,
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД НА ОРОШАЕМЫХ МАССИВАХ САРАТОВСКОГО ЗАВОЛЖЬЯ
Динамика почвенных и грунтовых вод зависит от множества факторов: климата, рельефа, геологического строения, почвенного и растительного покрова, хозяйственной деятельности человека и т. д. Для ее изучения используется метод моделирования, который служит для решения ряда следующих задач [1]:
получение знаний путем проверки модельной концепции практическим экспериментом;
научной интерпретации процессов, протекавших в прошлом;
феноменологического объяснения процессов (включая идентификацию параметров по данным измеряемого процесса);
научного прогнозирования развития процесса при заданных сценариях.
Для решения этих задач применяют одномерные, двумерные и трехмерные пространственные детерминистические и стохастические модели взаимодействия поверхностных и грунтовых вод, наиболее часто из которых применяются одномерные [2].
В настоящей работе анализируется набор данных многолетних наблюдений за уровнем грунтовых вод в наблюдательных скважинах массива орошения Марксовского района Саратовской области. На масштабе этого объекта, имеющего размеры порядка 2000 км2, эти точечные данные отображают реальную картину динамики грунтовых вод лишь локально. Для получения представления о пространственной динамике необходимо включить в рассмотрение дополнительные характеристики, такие как расстояния между скважинами, высотное расположение скважин, места расположения гидротехнических сооружений и оросительных участков. Эти характеристики могут быть получены по цифровой модели объекта, включающей рельеф, почвенные и гидрогеологические условия, расположение оросительных систем и сооружений на них и пр. На последующих этапах такая модель будет использована для выявления пространственно-временных закономерностей в массиве данных уровней грунтовых вод в наблюдательных скважинах исследуемого объекта. Для этого будут использованы методы геопространственной статистики.
Рис. 1. Картографическая основа исследуемого участка со слоями горизонталей и
местоположением скважин
На нынешнем этапе созданная геоинформационная модель включает цифровую модель рельефа (ЦМР) и цифровую модель уровня грунтовых вод (ЦМУГВ). Для создания ЦМР были использованы картографические данные топографии региона, а для создания ЦМУГВ - архивные данные многолетнего мониторинга грунтовых вод. В качестве оболочки для разработки модели использована Гис-среда ArcGIS 9.1, позволяющая интегрировать собранные данные в единую базу геоданных для их последующего анализа с помощью геостатистических методов. С этой целью было проведено сканирование и оцифровка бумажных карт (рис.1) [3]. Далее эти данные были использованы для создания ЦМР, пространственной привязке слоя скважин и таблиц временных рядов глубин грунтовых вод. Набор этих данных позволил трансформировать пространственно-временные ряды глубин грунтовых вод по отдельным скважинам в пространственно-временной точечный массив уровней грунтовых вод объекта. С помощью приложений программы ArcMap [4] была построена поверхность уровня грунтовых вод. Анализ областей пересечения ЦМР и ЦМУГВ показал их качественную близость к местам постоянных и временных поверхностных водотоков.
Использованный для построения ЦМУГВ массив данных многолетнего мониторинга грунтовых вод за период с гг., полученный Гидрогеолого-мелиоративной партией Саратовской области, показан на рис. 2.
Рис. 2. Массив архивных данных мониторинга глубин грунтовых вод по 220
наблюдательным скважинам Марксовского района Саратовской области
за период с 1982 по 2003 гг.
Этот массив данных включает наблюдения по 220 наблюдательным скважинам, большинство из которых использовались для наблюдений лишь эпизодически. Это нашло свое отражение при анализе количества ежемесячно используемых для наблюдений скважин. На рис. 3 приведены данные ежемесячного количества скважин, использованных для наблюдений за УГВ.
Рис.3. Количество скважин, используемых для наблюдений
за период с 1982 по 2003 гг.
Анализ данных, приведенных на рис. 3 позволил выделить следующие характерные периоды:
гг – среднее количество наблюдаемых скважин порядка 20шт;
гг - среднее количество наблюдаемых скважин порядка 40шт;
гг – измерения проводились лишь эпизодически в отдельные осенне-летние месяцы;
гг. - среднее количество наблюдаемых скважин порядка 20 шт.
Для оценки распределения глубин грунтовых вод за один и тот же месяц было проведено их ранжирование по трем группам. К первой группе были отнесены скважины с глубинами грунтовых вод h < 1 м, ко второй – с h = 1:10 м, к третьей - с h > 10 м. Результаты помесячного ранжирования глубин грунтовых вод по трем указанным группам представлены на рис. 4 в долях от общего их количества. Период отсутствия ежемесячных наблюдений назван как «нет данных».
Рис.4. Распределение ежемесячного количества данных уровня грунтовых вод измерений в скважинах по интервалам с близким (h < 1 м), средним (1 м<h<10 м) и глубоким (h>10 м) уровнем грунтовых вод
Анализ полученных трех групп данных показал:
в период с 1983 по 1994 год наблюдается снижение количества скважин с уровнем грунтовых вод h > 10 м;
в период до 1989 года количество скважин с уровнем грунтовых вод h < 1 м было незначительно;
начиная с 1990 года, заметна тенденция к увеличению количества скважин с уровнем грунтовых вод h < 1 м, причем их количество стало составлять в летний период до 30% от общего числа наблюдаемых скважин.
Выводы
Анализ пространственно-временных массивов данных требует специальных методов пространственной геостатистики.
Для исследования динамики УГВ на больших площадях необходимо использовать цифровые модели рельефа и уровня грунтовых вод.
Библиографический список
1. Шестаков миграции подземных вод. М.: Недра. 1986.
2. Полубаринова-Кочина движения грунтовых вод. М.: Наука. 1977.
3. Майкл Минами. ArcMap. Руководство пользователя. ESRI, 2000.
4. Корей Такер. ArcToolbox. Руководство пользователя. ESRI, 2000.
