Питание грунтовых вод

Для питания подземных вод имеет значение не только количество атмосферных осадков, но и частота их выпа­дения, интенсивность и, наконец, другие климатические и физико-географические условия. Летние ливни не играют большой роли в питании подземных вод, так как они бурно стекают в овраги и реки, очень мало промачивая почву. А осенние мелкие обложные дожди проникают в почву очень глубоко. Снег, выпадающий на мокрую промерзшую почву, не влияет на питание подземных вод, так как при весеннем снеготаянии талая вода не имеет возможности просочиться в глубь почвы. Если снег выпадает на талую или промерзшую сухую почву, то в нее при весеннем снего­таянии обильно просачиваются воды.

Физико-географические условия местности отражаются прежде всего на Как уже указывалось выше, часть атмосферных осадков испаряется, часть про­никает в почву и питает подземные воды, а часть их стекает по неровностям местности в пониженные участки. Сток атмосферных осадков особенно интенсивен, если рельеф местности обладает значительными неровностями, поверх­ность земли сложена непроницаемыми для воды породами и на них отсутствует растительность. В этих случаях осадки (особенно ливневые) иногда целиком стекают, не успев ни просочиться в землю, ни испариться хотя бы отчасти в воздух. Сток совершается особенно неравномерно, если осадки выпадают в виде снега. В течение зимы часть снега испаряется, не переходя в жидкое состояние. Весной снеготаяние зависит от колебания температуры: если теплые дни сменяются морозными ночами, то сток талых вод затягивается на довольно продолжительное время, и поло­водье на реках бывает продолжительным; если же теплые дни сменяются не морозными ночами, то паводок на реках проходит бурно в короткий срок.

Равнинный ландшафт, сложенный легко впитываю­щими воду горными породами, весьма затрудняет сток, содействуя просачиванию осадков в почву и их испа­рению.

Замеряя систематически сток реки и всех ее притоков, подсчитывают сток с бассейна реки в целом. Не надо при этом забывать, что, кроме поверхностного стока, суще­ствует и подземный сток, при котором бассейн данной реки может либо терять свои воды, отдавая их подземным путем из соседнего бассейна.

Миграция подземного потока воды из одного (расположен­ного выше) речного бассейна в другой

где 1 — водоупорные толщи, 2 — водоносная толща, 3 — направление подзем­ного потока

содействует прежде всего (нагревание солнцем). В южных странах, где летом поверхность земли нагревается до 70° С и выше, выпавший летний дождик почти весь испаряется. Испарение совершается значительно  сильнее при ветре, нежели в безветренную погоду.

В конечном итоге на просачивание идет сравнительно очень небольшая доля осадков. Для южной половины европейской части России просачивание едва ли превышает 20% годового количества осадков.

Большое значение в смысле изоляции почвы от осадков имеет растительность и в особенности древесная. Некоторые наблюдения показывают, что в хвойных лесах на деревьях задерживается до 68% осадков, а на лиственных дере­вьях — не менее 30%. Если дожди слабые, то и все 100% остаются на листве и хвое.

Роль древесных пород в задержании осадков

Следовательно, по лиственным деревьям до земли дохо­дит вдвое больше влаги, нежели по хвойным.

Тщательные наблюдения над задержанием осадков кро­нами деревьев проводились во многих местах. На терри­тории Центрального лесного государственного заповедника (Нелидовский район Великолукской области) подобные исследования в течение трех лет проводил Н. С. Васильев. Для наблюдений была выбрана площадка сплошного ельника с единичными березами. Возраст деревьев от 90 до 100 лет, средний диаметр 36 Во втором ярусе леса — клен, ясень, ильм, липа, в подлеске — лещина, крушина, жимолость, изредка рябина; травяной покров — медуница, ясменик, голубая перелеска, кислица и др. Моховой покров — лиственные зеленые мхи.

Влияние лесов на выпадение осадков по существу еще не вполне выяснено. Есть данные, которые указывают, что над лесами выпадает значительно больше осадков, нежели над полями. В некоторых случаях превышение количества осадков над лесом по сравнению с полем дости­гает 43% и более. Однако если брать поверхность Земли в общем, то количество осадков, выпадающих над боль­шими лесными массивами, превышает не более чем на 5% количество осадков, выпадающих на открытых местах.

