 г.) [6] и А. А. Дзюбы (ИЗК СО РАН, 1984 г.) [7].

Некоторые особенности использования комплексного гидрохимического метода в исследованиях регионального подземного стока

Региональные исследования подземного стока проводятся на протяженных участках рек - от нескольких десятков до ста километров и более. При этом часто используются материалы наблюдений за меженным минимальным стоком на стационарных и временных гидропостах разных ведомств. При проведении экспедиционных гидрометрических работ в период низкой межени в качестве аналогов используются ближайшие стационарные водпосты; на зарегулированных реках - опорные участки с известными параметрами подземного притока.

Гидрохимические характеристики речных и подземных вод, заимствованные из гидрологических и гидрогеологических справочников [4, 8-10], очень часто приводятся для одиночных проб, которые не всегда являются репрезентативными для всего руслового водного или подземного потоков. Поэтому рекомендуется выполнять несколько выборок этих данных. Причем выписка гидрохимических характеристик рек должна производиться для меженных периодов близкой низкой водности за разные годы.

В нашем случае, на Верхней Волге, на участке исток - Ржев, содержание отдельных ионов (Са++, Мg++, НСО3- и робщ) в речной воде, в зимнюю межень, при близких минимальных расходах воды отличается незначительно - на 3-5 мг/л.

При расчетах подземного притока в реки с использованием гидрогеохимических характеристик напорных вод необходимо учитывать только те артскважины, где отметки дна (забоя) и горизонта их опробования близки к глубине дренирования водоносных горизонтов волжским водотоком.

Результаты гидрогеохимического опробования родникового стока также могут использоваться для корректировки параметров подземного стока, но с учетом тех результатов химического обследования данных водопунктов, если оно проведено в бездождливый и продолжительный период низкого речного стока. При этом водно-солевые характеристики этих источников несколько ниже, чем в глубоких артезианских водах, но довольно высокие по сравнению с речными водами (табл. 1). В конечном итоге ионометрические характеристики родникового стока или артскважин определяются как средневзвешенные величины для протяженных участков рек:

р подз = [0,5

— подз

где р - средневзвешенное содержание макрокомпонентов или их суммы в родниковом стоке или скважинах на расчетном участке реки, мг/л, г/м3; р1п, р2", ..., р" - содержание макрокомпонентов или их суммы в отдельных родниках или скважинах, расположенных в прирусловой и долинной частях расчетного участка реки, мг/л, г/м3; /12, /23, ..., /г-1, , - длина отрезка реки между точками гидрогеохимического опробования, км; Ь - длина расчетного участка реки, км.

При определении гарантированного подземного притока в речные системы необходимо максимально учесть возможные погрешности измерения меженного стока. Для этого его расходные характеристики в начальном створе - 2нс - и на боковых притоках - ^ брит - увеличиваем на 3,5 %,

а в конечном створе измеренный сток - бКс - уменьшаем на 3,5 % , т.е. на стандартную ошибку измерения расхода воды (табл. 2, 3).

Полученное приращение подземного притока для расчетного участка

реки - ЛбГХдз - можно привести к норме или к обеспеченности: р = 50, 75, 95 %, - с помощью переходных коэффициентов, которые вычисляются по ближайшим водпостам - аналогам или опорным участкам рек - для зарегулированных рек.

На протяженных участках рек, более 50 км, из-за малого объема гидрохимических и гидрогеохимических данных расчеты по предлагаемому методу можно сделать более точными (см. табл. 3), если провести дополнительные полевые исследования минерального состава этих природных вод в промежуточных точках в период низкого меженного стока. При значительной родниковой разгрузке подземных вод и при наличии гидрогеохимических характеристик этих водных источников расчеты подземного притока в реки по новому методу могут быть более надежными, чем при использовании данных гидрохимического опробования артскважин.

