Одной из составляющих естественных ресурсов подземных вод в зоне активного водообмена является инфильтрационное питание. Для проектирования хвостохранилищ инфильтрационное питание является важной компонентой для определения водного баланса территории. Оценка инфильтрационного питания является одной из важных составляющих прогнозных гидрогеологических задач. В работе решалась обратная задача путем измерения гидрологического режима речной сети в месте проектируемого сооружения.

Формирование инфильтрационного питания происходит под действием природных факторов, которые на конкретной территории определяют интенсивность атмосферных осадков и питание поверхностных водотоков и водоемов. Главные природные факторы, представлены на рисунке 1.

Разнообразие природных условий определяет неоднородность величины инфильтрационного питания, что указывает на необходимость комплексной оценки условий.

Вопросы оценки инфильтрационного питания поземных вод рассматривались также в работах Н.Н. Биндемана, И.К. Гавича, Г.Н. Каменского, Н.Н. Веригина, С.О. Гриневского, П.А. Киселева, М.М. Крылова, А.В. Лебедева, В.А. Мироненко, И.С. Пашковского, С.М. Семенова, В.Г. Ткачука, В.М. Шестакова и др.

Для определения инфильтрационного питания был выбран метод меженного стока, предложенный Н.С. Ратнером (1977). Измеренные меженные расходы в створах эпизодических наблюдений умножаются на поправочный коэффициент. Модуль стока M (л/с км2) — количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, определяется по формуле:М = Q × 1000/F, (1)где Q — расход измеренный (м3/сек),F — площадь водосбора (км2),1000 — переводной коэффициент.Годовой объем стока рассчитывается по формуле:Wгод = M × F × 31,54 × 103, (2)где Wгод — годовой объем стока, выраженный в тыс. м3,M — модуль подземного питания (л/с км2),F — площадь водосбора (км2).

Для получения данных меженного стока была разработана система мониторинга поверхностных водотоков с учетом гидрологических условий, гидрогеологических особенностей, определяющих места разгрузки подземных вод в долинах рек, существующей и планируемой техногенной нагрузки, которые могут повлиять на качественные и количественные характеристики поверхностных вод в процессе строительства и эксплуатации проектируемого сооружения. Учитывая эти факторы, на исследуемой территории были проведены режимные гидрометрические наблюдения в 15 точках на постоянных водотоках (см. рис. 2).

Водосборные бассейны изученных водотоков расположены в пределах границ проектируемого предприятия, а также в непосредственной близости от них. Схема водосборных бассейнов представлена на рисунке 2.

Сток поверхностных вод в пределах изучаемой территории южной части Талицкого участка Верхнекамского месторождения солей (ВКМС) приурочен к бассейну реки Большая Уньва. Водоток образуется при слиянии рр. Царевой Уньвы и Устинковой Уньвы, ниже по течению принимает левые притоки — руч. Крутик (южная граница промплощадки) и р. Малая Уньва (в 7 км южнее промплощадки). Все изученные водотоки формируются южнее железной дороги Березники–Яйва. Всего на исследуемых водотоках разбито 15 створов. Гидрометрические створы № 1, 7, 2 относятся к р. Царевна Уньва, № 3 — р. Устиновка Уньва, № 11, 10, 9, 5 — руч. Крутик, № 8, 4 — Большая Уньва, № 12, 13, 6 — р. Малая Уньва (рис. 2).

В соответствии с требованиями нормативных документов, где указывается необходимость проведения наблюдений в наименее благоприятные периоды (межень, паводки и др.), а также с учетом особенностей водного режима малых рек исследуемой территории, характеризующегося слабой изученностью (Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик, 1984; Ресурсы поверхностных вод СССР, 1973), гидрометрические работы проводились ежемесячно (с июня 2017 по май 2018 г.), в период весеннего половодья — еженедельно (апрель — май 2018 г.). Всего на каждом промерном створе произведено 18 измерений расхода воды, которые включали в себя значения ширины и средней глубины водотоков, площадь живого сечения, среднюю скорость и расход воды покаждому створу.