Карта модулей речного стока

где а — изолинии модулей речного стока, б — то же, пред­положительно

Колебания расходов реки Бугуни с преобладающим снежным питаниемъ

Часть выпадающих осадков стекает по поверхности земли, питая так называемый Гидро­метрические исследования показали, что в Причерноморье и Прикаспии с 1 2 площади попадает в реки только 1  в Подмосковье — 6 а в Прионежье — 10 . Режим речного стока меняется в течение года. Основные этапы режима: прихо­дящееся на весну и часть лета, и — в остальное время года. Весенне-летнее половодье и последующая межень нарушаются под которыми под­разумевают быстро наступающее повышение уровня воды в реке и быстрый его спад. Особенно высокими бывают паводки весенние. Дружное снеготаяние после многоснежной зимы дает огромные количества талой воды, бурно стекающей по реке и вызывающей иногда ката­строфические наводнения. При паводках, вызываемых летними и осенними ливнями, уровень воды в больших реках не поднимается очень высоко, но на маленьких реках или на суходолах с относительно большим водо­сборным бассейном паводки проходят бурно и иногда бывают разрушительными. Нередко образуются грязевые и грязекаменные потоки, известные под названием силей. Сили часты на Кавказе и в Средней Азии. От подобного паводка пострадал в 1922 г. г. Алма-Ата.

Карта коэффициентов подземного стока

где 1 — изолинии коэффициентов подземного стока, 2—то же. предположительно

Часть выпавших, как уже говорилось, осадков прони­кает в землю и стекает подземным путем, образуя , который частично также возвращается в реку. Таким образом, реки питаются и поверхностным и подземным стоками. Доля последнего в питании рек не одинакова и колеблется в отдельных речных бассейнах в пределах от 10 до 40% от годового стока реки и даже более в реках так называемого подземного питания. Процент подземного питания рек также подвер­гается колебаниям: в засушливые годы он иногда резко падает, а в годы с обильными осадками повышается.

Между осадками, испарением, поверхностным и под­земным стоками существуют закономерные взаимоотно­шения:

осадки = испарению + поверхностный сток + подзем­ный сток.

Осадки и испарение достаточно точно измеряются метео­рологическими методами, поверхностный сток также хоро­шо измеряется гидрометрическими методами; для изме­рения подземного стока было предложено много методов, но почти все они вызывали существенные возражения.

Летние ливни интенсивно питают поверхностный сток, кратковременные дожди расходуются главным образом на испарение, а обложные дожди при низких температурах (например, осенью) интенсивно питают подземный сток. Роль леса в питании рек поверхностным стоком отрица­тельна. С другой стороны, способствуя накоплению грунто­вых вод, а следовательно, и увеличению подземного пита­ния рек, он играет положительную роль. Очевидно, что в отдельные годы та или иная сторона значения леса может преобладать или быть преуменьшенной.

Для подсчета и составления карт подземного стока в настоящее время используется метод, предложенный Б. И. Куделиным. Он положен в основу составлен­ных карт подземного стока европейской части России, с его помощью уточняются методы составления таких же карт для азиатской части России.

Свойство лесной растительности способствовать накоп­лению грунтовых вод используется в практике сельского хозяйства. В засушливых областях создаются лесостепные полосы. Они смягчают действие суховеев летом и способ­ствуют снегонакоплению зимой. В первом случае снижается испаряемость, во втором — улучшается питание грунтовых вод при снеготаянии. И то и другое способствует повыше­нию урожайности сельскохозяйственных культур.

Обширные научные исследования по проблеме связи атмосферных осадков и поверхностного и подземного стока ведутся Государственным гидрологическим институтом: под его методическим руководством прово­дятся опытные работы на специально организованных опытных станциях, в частности на Валдайской станции.