Погрешность определения подземного притока в реки по гидрометрическому и комплексному гидрохимическому методам

Проведем приближенную оценку точности расчета подземного притока в реки, выполненного по двум перечисленным методам, для следующих случаев:

а) отсутствие изменений подруслового стока, Лбподр = 0;

б) увеличение или уменьшение подруслового стока, которое условно принимаем Лбподр = ±1 м3/с. В реальных условиях данный параметр определяется исключительно гидрогеологическими расчетами [11].

I. Исходные данные, близкие к их реальным значениям на Верхней Волге, на участке с. Ельцы - с. Свеклино (см. табл. 1).

1. Содержание характерного макрокомпонента НСО3' в двойном соотношении в подземных и речных водах на расчетном бесприточном участке реки:

а) Рречн = 130 мг/л (130 г/м3); рподз = 280 мг/л (280 г/м3);

б) Рречн = 135-125 мг/л; р^щ = 130 мг/л (130 г/м3); рподз = 280 мг/л (280 г/м3).

2. Измеренные расходы воды в начальном створе бнс = 28 м3/с; в конечном створе бкс = 30 м3/с, т.е. порядка 30 м3/с.

3. Относительная и абсолютная ошибки измерения расходов воды в начальном и конечном створах реки: §б = ±3,5 %, или ±1 м3/с при б ~ 30 м3/с; на расчетном участке реки - 8Л<б = 7 %, или ±2 м3/с.

Natural Sciences. Geography 101

Таблица 2

Примеры корректировки приращения подземного притока Верхней Волги по гидрохимическим данным на протяженных речных участках. Летне-осенняя межень, август 1963 г. А",,.,,,, = 0,75.

Расчетный участок р. Волги: п. Селижарово - в/п Ельцы, Ь = 43 км

Река, створ Дата измерения стока и отбора проб воды Расстояние от истока, ^ИСТ? КМ Площадь водосбора, Ря, км2 Измеренный расход, бюм, М3/с Принятый расход, бпршь М3/с Речные воды Подземные воды Приближенный расчет ДQ м3/с

Концентрация ионов р, мг/л Ионный сток, Р, г/с Приращение ионного стока АР, г/с Номер скважины, литературный источник [ ] Местоположение скважины Концентрация ионов, мг/л

НСО'з Общ. минер. Робщ НСО'з Общ. минер. Робщ НСО'з Общ. минер. Робщ НСО'з Робщ По иону НСО'з По общей минер., Робщ Средн.

В скважине Средн. В скважине Средн.

1. р. Волга,

п. Селижарово, 16.08. 119 7400 16,0 16,6 74,6 119 1238 1975 25 п. Селижарово 970 380

ниже устья 1963 (+3,5 %) Р2-Р1 Р2-Р1 м 1055:285 1246:385 3,4

р. Селижаровки 10 55 1246 285 385 = 3,7 = 3,2 1,6*

2. р. Волга, 162 9130 18,2 17,6 126,3 183 2293 3221 35 в 45 км ниже 300 390

в/п Ельцы (-3,5 %) М в/п Ельцы

№ 1 (5), 2014 Естественные науки. География

102 University proceedings. Volga region

Таблица 3

Расчетный участок р. Волги: в/и Ржев - в/и Старица (исключая р. Осугу и р. Вазузу),

Ь = 89 км, март 1962 г., АГВ0Дн ~ 1,0

Река, створ Дата измерения стока и отбора проб воды Расстояние от истока, ЬИС1, или от устья Ьу, км Площадь водосбора, Fs, км2 Изме- ренный расход, Q ИЗМэ м3/с Принятый расход, 0- прин» м3/с Речные воды Подземные воды Приближенный расчет А^1^ м3/с по ионам (N3° + С10 родник, стока

Концентрация ионов (Ыа° + СГ), мг/л Ионный сток Р, г/с Приращение ионного стока на расчетном участке АР, г/с, исключая р. Вазузу и р. Осуга Номер род- ника Место- положение родника Концентрация (Na+Cl), мг/л

1. р. Волга в/п Ржев 31.03.1962 Аіст= 264 12200 32,8 34,0 (+3,5 %) 10,2 347 Р2-Р1-РЗ-Р4 = ДР = 298 В роднике Средн. А р  г)°Р = ІЛГ  у подз 298:63 = 4,7 1,1*

