Исследование влияния фильтрации из водохранилищ на подтопление населенных пунктов

УДК 627.8.034.9

А. В. Ищенко

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ ИЗ ВОДОХРАНИЛИЩ НА ПОДТОПЛЕНИЕ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

В статье рассмотрены несколько сценариев подтопления населенных пунктов и сельхозугодий, расположенных в речной долине нижнего бьефа гидроузла, с целью оценки влияния фильтрации из водохранилищ. Разработана общая методика исследований и расчетов подтопления нижнего бьефа водохранилищ и оценки влияния проти-вофильтрационных устройств грунтовых плотин на общую картину движения грунтовых вод в районе водохранилища.

Ключевые слова: грунтовые воды, подтопление, противофильтрационные устройства грунтовых плотин.

A. V. Ishchenko

RESEARCH INTO THE INFLUENCE OF FILTRATION FROM RESERVOIRS ON SETTLEMENT UNDERFLOODING

Some scenarios for underflooding of settlements and agricultural lands located in the river valley of a hydroscheme downstream to evaluate the influence of filtration from reservoirs are considered. A general technique for the studies and calculations of reservoir downstream submerge and evaluation of the influence of anti-filtration devices for earth dams on the whole picture of groundwater movement in reservoir area is developed.

Keywords: groundwater, underflooding, anti-filtration devices for earth dams.

Строительство гидротехнических сооружений и водохранилищ коренным образом изменяет установившийся природный режим движения грунтовых вод. Вследствие фильтрации воды из водохранилищ происходит подъем уровня грунтовых вод, который оказывает негативное воздействие на жизнедеятельность населения на участках с пониженным рельефом местности [1]. Рассмотрим несколько сценариев подтопления населенных пунктов и сельхозугодий, расположенных в речной долине ниже гидроузла, с целью оценки влияния фильтрации из водохранилищ.

В первом сценарии подтопление осложняется тем, что ниже водохранилища грунтовый поток в речной долине перекрывает недостроенная плотина гидроузла с глубокой противофильтрационной завесой в основании (рисунок 1). Подобные условия наблюдались на Юмагузинском водо-

хранилище в Башкортостане после ввода его в эксплуатацию, где ниже по течению в 17 км находится недостроенное Иштугановское водохранилище.

1- плотина вышерасположенного водохранилища; 2-7 - населенные пункты в нижнем бьефе; 8 - недостроенная плотина нижерасположенного водохранилища с противофильтрационной завесой в основании

Рисунок 1 - Схема размещения населенных пунктов в нижнем бьефе водохранилища

Противофильтрационная завеса является преградой на пути движения фильтрационного потока из водохранилища. Она создает подпор грунтовых вод, тем самым увеличивая вероятность подтопления населенных пунктов, расположенных между двумя гидроузлами.

Для прогнозирования влияния водохранилища на изменение режима движения грунтовых вод была изготовлена электрическая модель с принятыми границами: ось плотины вышерасположенного водохранилища -с одной стороны, а с противоположной стороны - ось завесы гидроузла нижерасположенного водохранилища. Две противоположные стороны участка моделирования приняты по линии, ограничивающей переход плоского рельефа поймы в горный.

Исходя из этого, первая серия опытов проводилась без учета влияния реки, при этом исследуемый участок моделировался в соответствии с зако-

ном подобия. При постановке опытов за граничные условия принимались: шина с потенциалом 100 %, которая прикреплялась к электропроводной бумаге на отметке НПУ водохранилища, и шина с потенциалом 0 %, прикрепленная на завесе недостроенного гидроузла. Во второй серии опытов шина с потенциалом 0 % прикреплялась к завесе гидроузла с предположением, что в ней будут выполнены четыре прорана. В третьей серии опытов шина с потенциалом 0 % также прикреплялась к завесе гидроузла в месте существующего прорана шириной, соответствующей ширине реки. Анализ результатов опытов первой серии показал, что не учет влияния реки приводит к значительному повышению величины подтопления всех населенных пунктов нижнего бьефа водохранилища, поэтому в следующей серии опытов модели выполнялись с учетом влияния реки. Это подтверждает, что река выполняет функцию дренажа.

