Серикова Е.Н., к.т.н. Яковлев В.В.

Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины

ООО «Геологическая компания «Шерл»

Использование математического моделирования для оптимизации баланса подземных вод

Специфической особенностью городских территорий являются нарушенный режим подземных вод и их природный баланс, в котором определяющую роль играют техногенные факторы. Не смотря на понимание физики процесса подтопления, наличие методической базы по расчетам и проектированию дренажных систем, обустройство тысяч километров дренажей и ливневых канализаций, и в целом затрату огромных средств, принятые меры не оправдывают себя. [1]. Для современной Украины характерно систематическое повышение уровня грунтовых вод (УГВ) на застроенных территориях и прогрессирующее развитие подтопления не только в городах, но и в поселках и селах. На сегодняшний день в стране подтоплено более 530 населенных пунктов и 20% населения Украины проживает на территориях, которые находятся в состоянии подтопления [2].

Наиболее эффективным способом борьбы с подтоплением является предупреждение его возникновения за счет реализации на начальных этапах строительства соответствующих мероприятий и средств инженерной защиты. Методы и методики прогноза подтопления городских территорий требуют разработки моделей, учитывающих такие техногенные факторы, как: искусственные покрытия, которые уменьшают транспирацию растениями и испарение с зеркала грунтовых вод, а также изменение водного баланса подземных вод под воздействием дополнительной инфильтрации и водоотбора из не глубоко залегающих водоносных горизонтов. [3]. Поэтому существует необходимость в усовершенствовании количественной оценки и учета техногенных факторов подтопления городских территорий. На стадии прогноза приходные и расходные составляющие должны быть оценены и найдено их оптимальное соотношение.

Сценарий развития процесса подтопления рассмотрен в типичном городе Украины – г. Харькове. Общая площадь подтопленных земель в городе составляет более 10 тыс. га. Подтоплению в городе Харькове, как и других городах Украины, способствуют утечки из водонесущих коммуникаций, отсутствие водоотведения в районах индивидуальной застройки, не исправная ливневая канализация. [1,2,4].

_{Результат моделирования изменения уровня грунтовых вод с использованием имеющихся исходных данных для г. Харькова представлен на рис.1.}

Рис.1. Результат моделирования изменения уровня грунтовых вод в г. Харькове. Фронтальное изображение.

Видно, что происходит повышение уровня грунтовых вод на Δh₀ = 0,00007 м за сутки. Подъем УГВ в среднем составит на 1й год - 0,03 м, на 50-й год -1,5 м [5].

Так как техногенные факторы подвержены значительным изменениям, то были рассмотрены 5 вариантов возможного воздействия техногенных факторов на уровень грунтовых вод. При этом уменьшалась значимость воздействия дополнительной инфильтрации на водный баланс на 10% в каждом следующем случае, и увеличивалась значимость воздействия водоотбора на 10% до тех пор, пока водоотбор не превысил дополнительную инфильтрацию.

Визуализация возможной ситуации изменения УГВ на территории Харькова, где водоотбор превышает дополнительную инфильтрацию, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Изменение уровня грунтовых вод при заданных параметрах в м за сутки. Фронтальное изображение.

На рис. 2. показано изменение уровня грунтовых вод на Δh₅ = 0,000012 м за сутки. Представлена ситуация, в которой водоотбор превышает дополнительную инфильтрацию. В этом варианте воздействий техногенных факторов на территории Харькова подъем УГВ в среднем составит на 1-й год - 0,004 м, на 50-й год - 0,2 м. Принимая условия, при которых водоотбор превышает дополнительную инфильтрацию, получаем на 50-й год повышение уровня грунтовых вод в 7,5 раза меньше, чем в сложившейся ситуации на сегодняшний день (Рис.1.).

Достижение снижения УГВ и предупреждение угрозы подтопления на территории г. Харькова возможно при увеличении водоотбора в 17 раз и уменьшении воздействия дополнительной инфильтрации в 2,4 раза. Поскольку качество грунтовых вод в г. Харькове невысокое, отбираемые воды могут быть использованы для технических целей - мойки дорог и тротуаров, мойки автомобилей, заливки катков и полива растений, в строительстве и промышленных системах охлаждения и теплоснабжения, для пожаротушения и многих других областях.

Список литературы:

1. Чебанов А.Ю. Поиск эффективных решений проблемы подтопления городов [Текст] / Чебанов А.Ю.// Научно-технический сборник «Коммунальное хозяйство городов»: Харьков, ХГАГХ, 2002. – №47. – с. 133-138.

2. Серикова Е.Н. Дополнительная инфильтрация в подземные воды на территории крупных городов (на примере г. Харькова) [Текст] / Серикова Е.Н., Яковлев В.В.// Научно-технический сборник «Коммунальное хозяйство городов»: Харьков, ХГАГХ, 2011. – с. 344-348.

3. Серикова, Е. Н. Роль управленческих методов в предотвращении подтопления городов. [Текст] / Е. Н. Серикова, В. В. Яковлев // Науковий вісник будівництва: Харків, ХНУБА ХОТВ АБУ, 2012. - №68. – с. 382-387.

4. Стрижельчик, Г.Г. Подтопление в населенных пунктах Харьковской области [Текст] / Г.Г. Стрижельчик, Ю.П. Соколов, И.А. Гольдфельд, А.Ю. Чебанов, Н.С. Николенко: Х., 2003. – 160с.

5. Серикова Е.Н. Изучение особенностей изменения уровня грунтовых вод с помощью математического моделирования [Текст] / Серикова Е.Н., Стрельникова Е.А. //Восточно-европейский журнал передовых технологий: Харьков, 2013. – №3/4 (63). – с. 31-36.