2. р. Волга в/п Старица -/- ЬИСТ = 353 21100 46,2 44,5 (-3,5 %) 18,2 810 № 24 № 26 г. Ржев 86 80 63

3. р. Вазуза в/п Золотилово -/- Ь7 = 24 5510 8,30 8,70 (3,5 %) 15,2 132 № 34 № 32 ниже г. Зубцов 85 75

4. р. Осуга в/п Коротнево -/- Ьу= 13 1230 1,64 1,80 (+3,5 %) 18,1 33 № 7 № 16 г. Старица 15 18

Примечание. 1,6* и 1,1* - норма приращения подземного притока, м3/с, определенная традиционными гидрометрическими методами, без учета увеличения подруслового стока и изменений в литологии [3].

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

4. Суммарная абсолютная погрешность определения приращения меженного минимального стока по гидрометрическому методу с учетом изменения подруслового стока (ЗАО1,- ± Д<2подр):

а) ±2 м3/с + 0 = ±2 м3/с;

б) ±2 м3/с + (±1 м3/с) = ±3 м3/с.

5. Абсолютная погрешность определения ионного стока 8ДР, = 8ДО/Рречн :

а) ±2 м3/с х 130 г/м3 = ±260 г/с;

б) ±3 м3/с х 130 г/м3 = ±390 г/с.

II. Итоговые расчеты.

1. Абсолютная ошибка определения подземного притока по комплекс-

ному гидрохимическому методу (8ДОподз =--------------—):

рподз

) 260 г / с ± 1 3

а)---------3 = ±1 м / с;

280 г / м3

б)

390 г/с ± з ------------г = ±1,5 м /с.

280 г / м3

2. Для сравнения двух методов в точности определения подземного притока в реки и чтобы не проводить дополнительных расчетов условно принимаем тот реальный период стоковых измерений, когда водность реки близка к норме подземного стока, при этом условии AQ; = А0под3.

3. Соотношение погрешностей вычисления А0подз и AQi по комплексному гидрохимическому и гидрометрическому методам:

§АОпЗдз 1 м3 / с

а) =—3— " 0,5;

SAQ- 2 м3/ с

б) ^А&юдз = ±1,5 м3 / с _ 0 5

§AQ ±3,0 м2 / с

Большое значение в приведенных гидрохимических расчетах имеет точность лабораторного определения основных компонентов минерализации. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств воды [12] являются допустимыми для расчетов AQH^ по новому методу. В последние

годы для изучения процессов взаимодействия подземных и поверхностных вод применяются кондуктометрические методы (табл. 4), позволяющие выделить однородные участки по измеренным параметрам электропроводности воды, которая зависит от минерализации и температуры природных вод [13].

В 70-90-е гг. прошлого века в ведущих организациях Росгидромета для отдельных участков крупных рек были составлены корреляционные уравнения связи между отдельными макрокомпонентами или их суммой, которые могут находиться в речных водах в ассоциации или в определенном соотношении [1, 14]. Например, концентрация хлора увязывалась раздельно с содержанием ионов SO4"; Na' ; Ca '; Mg'; ионы Na ', Cl' - с общей минерализацией и расходами воды [14].

104 University proceedings. Volga region

Таблица 4

Электропроводность речных и родниковых вод по длине Верхней Волги: исток - г. Старица, Кводн =1,5; 7тли = 18-19°.

Данные Верхневолжской экспедиции (ИГАН, ТГУ, ТГТУ) на 14-23.УШ.2005 г. [3]

Створы

Волжские притоки Родники, берег

Характеристики выше п.Селижарово ниже п.Селижарово д. Тростино ниже р. М. Коша д. Балаши выше р. Тудовка выше г. Ржева выше г. Зубцова ниже с. Родня ниже г. Старица р. Кудь р. Песочня р. Селижаровка р. Б. Коша р. Тудовка р. Сишка р. Вазуза р. Держа с. Ширковский лев.

