МОНИТОРИНГ ГРУНТОВЫХ ВОД РЕЧНЫХ ПОЙМ АРИДНОЙ ЗОНЫ НА ПРИМЕРЕ ВОЛГО-АХТУБИНСКОЙ ПОЙМЫ 

GROUND WATER MONITORING OF ARID ZONE RIVER FLOODPLAIN ON THE EXAMPLE OF VOLGA-AKHTUBA FLOODPLAIN 

Д.А. Солодовников, Н.А. Курсакова

D.A. Solodovnikov, N.A. Kursakova 

Волгоградский государственный университет (Россия, 400062, г. Волгоград, пр. Университетский, 100) 

Volgograd State University (Russia, 400062, Volgograd, pr. Universitetsky, 100)

e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

Запас грунтовых вод пойм, формирующихся в период весеннего половодья, имеет большое значение для устойчивого развития аридных регионов. Благодаря им поддерживается функционирование экосистем и осуществляется обеспечение населения пресной водой. В числе прочего, уровень грунтовых вод и его динамика – важнейший критерий лесопригодности в аридной зоне. Мониторинг и управление грунтовыми водами, является важной хозяйственной задачей. Авторами разрабатывается методика прогнозирования грунтовых вод для условий пойм рек аридной зоны юга России. Предлагаемая методика позволяет минимизировать трудозатраты, повысить точность результатов исследования. Исследования, проведенные в северной части Волго-Ахтубинской поймы в 2016-2017 гг. с использованием предлагаемых методов показали их надежность и высокую информативность. Интерпретация и обработка данных посредством геоинформационных систем позволяет построить модель динамики грунтовых вод по сезонам года. Предлагаемая методика может быть апробирована и для дельт рек Донского бассейна.

Ground water reserves in the floodplains that form during the spring flood is of great importance for the sustainable development of arid regions. They support the ecosystems and provide the population with fresh water. Among other things, groundwater level and its dynamics are the most important criteria for forest suitability in the arid zone. Monitoring and management of ground water is an important economic task. The authors develop a methodology for predicting ground water for the conditions of floodplains of the rivers in the arid zone of the South Russia. The proposed methodology allows you to minimize labor costs, improve the accuracy of research results. Previous studies in the Volga-Akhtuba floodplain, using the proposed methods, showed their reliability and high information value. Interpretation and data processing through geoinformation systems allows to build a model of ground water dynamics by seasons of the year. The proposed method can be tested for river deltas of the Don basin. 

Общеизвестно, что решающим фактором функционирования экосистем речных пойм является половодье. Условия затопления определяют само существование природного комплекса поймы. Очень существенным аспектом половодья является пополнение запасов грунтовых вод, особенно в условиях регулирования стока. В аридной зоне грунтовые воды предопределяют условия развития древесной растительности, и соответственно, лесопригодность территории, водообеспеченность орошаемых земель. Важным социальным аспектом проблемы является возможность водоснабжения населенных пунктов. Сельские населенные пункты, расположенные в поймах рек аридной зоны, для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения обычно используют колодцы и неглубокие скважины. В маловодные годы к концу лета - началу осени уровень грунтовых вод может понизиться настолько, что большинство этих источников перестает функционировать и администрациям поселений приходится прибегать к завозу питьевой воды автоцистернами. Тесно связаны с динамикой уровней солевой состав грунтовых вод, особенности окислительно-восстановительного режима почв. Наконец, запасы грунтовых вод определяют условия подземного (родникового) питания поверхностных водоемов в меженный период. Все вышесказанное позволяет считать грунтовые воды речных пойм аридной зоны важнейшим природным ресурсом, а оперативное управление этими ресурсами, мониторинг и прогнозирование состояния грунтовых вод – актуальной хозяйственной задачей [2].

В настоящее время все большее распространение получают геофизические методы изучения недр [1], в частности, георадиолокация. Георадары – это геофизические приборы, предназначенные для обнаружения различных объектов в разнообразных средах. Метод георадиолокационного подповерхностного зондирования (георадиолокации) основан на изучении закономерностей распространения электромагнитных волн в среде.

