Файл: Ковалевский В.С. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод.pdf

земных вод, что невозможно при аналитических расчетах прог­ нозов. Например, по графику в квадранте II (см. рис. 54) можно сделать вывод, что 'максимальные значения весенних амплитуд уровня в этом районе имеют место при средних зимних темпера­ турах воздуха около — 10° С. Более высокие и более низкие зим­ ние температуры воздуха приводят к снижению весеннего пита­ ния грунтовых вод. Это объясняется тем, что понижение темпе­ ратур ниже — 10° С приводит к увеличению промерзания зоны аэрации, медленное оттаивание которой в весеннее время способ­ ствует повышению испарения и поверхностному стоку талых вод, а следовательно, к уменьшению размеров инфильтрации. И на­ оборот, повышение средних зимних температур выше — 10° С, связанное с большим количеством оттепелей, приводит к рас­ средоточению питания грунтовых вод во времени и балансиро­ ванию этого питания подземным стоком.

Особенно удобно использование многофакторных графиков на станции или в партии, не имеющих ЭВМ для расчетов урав­ нений регрессии. Кроме того, графики помогают вскрывать не­ закономерность разброса отдельных точек, вызванную некачест­ венными замерами, а также устанавливать истинный характер связей прогнозируемого элемента режима грунтовых вод с раз­ личными режимообразугощими факторами. Приведенные выше примеры показывают, что ряд связей имеет явно нелинейный характер. В частности во всех многофакторных связях, в кото­ рых участвуют уровни грунтовых вод при небольших глубинах до воды, линейности связи может и не быть, так как амплиту­ ды колебаний уровней грунтовых вод в таких случаях очень сильно зависят от мощности зоны аэрации и эта связь является не прямолинейной, а параболической

Спрямление таких линий связи, предусматриваемое самим методом линейной множественной корреляции, может привести к резкому снижению точности прогнозов. Поэтому аналитичес­ кий метод множественной линейной корреляции применим при очень осторожном подборе режимообразующих факторов, име­ ющих линейную или близкую к ней связь с прогнозируемым эле­ ментом режима подземных вод. Хорошие результаты он дает при сравнительно глубоком залегании грунтовых вод.

Помимо составления прогнозов методом множественной кор­ реляции можно также реконструировать колебания уровней под­ земных вод за прошедший период (при наличии данных об ос­ новных режнмообразующих факторах), восстанавливать про­ пуски в наблюдениях, анализировать роль различных факторов в формировании режима, подземных вод по коэффициентам де­ терминации, а также определять соотношение воздействия ес­ тественного и нарушенного режима подземных вод в наблюдае­ мых колебаниях уровней.

Опыт составления прогнозов режима подземных вод и выяв­ ления генетических связей, определяющих особенности режима

подземных вод, показывает, что роль различных гидрометеоро­ логических факторов проявляется в режиме подземных вод лишь в течение ограниченного промежутка времени. Обычно ме­ теорологическая обстановка конкретного года проявляется в ре­ жиме подземных вод в течение одного года, реже двух-трех лет. Таким образом, прогнозы, основанные на установлении свя­ зен режима подземных вод с гидрометеорологическими факто­ рами, имеют небольшую заблаговременность.

Поэтому долгосрочные многолетние и сверхдолгосрочные прогнозы должны базироваться на других принципах: корреля­ ционных связях с прогнозируемыми гелпогеофизнческнми про­ цессами, учете инерционности водоносных горизонтов (т. е. на автокорреляционном или гармоническом анализе с выделением и экстраполяцией цикличности в режиме подземных вод), экст­ раполяции колебаний уровней пли расходов подземных вод как случайного процесса.

Прогнозы режима подземных вод по корреляционным свя­ зям могут осуществляться методом как парной, так и множест­ венной корреляции. Для этой цели могут быть использованы связи с солнечной активностью, атмосферной циркуляцией, ну­ тационными колебаниями полюса Земли и лунными прилива­ ми, прогнозы которых составляются. Однако следует иметь вви­ ду, что прогнозы этих процессов не являются еще достаточно точными. Поэтому использование для прогнозов режима под­ земных вод нескольких предикторов (прогнозных значений гелпогеофизическпх факторов) приведет к сложению ошибок всех прогнозов.

В значительной мере условной является экстраполяция на прогнозируемый период вскрытой визуально или автокорреля­ ционным методом цикличности в режиме подземных вод. Боль­ шинство наблюдений за режимом подземных вод слишком крат­ ковременны для установления достоверных средних параметров цикличности. Единичные продолжительные наблюдения показы­ вают, что цикличность в режиме подземных вод весьма неус­ тойчива как по периодам, так и по амплитудам. Поэтому экст­ раполяция таких колебаний любым методом не лишена субъ­ ективности.