Почвенные воды, как уже было указа­но, представляют воды, залегающие у дневной поверхно­сти. Они не имеют непосредственно под собой водоупорного ложа и в этом отношении являются как бы водами под­вешенными. Наличие подобных вод можно представить себе следующим образом. На какой-нибудь поверхности в течение года выпало некоторое количество осадков, например 536 (Москва). Часть этих осадков испарилась, другая стекла по неровностям рельефа и третья (допустим, около 25%, т. е. 134 просочилась в землю. Если при­нять пористость сухой земли в данном месте равной около 30%, то просочившаяся вода смочит землю на глубину не более 60 и дальше вглубь в жидком состоянии не продвинется в силу влагоемкости земли. Таким образом эта вода окажется как бы во взвешенном состоянии в порах породы и будет существовать до тех пор, пока вследствие испарения, транспирации или передвижения вглубь в паро­образном состоянии она не иссякнет. Гравитационная вода здесь бывает нормально только в периоды избыточного увлажнения: в периоды снеготаяния, обложных дождей, разливов рек в поймах и пр.

Иногда почвенные воды определяют как воды, залегаю­щие в той части почвы, которая занята корневыми система­ми травянистых и кустарниковых растений, или же как воды, приуроченные к зоне зимнего промерзания. И то и другое определение не вполне удовлетворительно, особен­но второе. При продвижении с севера на юг мы попадаем в область, где промерзание отсутствует, и, таким образом, в этих областях как будто бы невозможно наличие почвен­ных вод, тогда как на самом деле они там фактически существуют.

Почвенные воды отличаются сезонным характером (чрезвычайно резко зависят от гидрометеорологических фак­торов), резкими колебаниями их температуры (зимой они могут замерзать, а летом нагреваться до температуры свыше 50° С), обогащенностью микроорганизмами и органи­ческими веществами (гумус). Почвенный слой богат всякого рода бактериями, в том числе болезнетворными. Эти же бак­терии характерны и для почвенных вод. Поэтому почвенные воды непригодны для технического использования и питья, хотя в условиях избыточного увлажнения они пресные.

Следует заметить, что микроорганизмы далеко вглубь из почвенного слоя проникнуть не могут; обычно на глуби­не 5—10 их уже не бывает. Почвенный слой с его микро- органическим населением является хорошим обеззаражива­ющим фильтром, в котором гибнут болезнетворные бакте­рии, попадающие в почву с нечистотами; почвенные цито­фаги уничтожают целый ряд заразных бактерий, такие как тифозные, холерные и др.

Иногда к почвенным водам относят скопления льда, наблюдаемые в пещерах, хотя это и неверно. Лед в пеще­рах, в отличие от вековой мерзлоты, может существовать в течение всего года в местностях с годовой температу­рой выше нуля, и даже в теплое лето, если зимой темпера­тура в этой местности опускается ниже нуля и пещеры представляют полости, направляющиеся в глубь земли. При этих условиях холодный воздух переохлаждает зимой стенки пещер, а благодаря уклону вглубь летом согревание этих пещер очень затруднительно. Попадающие в пещеры внешние воды замерзают там и в зависимости от размеров и глубины пещер могут продержаться очень долго. Пеще­ры, направляющиеся в глубь материка горизонтальными ходами, или ходами, поднимающимися кверху, непригодны для накопления в них льда. Как пример ледяных пещер в местностях с годовой температурой выше , можно при­вести пещеры Крыма и окрестности г. Куйбышев.

Так как почвенные воды более всего интересуют агроно­мов и почвоведов, как один из важнейших факторов разви­тия растительного покрова, то по существу только в почвен­ной и агрономической литературе мы и встречаем более или менее полные сведения о жизни и характере этих вод. В некоторых случаях, когда почвенные воды имеют постоянный характер и вызывают заболачивание, они при­влекают внимание гидрогеологов, гидротехников и мелио­раторов.