Гидрометрические работы включали в себя выбор, разбивку, закрепление гидростворов; водомерные наблюдения (наблюдения за изменениями уровней воды); измерения скоростей течения и вычисление расходов воды; измерения поверхностных скоростей и направлений течения поплавками; промеры глубин (с составлением профиля поперечного сечения дна). Измерения скоростей течения на скоростных вертикалях производились гидрометрической вертушкой ГР-21М основным способом. Измерения глубин, скоростей течения и вычисление расхода воды производились в соответствии с требованиями основного руководящего документа Росгидромета (Наставления гидрометеорологическим станциям, 1975, 1978).

Результаты годового цикла измерений расхода воды в р. Царева Уньва представлены на рисунке 3.

Ширина водотока в створе № 1 в течение года варьировала в пределах 0,65—2,00 м, средняя глубина — в пределах 0,04—0,22 м. Минимальные значения расхода воды по данным измерений характерны для февраля (11 л/с), максимальные — для конца апреля — начала мая (87—92 л/с). Среднегодовая величина расхода составила 30,5 л/с.

Результаты наблюдений в створе № 7 показали, что ширина р. Царевой Уньвы в этом пункте в течение года составляет 0,85—2,15 м, средняя глубина — 0,14—0,47 м. Минимальные значения расхода воды по данным измерений характерны для февраля (14 л/с), максимальные — для конца апреля — начала мая (235—264 л/с). Среднегодовая величина расхода составила 69,7 л/с.

Ширина р. Царевой Уньвы в ее устье, у слияния с р. Устинковой Уньвой, в периоды наблюдений изменялась от 0,70 до 1,60 м при средней глубине в пределах 0,09—0,45 м. Расход воды варьировал от18,1 л/с (март 2018 г.) до 322 л/с (последняя неделя апреля 2018 г.) при среднегодовом значении 86,1 л/с.

Результаты годового цикла измерений расхода воды в р. Устинкова Уньва представлены на рисунке 4.

Результаты наблюдений в створе № 3, разбитом вблизи устья р. Устинковой Уньвы, показали, что ширина водотока в этом пункте в течение года составляет 1,30—2,20 м, средняя глубина — 0,07—0,53м. Минимальные значения расхода воды по данным измерений зафиксированы в начале апреля (26 л/с), максимальные — в конце апреля — начале мая (415—472 л/с). Среднегодовая величина расхода в этом створе составила 147,8 л/с.

Результаты наблюдений за стоком руч. Крутик, проводимых с июня 2017 по май 2018 г., представлены на рисунке 5.

Ширина водотока в створе № 11 в течение года варьировала в пределах 0,35—1,00 м, средняя глубина — в пределах от 0,03 до 0,18 м. Минимальные значения расхода воды по данным измерений характерны для марта (1,9 л/с), максимальные — для конца апреля (93 л/с). Среднегодовая величина расхода составила 15,3 л/с.

Результаты наблюдений в створе № 10 показали, что ширина руч. Крутик в этом пункте в течение года составляет 0,47—1,10 м, средняя глубина — 0,03—0,22 м. Минимальный расход воды зафиксирован в первой половине апреля (6 л/с), максимальный — в конце апреля (131 л/с). Среднегодовая величина расхода составила 21,5 л/с.

Ширина руч. Крутик в створе № 9 в течение года изменялась в пределах 0,60—1,55 м, средняя глубина — в пределах 0,07—0,28 м. Минимальные значения расхода воды по данным измерений характерны для начала апреля (9 л/с), максимальные — для конца апреля — начала мая (свыше 143 л/с). Среднегодовая величина расхода составила 31,7 л/с.

Результаты наблюдений в створе № 5, разбитом вблизи устья руч. Крутик, показали, что ширина водотока в этом пункте в течение года составляет 0,40—1,10 м, средняя глубина — 0,13—0,46 м. Минимальные значения расхода воды по данным измерений зафиксированы в начале апреля (13,6 л/с), максимальные — в конце апреля — начале мая (свыше 159 л/с). Среднегодовая величина расходав этом створе составила 147,8 л/с.

Необходимо отметить, что для нижнего течения руч. Крутик в период весеннего половодья характерно наличие широкого разлива воды и выход из берегов. В течение периода наблюдений разлив руч. Крутик наблюдался в последнюю неделю апреля, в связи с чем гидрометрические наблюдения в этот период на створах № 9 и 5 провести не удалось.