Сущность метода заключается в излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. Такими границами в исследуемых средах являются, например, граница сухих и водонасыщенных грунтов (зеркало грунтовых вод), контакты между слоями различных горных пород, между породой и техногенными объектами, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными породами и наносами.

Результатом георадиолокационной съемки являются временные разрезы (радарограммы), на которых по горизонтали указано расстояние в метрах, а по вертикали - напряженность электрического поля в зависимости от времени и положения установки на профиле. Признаки, по которым объект распознается на радарограммах в процессе обработки, могут служить различные характеристики волнового поля [4]. Георадары, пригодные для определения положения зеркала грунтовых вод, мобильны и могут обслуживаться одним оператором.

Авторами разрабатывается современная методика организации мониторинга и прогнозирования грунтовых вод для условий небольших рек Нижнего Поволжья и северной части Волго-Ахтубинской поймы [3]. Без существенных модификаций она может быть применена для пойм и дельт рек Донского бассейна, Кубани, Терека.

Комплекс работ включает:

  1. Выбор ключевых участков исследования, геодезическое профилирование этих участков, увязка с уровнем поверхностных вод. Выбираются участки с характерными условиями, данные с которых можно экстраполировать на аналогичные территории. Благодаря высокой производительности метода, закладываемые линии профилей могут быть достаточно протяженными. Наша практика показывает, что даже для очень обширных территорий северной части Волго-Ахтубинской поймы (ширина ее в районе Волгограда достигает 35 км) вполне достаточны профили длиной 0,5-1 км. Заложенные на типичных участках, они позволяют вполне определенно охарактеризовать существенные особенности положения зеркала грунтовых вод. Более длинные профили увеличивают трудоемкость работ, почти ничего не добавляя к полноте получаемых данных. Рационально закладывать профили, целиком пересекающие отдельные сегменты пойм, причлененные к коренным берегам долины, острова, участки между пойменными протоками с контрастным рельефом и почвенно-растительным покровом, отдельные обвалованные участки.
  2. Определение глубины залегания зеркала грунтовых вод геофизическими методами в разные периоды года.

В отличие от дискретных данных гидрогеологических скважин, георадиолокация позволяет получить непрерывный профиль с четким определением глубины грунтовых вод в любой точке. Это позволяет дать объективную картину распределения глубин залегания грунтовых вод. Совмещая полученные в разное время года данные с гипсометрическим профилем, мы получаем картину изменения уровня грунтовых вод по профилю. Очевидно, что в течение года имеется некоторое наиболее низкое положение этого уровня, и напротив, максимум, связанный с пиком весеннего половодья. По аналогии с изменением объемов водохранилищ, эту фигуру можно назвать призмой сработки. Такой подход позволяет формализовать результаты наблюдений, использовать различные математические инструменты их обработки и получать объективные численные значения.

Геофизические методы мониторинга могут быть дополнены контрольными наблюдениями уровня в колодцах, в том числе и путем установки гидрологических самописцев-логгеров, а также мониторингом уровня поверхностных вод в основных реках и небольших пойменных водоемах. Эти методы хорошо разработаны применительно к водоемам Волго-Ахтубинской поймы.

  1. Картографирование результатов и расчет объемов и расходов грунтовых вод по сезонам, построение 3D-моделей динамики грунтовых вод.

Современные геоинформационные технологии позволяют дать еще более развернутую картину годовых изменений положения грунтовых вод. Поскольку геофизические профили привязаны к системе географических координат, положение каждой точки поверхности грунтовых вод в любой период наблюдений также имеет четкие трехмерные координаты (широту, долготу и высоту). Обработка больших массивов таких данных возможна средствами классических ГИС (например, ArcGIS) или программного комплекса AutoCAD Civil 3D.