Рассмотренные выше многолетние закономерности уровнен подземных вод, а также обусловливающих их гелиогеофизических факторов показали, что в колебаниях уровней подземных вод выделяются серии циклов, характеризующихся различными •амплитудами и периодами. В зависимости от гидрогеологичес­ ких и климатических условий района могут быть выделены от­ дельные преобладающие циклы. Однако в наиболее общем ви­ де наблюдающиеся колебания уровней подземных вод являют­ ся результирующей сложения различных гармонических коле­ баний с периодами в 2, 6 , 11, 19 и т. д. лет, которые могут быть выражены уравнением

жающий случайное появление отклонений колебаний различных режимообразующих факторов от их усредненных параметров. Случайная компонента вследствие слишком произвольной ап­ проксимации непериодических колебаний синусоидами может достигать такой величины, что прогнозы режима в этих случа­ ях данным методом могут оказаться совершенно нереальными.

Выделение характерных для каждого конкретного района циклов может осуществляться различными методами — автокор­ реляционным, спектральным или периодограммным анализом, а также методом разложения фактических колебаний в ряд Фурье с определением основных параметров гармоник А,-, Г, и а; и составлением на этой основе прогнозного уравнения типа уравнения (33), прогноз по которому осуществляется путем под­ становки различных значений t. Один из таких методов рас­ смотрен Э. А. Зальцбергом.

Экстраполяция колебаний уровней подземных вод в будущем может быть основана на допущении, что установленные законо­ мерности колебаний сохранятся. Выявление генетических свя­ зей при этом не предусматривается. Прогноз в этом случае ба­ зируется на методе анализа режима подземных вод как стацио­ нарного случайного процесса с использованием линейных экст­ раполяционных формул типа

* Пр (t + ni) = о.уХ (t — 1) + а.2х (t — 2) + . . . -f а пх (t — п), (34)

где х'пр(t + m )— прогнозное значение уровня или дебита с забла­ говременностью m от момента времени t-,

ai — коэффициенты, определяемые по системе урав­ нений с учетом корреляционной функции наблю­ давшегося ряда;

x (t—г) — значения членов ряда в промежутки времени, от­ личающиеся на величину сдвига т.

Данный метод, опробованный С. П. Сидоркиной (1970), поз­

воляет составлять прогнозы с заблаговременностью около 10— 15% от длины анализируемого ряда.

Все рассмотренные пути долгосрочных и сверхдолгосрочных прогнозов режима подземных вод позволяют лишь выявить тен­ денции в многолетнем ходе колебаний уровней подземных вод, подойти лишь к приближенной количественной оценке разме­ ров этих изменений в многолетнем разрезе. Особенно ненадеж­ ными такие прогнозы могут оказаться в периоды экстремаль­ ных значений уровней грунтовых вод. На ветвях же многолет­ него их спада или подъема прогнозы среднегодовых уровней в различных случаях могут выдаваться с удовлетворительной точ­ ностью при заблаговременности до двух и трех лет, а иногда и более. Основными способами прогноза в таких случаях могут быть следующие:

а) составление уравнений регрессии отдельно для периодов спада и периодов подъема в виде зависимостей последующего' уровня от предыдущего (Коноплянцев, 1967);

б) установление графическим способом зависимостей после­ дующих уровней от предыдущих сразу для ряда лет по анало­ гии с зависимостями, показанными на рис. 51 отдельно для пе­ риодов спада и подъема.

Долгосрочные прогнозы режима подземных вод еще в дос­ таточной мере не разработаны и характеризуются довольно низ­ кой точностью. В связи с этим такие прогнозы следует по воз­ можности дублировать, применяя различные методы пли спо­ собы составления прогнозов, в том числе простую парную кор­ реляцию уровней подземных вод с отдельными гелиогеофизпческими факторами, рассмотренными выше.

Балансовые методы

Балансовые методы прогнозов режима подземных вод осно­ ваны на решении уравнения общего баланса какой-либо терри­ тории или балансового уравнения грунтовых вод. Отдельные элементы водного баланса оцениваются либо эксперименталь­ ным путем,-либо путем гидродинамического анализа режима грунтовых вод.

Поскольку для таких прогнозов приходится использовать ли­ бо прогнозные, либо среднемноголетнпе данные по атмосфер­ ным осадкам, температурам воздуха пли испарению, примени­ мость этих методов ограничивается в связи с тем, что не для каждого района и не всегда можно получить от гидрометео­ службы достаточно достоверные и заблаговременные прогнозы вышеуказанных факторов. Поэтому балансовые методы прогно­ зов режима грунтовых вод более применимы в орошаемых рай­ онах, где основной приходной статьей баланса является водо­ подача, которую можно планировать. Однако балансовые мето­ ды могут использоваться для составления приближенных прог­