L, км от истока 117 125 138 144 175 206 250 287 332 356 472 118 119 141 217 232 289 306 29 208 274 340

Электропроводность, мкСм/см 100 132 140 145 157 163 188 200 223 229 167 304 146 251 341 470 23 420 262 512 470 520

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Установленные ионометрические зависимости в природных водах для отдельных регионов или районов позволяют корректировать данные лабораторного анализа проб воды и исключить грубые ошибки.

Предыдущие исследования по определению подземной составляющей речного стока по гидрохимическим данным

В настоящее время в учебной и методической литературе приводятся два метода расчета подземного притока в реки по гидрохимическим характеристикам [11].

Метод П. П. Воронкова заключается в графическом, с помощью планиметрирования, расчленении гидрографа с учетом кривых изменения концентрации ионов ИСОз'; 804"; СГ. Данный способ был использован для рек с малым водосбором и для весеннего периода.

Другой метод В. В. Дрозда (Белоруссия) наиболее близок к нашим исследованиям и выражается следующим уравнением:

Опод, _ й Рр ~Рп°в ,

Рподз Рпов

где йподз; й - расход подземного стока и измеренный сток на срочную дату

в замыкающем створе на спаде весеннего половодья, м3/с; Рр, рпов, Рподз -

содержание характерного компонента минерализации (HC03') в речной воде, в мелкой ручейковой сети, в подземных водах, мг/л (г/м3).

Гидрохимический способ В. В. Дрозда впервые был использован на территории Белоруссии в близких гидрогеологических условиях для небольшой реки, имеющей тесную гидравлическую связь с подземными водами. Гидрохимические исследования и стоковые измерения проводились в период низкого и затяжного весеннего половодья - на его подъеме, пике и спаде, при этом концентрация иона НС03' и общая минерализация в речной воде были в 3 раза меньше, чем в подземных водах, и измеренные расходы воды составляли < 10 м/с.

В меженный период минерализация речных вод на этом водотоке была близка к минерализации грунтовых вод.

Уравнение (3) при отсутствии стока в ручейковой сети можно представить в виде

й _ ЙРр _ Рзам

йподз _ _ ,

Рподз Рподз

где ^зам - ионный сток (НС03') в замыкающем створе реки, г/с; остальные обозначения те же, что в уравнении (3).

Таким образом, уравнение (3 а) гидрохимика В. В. Дрозда соответствует АР

выражению Айподз —-------— (1в) для расчетного участка реки по новому гид-

Рподз

рохимическому методу.

Выводы

Представленную новую методику условно можно считать продолжением метода белорусского гидрохимика В. В. Дрозда.

В обоих способах используются показатели концентрации тех макрокомпонентов, которые находятся в подземных и речных водах в двойном или большем соотношении. Такие различия в химизме природных вод на одних реках, в том числе озерного типа, могут наблюдаться в течение всего года.

На других водотоках, имеющих тесную гидравлическую связь с подземными водами высокой минерализации, такие ионометрические показатели речных и подземных вод характерны для весеннего половодья или летнеосенних дождевых паводков, в период их подъема, пика и спада.

Вторым условием применения нового метода является верхний предел измеряемого меженного стока, который не должен превышать 30-40 м3/с.

На некоторых озерных реках стоковые и гидрохимические параметры речных и подземных вод в зимнюю или летне-осеннюю межень часто соответствуют принятым ограничениям при использовании нового метода.

К таким рекам относится Верхняя Волга, на участке выше г. Ржева, воды которой в меженный период при переходе на подземное питание постоянно подпитываются и разбавляются низкоминерализованными водами из оз. Селигер и Верхневолжского водохранилища. Причем объемы попусков зависят от водного стока из самого озера - йоз = 5-20 м3/с - и от величины сбросных расходов Верхневолжского бейшлота - Осбр = 0,2-70 м3/с.

При этом родниковый сток на этом участке Верхней Волги характеризуется высокой минерализацией и большим содержанием отдельных макрокомпонентов (см. табл. 1).