Для расчета уровня грунтовых вод в населенных пунктах используем следующую формулу моделирования в соответствии с [2]:

й = ^й2 +

где й1, й2 - глубины грунтовых вод соответственно в начальном и конечном сечении;

йг - приведенный напор на исследуемом участке (потенциал), определяемый как отношение:

й2 -

й=-—-,

г й2 - й2

1 2

где й2 - напор в русле реки и различных населенных пунктов.

При проведении четвертой серии опытов учитывалось несовершенство реки ДЬр, которое определялось по следующей формуле [2]:

ЛЬ = 0,44т,

2 ’ ’

где т - мощность фильтрующей толщи. Также учитывалось несовершенство бортов водохранилища, которое определялось по формулам:

^б.УМО = 0,44-(т + Н умо )м;

^б.НПУ = 0,44-

^б.ФПУ = 0,44<т + Н ФПУ )м,

где Д£бУМО, Д£б:НПУ, Д£бФПУ - дополнительный потенциал, учитывающий несовершенство бортов водохранилища в зависимости от отметки уреза воды в водохранилище соответственно при НУМО, ННПУ, НФПУ .

В пятой серии опытов была скорректирована модель плановой задачи, т. е. были учтены несовершенство берегов реки и бортов водохранилища, а также изменено место закрепления шины с потенциалом 100 % и изменен максимальный напор при ФПУ.

Для более точного получения результатов значений величины подтопления йподт в шестой серии опытов учитывалось падение уровня воды в реке,

в связи с чем длина реки на исследуемой территории разбивалась на участки расчетной длины. В зависимости от отметки уреза воды в водохранилище (УМО, НПУ, ФПУ) подавались различные потенциалы на участки реки.

Во втором сценарии изучался вопрос подтопления территории города в междуречье рек при фильтрации из водохранилища. Примером является водораздельный участок междуречья рек Цна и Лесной Тамбов (рисунок 2), на котором вследствие фильтрации из Тамбовского водохранилища наблюдается подтопление г. Котовск.

За основу модели принят участок территории междуречья площадью 58 км . Северная и южная границы модели проведены по линиям скважин, соответственно 359-360 и 336-337. Западная и восточная границы проведены по рекам. Модель включает всю территорию города и створ плотины гидроузла водохранилища. Изменение режима подтопления территории можно предусмотреть, используя в основе метод электрогидродинамиче-ской аналогии (ЭГДА) [1, 2], в такой последовательности:

- распределение фильтрационных потоков водоносного горизонта до наполнения водохранилища;

- влияние водохранилища, наполненного до отметки 126,0 м и до отметки 127,0 м, на подтопление города.

Рисунок 2 - Схема модели исследуемого участка

Исходя из этого, первый опыт проводился для случая, когда восточная граница модели проходила по руслу реки (V 120,1 м), т. е. до наполнения водохранилища. Исследуемый участок моделировался в соответствии с законом подобия. При постановке опытов за граничные условия принимались: шина с потенциалом ф1 = 100 %, которая прикреплялась к электропроводной бумаге по северной границе модели (между скважинами 359 и 360), и шина с потенциалом ф2 = 0 %, прикрепленная к электропроводной бумаге вдоль русла реки (рисунок 2).

Потенциалы, подаваемые на южную (скв. 336 и 337) и западную (русло реки) границы модели, рассчитывались следующим образом. Расчетный напор Нр определяется как разность отметки северной границы

модели (V 135,0 м) и отметки уреза реки (V113 м):

Нр ^135,0 ^113,0=22,0 м.

Тогда потенциал, подаваемый на русло реки, определяется как отношение:

ф3 = 120,1~113,0.100%=32,3 %.

3 22

Помимо граничных шин на модели применялась проволочная линейная шина с переменным потенциалом, которая проходила между скважинами, расположенными на водоразделе. Расчет потенциалов для падающей шины приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные потенциалы, подаваемые на шину, проходящую по профилю Ш-Ш

Номер скважины Отметка, м Номер потенциала ф п Расчетный потенциал, %

347 132,1 ф 5 86,82

330 130,34 ф 6 78,80

326 128,00 ф 7 68,20

309 126,70 ф8 62,27

308 125,80 ф 9 58,18

327 125,0 ф10 54,55

367 123,0 ф11 45,45

335 118,0 ф12 22,73

Потенциал, подаваемый на южную границу модели, равен:

ф4 =118,5 ~113,0. 100 %=25,0 %.