Схема соотношений почвенных и грунтовых вод

В почвенной литературе можно нередко встретить тер­мин «почвенно-грунтовые воды». Этот термин употребляет­ся в случае слияния почвенных и грунтовых вод в единый водоносный горизонт. Подобное явление имеет место тогда, когда:

В орошаемых районах нередко наблюдается повышение уровня грунтовых вод, залегавших до орошения на значи­тельных глубинах. Если породы, содержащие грунтовые воды, очень мелкоземисты, то капиллярный подъем разви­вается в них на высоту 2 м и более. При неучете этого обстоятельства орошение полей ведет к более или менее быстрому подъему грунтовых вод в зависимости от того, как производится орошение. Рассчитать потребное количе­ство воды для орошения таким образом, чтобы вся полив­ная вода была израсходована на транспирацию растениями и на испарение из увлажненного слоя почвы, почти невоз­можно. Трудно заранее предугадать, какой будет ход климатических условий и влияние этих условий на естест­венное увлажнение и иссушение почвы. Поэтому для орошения полей вода подается с некоторым избытком, который и идет на питание грунтовых вод. Уровень послед­них постепенно, из года в год, нарастает, а его капил­лярная кайма постепенно приближается к почве. Если грунтовые воды солоноваты или соленые и если толща горной породы, лежащей под слоем в той или иной мере осолонена, то капиллярные струйки также осолоняются. Достигнув почвы, а иногда и поверхности земли, капил­лярные воды испаряются, а принесенные ими соли отла­гаются как в самой почве, так, иногда, и на ее поверхно­сти. Происходит так называемое вторичное засоление почвы.

При капиллярном перемещении к поверхности земли солоноватых или соленых вод наблюдается и некоторое изменение раствора грунтовых вод; в капиллярах хлори­стые соединения передвигаются быстрее, а углекислые медленнее, поэтому, в конечном итоге, состав воды в капил­лярах, приблизившейся к почве в результате подъема уров­ня грунтовых вод, подпитанного оросительными пресными водами, отличается от состава собственно грунтовых вод. Эти своеобразные последствия орошения почв в засушли­вых областях требуют внимательного изучения гидро­геологических условий в районах подлежащих орошению земель. Основная задача исследования — предотвращение возможности вредных последствий орошения. Вопросами этого порядка занимается мелиоративная гидрогеология.

Следует различать вторичное засоление, наблюдающее­ся в результате подъема грунтовых вод при орошении, от природного засоления почв (осоление почв, образование солонцов, солончаков и пр.) вне зависимости от искус­ственного орошения. В некоторых областях, например на равнинах, прилегающих к Аральскому и Каспийскому морям, существуют подземные воды, образующие напор­ные водоносные горизонты. Водоупорные кровли этих водо­носных горизонтов недостаточно плотны и напорная вода, хотя и очень медленно, все же просачивается сквозь водо­упорные кровли и питает грунтовые воды. В данном случае наблюдается питание грунтовых вод не только за счет атмосферных осадков, но и за счет напорных вод глубоких водоносных горизонтов.

Грунтовые воды, поднимаясь по капиллярам до по­верхности земли, постепенно отдают растворенные в них вещества почве. В результате этого «векового» процесса происходит первичное засоление почв. В возникающих подобным образом солончаках можно наблюдать самые разнообразные минеральные образования — сульфатные, хлоридные, содовые и т. п. Наличие таких солончаков может служить поисковым признаком для обнаружения глубокозалегающих напорных (артезианских) водоносных горизонтов.

Вопросы осушения — это вопросы, касающиеся удале­ния избыточных почвенных и грунтовых вод. Изучение процессов заболачивания и режима вод заболоченных пространств представляет один из наиболее важных момен­тов при изучении почвенных вод, вернее комплекса почвен­но-грунтовых вод в районах избыточного увлажнения.

В почвенной литературе встречаются указания на суще­ствование «внутрипочвенного стока». Считают, что на поло­гих склонах дождевая и талая вода, насыщая почву, не просачивается вглубь, а стекает по внутрипочвенным слоям вдоль поверхности склона в сторону речной долины. Для подтверждения этой мысли приводятся данные опытных исследований. Анализ этих данных, произведенный Б. И. Куделиным, показал их несостоятельность. Сама идея внутрипочвенного стока противоречит законам гидродинамики, по которым капельно­жидкая вода, подчиняясь силе тяжести, просачивается вглубь до водоупорного пласта, по поверхности которого и могла бы стечь в сторону уклона этой поверхности.