Ниже г. Ржева с увеличением эрозионного вреза и с уменьшением влияния верхневолжских озер на химизм речных вод река Волга дренирует более глубокие водоносные горизонты, с высокой минерализацией вод, особенно вблизи г. Зубцова и ниже по течению. И вместе с тем волжский водоток принимает на этом отрезке крупные речные притоки - р. Вазуза, р. Осуга, которые характеризуются высоким солевым (ионным) стоком, что увеличивает минерализацию вод главной реки в период низкого стока.

Основным нововведением представленной методики являются определение ионного стока в начальном и конечном створах реки и расчет его приращения.

Знание прироста ионного стока при известной минерализации подземных вод позволяет определить подземный приток в реки с меньшей погрешностью, чем при использовании гидрометрического метода.

Использование новой методики возможно в условиях значительного изменения подруслового стока по длине реки, которое связано с различиями в литологии почв-грунтов, слагающих русло реки (табл. 5).

Natural Sciences. Geography 107

Таблица 5

Литология подрусловых отложений на Верхней Волге.

Участок: пос. Селижарово - г. Старица

Створ, населенный пункт Номер створа Расстояние от истока -^ист? КМ Ширина русла, м Подруеловые отложения волжского водотока Литературный источник геологических разрезов

Слои в геологическом разрезе от дневной поверхности Геологический индекс Мощность слоя, м

п. Селижарово С4 119 60 1. Известняки Сг+И з > 20 м Роснедра [8= 9]

с. Ельцы Сб 208 60 1. Аллювиальные пески, супеси, суглинки 2. Известняки е а 8-10 м > 20 м -//-

г. Ржев С8 264 110 1. Аллювиальные пески 2. Известняки 3. Глины 4. Известняки 2 а а а 2,5 м 2-3 м 2 м > 20 м ГПИ, Г ипрокоммундортранс М 1982 г.

г. Зубцов Между С8-С11 289 120 1. Аллювиальные пески 2. Известняки е а 6 м > 20 м -11-

г. Старица С11 353 150 1. Щебень и гравий 2. Известняки е с2 2,5 м > 20 м ОКО «Синдус» г. Тверь, 2010 г.

№ 1 (5), 2014 Естественные науки. География

Список литературы

1. Никоиоров, А. М. Гидрохимия / А. М. Никоноров, Е. В. Посохов. - Л. : Гидро-метеоиздат, 1985. - 444 с.

2. Я ковлев, П. И. Выявление участков интенсивной разгрузки подземных вод в реки с использованием дистанционных и гидрологических методов / П. И. Яковлев // Разведка и охрана недр. - 2009. - № 7. - С. 43-49.

3. Я ковлев, П. И. Оценка подземного притока Верхней Волги гидрометрическими и гидрохимическими методами на участке реки от истока до г. Твери / П. И. Яковлев // Вода и экология. - 2012. - № 2-3. - С. 149-171.

4. Государственный водный кадастр. Бассейн Верхней Волги. - Л. : Гидрометео-издат, 1986. - Т. 1, вып. 23. - 60 с.

5. Оценка подземного притока в реки Нечерноземной зоны РСФСР. Т. 1. ГГИ. - Л., 1980. - 40 с.

6. Овчинников, А. М. Очаги разгрузки напорных вод и их геохимическое значение / А. М. Овчинников // Сов. геология. - 1968. - № 7. - С. 140-142.

7. Дзюба, А. А. Разгрузка рассолов Сибирской платформы. Институт земной коры СО РАН / А. А. Дзюба. - Новосибирск : Наука, 1984. - 158 с.

8. Гидрогеологические карты и пояснительные записки. Листы 0-36-XXXV, 0-36-XXXIV Мингео, 1970-80 годы.

9. Гидрогеология СССР. Т. 1. Московская и смежные области. - М. : Недра, 1966. -423 с.