Дополнительные гидрологические исследования в долине руч. Крутик были проведены 1 августа 2018 г. Произведены промеры русла и измерение скорости водного потока на створах № 11, 10, 9.

Результаты наблюдений в створе 11 следующие: ширина — 0,8 м, средняя глубина водотока — 0,06 м, расход — 5,3 л/с.

Гидрометрические наблюдения в створе 10 показали следующие результаты: ширина водотока — 1,1 м, средняя глубина — 0,08 м, расход воды составил 10,8 л/с.

Ширина руч. Крутик в створе № 9 составила 1 м, средняя глубина — 0,12 м. Расход воды в створе — 22 л/с.

Результаты наблюдений за стоком р. Большая Уньва, проводимых с июня 2017 по май 2018 г. в створах № 8 и 4, представлены на рисунке 6.

Результаты наблюдений в створе № 8 показали, что ширина р. Большая Уньва в этом пункте в течение года составляет 1,60—4,00 м, средняя глубина — 0,14—0,81 м. Минимальный расход воды зафиксирован в начале апреля (56 л/с), максимальный — в конце апреля (1117 л/с). Среднегодовая величина расхода составила 310,6 л/с.

Гидрометрические наблюдения, проведенные на р. Большая Уньва в створе № 4, являющемся замыкающим для центральной и западной части территории исследования, зафиксировали следующие результаты. Ширина водотока в этом пункте изменяется в пределах 2,00—3,80 м, средняя глубина варьировала в пределах 0,14—0,73 м. Минимальный расход воды зафиксирован в марте (72 л/с), максимальный расход в конце апреля достигал 1652 л/с. Среднегодовая величина расхода составила 440 л/с.

Гидрометрические характеристики верховьев р. Малая Уньва изучались в створах № 14 и 15, на ручьях, при слиянии образующих реку М. Уньву. В указанных точках водотоки характеризуются низкими расходами. В створе № 15 сток зафиксирован только в период половодья (май 2018 г.), в створе № 14 р. М. Уньва полностью перемерзала в период с ноября 2017 по середину апреля 2018 г. Постоянный сток в течение года зафиксирован в створах № 12, 13, 6. Результаты наблюдений за стоком р. Малой Уньвы в этих точках представлены на рисунке 7.

Ширина водотока в створе № 12 в течение года варьировала в пределах 0,40—1,40 м, средняя глубина — в пределах 0,04—0,42 м. Минимальные значения расхода воды по данным измерений характерны для февраля (4,0 л/с), максимальные — для конца апреля (161 л/с). Среднегодовая величина расхода составила 32,6 л/с.

Результаты наблюдений в створе № 13 показали, что ширина р. М. Уньвы в этом пункте в течение года составляет 0,50—35 м, средняя глубина — 0,06—0,45 м. Минимальный расход воды зафиксирован в начале апреля (9 л/с), максимальный — в конце апреля (185 л/с). Среднегодовая величина расхода составила 45,3 л/с.

Гидрометрические наблюдения, проведенные на р. Малая Уньва в створе № 6, являющемся замыкающим для восточной части территории исследования, зафиксировали следующие результаты. Ширина водотока в этом пункте изменяется в пределах 0,60—1,60 м, средняя глубина варьировала в пределах 0,10—0,30 м. Минимальный расход воды зафиксирован в первой половине апреля (12 л/с), максимальный расход в конце апреля достигал 203 л/с. Среднегодовая величина расхода составила 57,5 л/с.

Сводная таблица среднегодовых расходов по водотокам представлена в таблице 1.

Расчет гидрологических характеристик исследуемых рек выполнен для естественных условий формирования стока. Расчеты выполнены методами расчетов для неизученных рек (Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик, 1984; Ресурсы поверхностных вод, СССР, 1973, СП 33-101-2003).

В качестве основного метода расчета нормы стока неизученных малых рек использовалась карта нормы стока, построенная по данным о стоке рек с водосборной площадью менее 30 000 км2 (Ресурсы поверхностных вод, СССР, 1973, СП 33-101-2003).