Накапливаемая в результате геофизического профилирования информация поступает в ГИС, где будет происходить ее обработка, анализ и визуализация. Технически, выполняется перевод данных съемки уровней грунтовых вод в формат растровых поверхностей за определенные сезонные периоды. Инструменты ArcGis (модуль Spatial Analyst/3D Analyst) дают возможность выполнять расчеты объемов и площадей пространственных объектов  с учетом их высотных отметок, выполнять операции их сложения и вычитания, выявлять районы заполнения и потери, оценивать скорости этих процессов и т.п. Призма сработки грунтовых вод в этом случае представляет собой сложную трехмерную фигуру, отображаемую программными средствами ГИС. Процедуру обработки и интерпретации данных вышеуказанными инструментами можно охарактеризовать как процесс мониторинга изменений объема призмы сработки грунтовых вод. Все этапы расчетов и результаты сопровождаются их визуализацией в виде соответствующих картографических материалов – карт, профилей и разрезов, анимационных моделей, сводных отчетов и т.п. Программная среда ГИС позволяет сопоставлять гидрогеологические данные с цифровыми моделями рельефа, картами почв, лесов и прочими специальными картами.

Как показал годовой цикл наблюдений за динамикой уровня грунтовых вод в северной части Волго-Ахтубинской поймы в 2016-2017 гг., показали, что наиболее низкий уровень грунтовых вод в пойме – довольно постоянная величина. Он слабо зависит от условий обводнения поймы в период половодья. Для Волго-Ахтубинской поймы характерны существенные различия в обводнении территории в период половодья по годам. Половодье 2015 года было аномально низким и кратковременным, это был самый маловодный разлив за весь период регулярных инструментальных наблюдений. Специальный весенний попуск через плотину Волжской ГЭС составил 65,5 км3. Это вызвало катастрофическое пересыхание многих озер. А половодье 2016 года, напротив, оказалось самым многоводным за последние 10 лет. Оно продолжалось около 2 месяцев, причем пиковые расходы 26000 м3/с наблюдались в течении 26 дней, с 22 апреля по 16 мая. Специальный весенний попуск составил 125,1 км³. Несмотря на такую значительную разницу в обводнении, уровень грунтовых вод в начале апреля 2016 г. (предполоводный период, после слабого половодья 2015 г.) оказался почти идентичен уровню начала апреля 2017 года (после мощного половодья 2016 г.).

Предполоводный уровень грунтовых вод связан с меженным уровнем воды в поверхностных водоемах, а меженный уровень, в отличие от половодья, слабо меняется год от года. Таким образом, наиболее низкий уровень грунтовых вод в многолетнем разрезе представляет почти постоянную величину. Варьируют в течении года положения максимального (наивысшего) уровня. Таким образом, нижняя поверхность анализируемой трехмерной фигуры постоянна, что упрощает обработку и анализ результатов. Описываемая фигура с изменчивой верхней и постоянной нижней границами (призма сработки грунтовых вод) в этом случае и является ресурсом грунтовых вод, используемым в хозяйстве.

Разработанный авторами алгоритм мониторинга грунтовых вод речных пойм позволяет оперативно оценивать ресурсы, давать их точную количественную оценку и прогнозировать гидрогеологическую обстановку средствами геоинформатики. Результатом годовых наблюдений за уровнем грунтовых вод станет модель динамики грунтовых вод Волго-Ахтубинской поймы (и дельты Волги) в связи с условиями весеннего затопления. Уточнение особенностей ритмики грунтовых вод Волго-Ахтубинской поймы позволит дать рекомендации по совершенствованию весеннего попуска для затопления поймы и дельты Волги. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Грохольская С.А., Романов В.В. Инженерно-геофизические изыскания при картировании гидрогеологических условий Имеретинской низменности // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2016. № 4. С. 84-88.
  2. Окарева А.А., Кутлусурина Г.В. Особенности воздействия регулирования волжского стока на почвы и грунтовые воды Астраханской области // Междунар. науч. конф. научно-педагогических работников Астраханского гос. техн. ун-та, посвящ. 85-летию со дня основания вуза / ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет»; Под общей ред. Н.Т. Берберовой, К.П. Пащенко. Астрахань, 2015. С. 48-49.
  3. Солодовников Д.А., Хаванская Н.М., Вишняков Н.В., Иванцова Е.А. Методические основы геофизического мониторинга грунтовых вод речных пойм // Юг России: экология, развитие. 2017. Т. 12. № 3 (44). С. 106-114.
  4. Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных. Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 2008. 192 с.

Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!