10. Красинцева, В. В. Формирование минерального состава речных вод / В. В. Красинцева, Н. П. Кузьмин, М. М. Сенявин ; Институт геохимии и анал. химии им. В. И. Вернадского РАН. - М. : Наука, 1977. - 176 с.

11. Гавич, И. К. Сборник задач по общей гидрогеологии / И. К. Гавич, А. А. Луч-шева, С. М. Семенова-Ерофеева. - М. : Недра, 1985. - 412 с.

12. ГОСТ 27384-2002. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств воды. - М. : Госстандарт РФ, 2002. - 4 с.

13. Экологический энциклопедический словарь. - М. : Ноосфера, 1999. - 930 с.

14. Гидрохимические материалы. Р. Зап. Двина (Даугава). Т. 95. - Л. : Гидрометео-издат, 1989. - 300 с.

References

1. Nikonorov A. M., Posokhov E. V. Gidrokhimiya [Hydrochemistry]. Leningrad: Gidro-meteoizdat, 1985, 444 p.

2. Yakovlev P. I. Razvedka i okhrana nedr [Mineral prospecting and protection]. 2009, no. 7, pp. 43-49.

3. Yakovlev P. I. Voda i ekologiya [Water and ecology]. 2012, no. 2-3, pp. 149-171.

4. Gosudarstvennyy vodnyy kadastr. Basseyn Verkhney Volgi [State water cadaster. Upper Volga river basin]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1986, vol. 1, iss. 23, 60 p.

5. Otsenka podzemnogo pritoka v reki Nechernozemnoy zony RSFSR. T. 1. GGI [Estimation of underground inflow into rivers of Nechernozemnaya zone of RSFSR. Volume 1.]. Leningrad, 1980, 40 p.

6. Ovchinnikov A. M. Sov. geologiya [Societ geology]. 1968, no. 7, pp. 140-142.

7. Dzyuba A. A. Razgruzka rassolov Sibirskoy platformy. Institut zemnoy kory SO RAN [Saline discharge in Siberian platform. Institute of Earth crust of the Russian Academy of Sciences]. Novosibirsk: Nauka, 1984, 158 p.

8. Geological maps and explanatory notes. Pages 0-36-XXXV, 0-36-XXXIV, Ministry of geology, 1970-80.

9. Gidrogeologiya SSSR. T. 1. Moskovskaya i smezhnye oblasti [Hydrogeology of USSR. Volume 1. Moscow and adjacent regions]. Moscow: Nedra, 1966, 423 p.

10. Krasintseva V. V., Kuz'min N. P., Senyavin M. M. Formirovanie mineral’nogo sostava rechnykh vod [Formation of mineral composition of river waters]. Institut geokhimii

i anal. khimii im. V. I. Vernadskogo RAN. Moscow: Nauka, 1977, 176 p.

11. Gavich I. K., Luchsheva A. A., Semenova-Erofeeva S. M. Sbornik zadach po obshchey gidrogeologii [Collection of general hydrogeology problems]. Moscow: Nedra, 1985, 412 p.

12. GOST 27384-2002. Normy pogreshnosti izmereniy pokazateley sostava i svoystv vody [Error norms of water composition and properties measurement]. Moscow: Gosstandart RF, 2002, 4 p.

13. Ekologicheskiy entsiklopedicheskiy slovar’ [Ecological encyclopedic dictionary]. Moscow: Noosfera, 1999, 930 p.

14. Gidrokhimicheskie materialy. R. Zap. Dvina (Daugava). T. 95 [Hydrochemical materials. Western Dvina river (Daugava)]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1989, 300 p.

Яковлев Петр Иванович

гидролог 1 категории,

НПИЦ «Геоэкология»

Yakovlev Peter Ivanovich Hidrologist of first category,

Research center «Geoecology»

E-mail: akva-petr.1947@mail.ru

УДК 556.3+556.5 Яковлев, П. И.

Определение подземной составляющей речного стока по гидрохимическим данным на примере Верхней Волги на участке от истока до г. Старицы / П. И. Яковлев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2014. - № 1 (5). - С. 92-109.