Расчет нормы стока для выбранных створов осуществлялся по формуле (3.1):

(3)

 — средний многолетний сток (норма годового стока), м3/с;q — модуль годового стока, л/c км2, определяемый по карте среднего годового стока рек;A — площадь водосбора, км2.

Расчетные значения нормы стока для поверхностных водотоков изучаемой площади приведены в таблице 2. По данным (Ресурсы поверхностных вод, СССР, 1973, СП 33-101-2003) ошибки определения нормы стока приведенным методом для исследуемой территории не превышают 10%.

Параметры кривых обеспеченности определены в соответствии с рекомендациями (Ресурсы поверхностных вод, СССР, 1973, СП 33-101-2003) при отсутствии надежных аналогов: значение коэффициента вариации годового стока определено по карте и составляет для исследуемой территории 0,25; Cs = 2Cv.

Далее по результатам гидрологического мониторинга был произведен расчет модуля подземного стока (л/сек/км2), который в последующем был пересчитан в величину инфильтрации (мм/год). Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Из рисунка 8 видно, что модуль поземного стока изменяется от 1,98 до 9,51 л/сек/км2. Гидрометрический пост № 13 ввиду минимальной площади водосбора в последующем суммируется со створом № 15. Среднее значение по исследуемому участку составило 4,4 л/сек/км2.

На рисунке 9 представлена диаграмма, из которой видно, что величина инфильтрационного питания исследуемой территории изменяется в диапазоне 62,50—299,43 мм/год. Минимальные значения отмечены на створе № 11, наибольшая величина инфильтрации зафиксирована на своре № 3.

Карты модуля подземного стока (рис. 10) и величины инфильтрации (рис. 11) были созданы автором на основе данных расходов в гидрометрических постах и расчетом модуля подземного стока при помощи специализированного программного обеспечения ArcGIS. Данные карты позволяют наглядно продемонстрировать, как происходит формирование режима речной сети. С юга, где расположен створ № 4, отмечаются наибольшие значения. Также наибольшие значения отмечаются в районе расположенной территории ГОКа. Вероятнее всего это связано с трансформацией подземного стока ввиду осваивания территории.

Результаты гидрометрических работ отражают закономерности, характерные для стока малых рек исследуемого региона. Ведущую роль в питании поверхностных водотоков играют талые снеговые воды. Период весеннего половодья по данным наблюдений 2017—2018 гг. продолжался с последней декады апреля до начала третьей декады мая. При этом пиковые значения расхода воды в этот период характерны для последней недели апреля — первой недели мая.

Наиболее интенсивное поступление дождевых вод, соответствующее периодам летних и осенних дождевых паводков, на реках исследуемой территории происходило в июле 2017 и в октябре — ноябре 2017 г. Эти закономерности характерны для рек Царевой Уньвы, Устинковой Уньвы, Большой Уньвы, Малой Уньвы. Результаты измерений расхода руч. Крутик несколько выбиваются из этого ряда — пик летнего паводка здесь приходится на июнь и август 2017 г. Некоторые отличия в годовом объеме распределения стока этого водотока, вероятно, определяются изменением характеристик водосборной площади, произошедшими вследствие вырубки лесов и подготовки территории к строительству объектов ГОКа.

Наибольшие значения модуля подземного стока (рис. 10) наблюдаются в створах южной части (створы № 4 и 8), где значения составляют 18,04 и 18,41 л/сек/км2 соответственно. В северной и центральной частях их значения находятся в интервалах 5,2—9,51 л/сек/км2. На флангах значение модуля подземного стока характеризуется средними и низкими показателями. Максимальное значение модуля подземного стока в западной части — 4,75, в восточной — 4,76 л/сек/км2.

Значения величины инфильтрации (рис. 11) в южной, северной и центральной частях отмечаются наибольшие в интервале 123,5—299,4 мм/год, а в западной части преобладают значения инфильтрации 88,3—149,7 мм/год. В восточной части значения величины инфильтрации самые низкие и составляют 62,5—150 мм/год.

Проведенные работы отражают закономерности, характерные для стока малых рек исследуемого региона. Некоторые отличия в годовом объеме распределения стока этого водотока, вероятно, определяются изменением характеристик водосборной площади, произошедшими вследствие вырубки лесов и подготовки территории к строительству объектов ГОКа.