4 22

Моделирование русла рек производилось путем приклейки на электропроводную бумагу тонкой медной проволоки толщиной d = 0,2 мм при помощи клеевого состава с электропроводящими свойствами с последующим прикатыванием.

В первом опыте проволока повторяла контур рек с западной стороны и реки с восточной стороны, в остальных трех - только реки с восточной стороны.

Результаты исследований данного опыта представлены на рисунке 3 при уровне воды в водохранилище 128,0 м. Исходя из этого, первый опыт проводился для случая, когда восточная граница модели проходила по руслу реки (V 120,1 м), т. е. до наполнения водохранилища.

Во втором опыте учитывалось наполнение водохранилища на реке до отметки V 126,0 м. Третий опыт относится к случаю, когда водохранилище наполнено до отметки V 127,0 м. В этом случае расчетные потенциалы приняли следующие значения: 63 %, 64 %. Четвертый опыт выполнялся для случая наполнения водохранилища до отметки V 128,0 м - 68,18 % (рисунок 3).

Получены результаты моделирования подпора грунтовых вод для профиля П-П (скв. 313, 303, 312, 392, 305) и профиля Ш-Ш (скв. 4 и 5), скважины 389, а также скважин 316 и 317 (таблица 2).

Анализ результатов показывает, что отметки уровня грунтовых вод в десяти пьезометрических скважинах увеличиваются вследствие фильтрации при повышении уровня воды в водохранилище до УВ = 126, 127, 128 м.

При этом изменение уровней грунтовых вод от уреза водохранилища происходит в сторону повышения до 2000-2500 м в зависимости от уровня воды в водохранилище, а затем снижается в районе города (таблица 2).

Рисунок 3 - Схема распределения уровня грунтовых вод на водоразделе и в городе при уровне воды в водохранилище 128,0 м

Таблица 2 - Результаты исследований подпора грунтовых вод

№ скважины X, м V УСТЬЯ, м V УГВ до наполнения, м V УГВ при V УВ

126 м 127 м 128 м

Южный район го рода

Скв. 313 3697 139,22 123,12 126,64 127,74 127,85

Скв. 303 4253 128,00 120,20 124,44 124,82 125,10

Скв. 312 4510 120,30 117,4 121,58 122,90 123,12

Скв. 389 4550 120,06 117,18 120,92 122,68 122,68

Скв. 392 4810 122,00 115,64 120,04 120,26 121,14

Скв. 305 5294 116,00 113,44 114,10 114,54 114,76

Профиль ТТТ-ТТТ

Скв. 4 3520 137,00 120,7 121,8 124,00 124,44

Скв. 5 4086 120,05 115,74 119,60 121,80 121,47

Северный район города

Скв. 316 - 121,05 119,82 122,24 122,68 123,34

Скв. 317 - 119,52 116,85 118,15 118,28 118,50

В соответствии с этими данными наибольшее подтопление грунтовыми водами происходит в районе скважин 312, 389 и 5 и скважины 316 при изменении отметок УВБ водохранилища со 126 до 128 м. Это обусловлено достаточно низкими отметками поверхности территории в данных районах, не превышающими 121,05 м.

Выводы

1 Разработана методика моделирования методом ЭГДА достаточно сложных фильтрационных течений при оценке подтопления нижнего бьефа гидроузла в пойме реки в условиях влияния другого гидроузла и подтопления территории города в междуречье рек при фильтрации из водохранилища, которая может использоваться для решения подобных схем.

2 Результаты исследований подтверждают как зону, так и область подтопления грунтовыми водами населенных пунктов при отметках уровня воды в водохранилище НПУ.

Список использованных источников

1 Влияние водохранилищ на гидрогеологические условия прилегающих территорий / С. К. Абрамов [и др.]. - М.: Госстройиздат, 1960. - 319 с.

2 Булдей, В. Р. Моделирование гидромелиоративных систем /

В. Р. Булдей. - Киев, Наукова Думка, 1975. - 198 с.

Ищенко Александр Васильевич - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», заведующий кафедрой гидравлики и инженерной гидрологии.

Контактный телефон: 8 (8635) 22-26-96.

E-mail: reknqma@mail.ru

Ishchenko Aleksandr Vasilyevich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE “NSMA”), Head of the Chair of Hydraulics and Engineering Hydrology.

Contact telephone number: 8(8635) 22-26-96.

E-mail: reknqma@mail.ru