Если в почве наблюдаются менее водопроницаемые прослои, например иллювиальный горизонт, то в моменты усиленного питания (снеготаяние и пр.) на этом горизонте может скопиться гравитационная (капильно-жидкая) вода как временный водоносный горизонт типа «верховодки». При наличии избыточного увлажнения и равнинном релье­фе здесь образуется болото.

Различают два основных типа болот — водораздельные и долинные.

Водораздельные болота возникают на более или менее равнинных междуречных пространствах, сложенных трудно-проницаемыми породами, и питаются за счет атмосферных осадков в областях избыточного и неустойчивого увлажне­ния. Так как здесь наблюдается постоянное вмывание растворимых солей в более глубокие горизонты, а питаю­щая болота вода почти совершенно лишена минеральных примесей, то в этих болотах развивается растительность с малозольным скелетом; образующиеся в таких болотах торфяники также малозольны и значительно калорийны. Это преимущественно моховые (например, сфагновые) болота.

Долинные болота залегают в пределах речных долин или вдоль водоемов (озер, прудов и пр.), питаются либо за счет более или менее минерализованных вод водоемов, либо за счет выклинивающихся подземных вод, которые также обычно значительно минерализованы; развивающие­ся здесь торфяники обладают значительной зольностью.

Заболачивание иногда наблюдается в области развития песчаных пространств, хотя, казалось бы, здесь вся избы­точная часть воды могла бы свободно фильтроваться вглубь. В результате передвижения почвенных растворов из верх­ней части почвы вглубь выносятся гумусовые соединения; встречая ниже (на глубине 1—2 м) полуторные окислы железа и алюминия, они образуют с ними нерастворимые железисто-гумусовые соли. Последние отлагаются вокруг песчинок, цементируют их, образуя вначале ортзанды, которые в дальнейшем сливаются в сплошные водоупор­ные плиты — ортштейны. Ортштейны не дают возможности напитывающей пески воде проникать далее вглубь, вслед­ствие чего и происходит заболачивание. Только раздробив ортштейны, можно восстановить фильтрацию вглубь избы­точной воды и вызвать осушение местности.

Как уже указывалось, впервые зоны грунтовых вод были вполне рационально выделены В. С. Ильиным. В то время совершенно не были изучены проявления вечной мерзлоты на простран­стве от Панхоя и Урала и до северных склонов Кольского полуострова. Поэтому В. С. Ильин включил в выделен­ную им зону «грунтовых вод типа тундровых» также и грун­товые воды узкой полосы мерзлоты вдоль Баренцева моря, на пространстве которой наблюдаются воды деятельного слоя, типичные для областей вечной мерзлоты.

Грунтовые воды «типа тундровых», в понимании В. И. Ильина, примыкают к этой мерзлотной зоне, но отли­чаются от нее наличием криволесья (мелкие кустарники, карликовые березы и т. п.), отсутствующего в типичной тундре. Сюда принадлежат грунтовые воды тундры Севера. Они почти совершенно не минерализованы, но содержат так много органических веществ, что для питья часто совершенно не пригодны.

Северная часть зоны охвачена мерзлотой. В бассейне р. Печеры, в его Приуральской части, эта граница находит­ся примерно на 61° с. ш., а к Притнманской части она поднимается до 65° с. ш. Таким образом, здесь мерзлота островного типа наблюдается значительно южнее северного полярного круга. Далее к западу эта граница наблюдает­ся только к северу от полярного круга, где она отделяет сравнительно узкую полосу вдоль побережья Кольского полуострова. На этом пространстве среднегодовые темпера­туры —3, —4° С, среднегодовое количество осадков 300— 400 а среднегодовая испаряемость едва достигает 200— 250 В короткое лето оттаивает в пределах Болыне- земельской и Малоземельской тундр незначительная тол­ща поверхностного слоя земли. Меньше всего оттаивают торфянистые почвы — до 0,5 глинистые почвы оттаива­ют до 0,75—1 а песчанистые — до 1,5 Оттаивающий слой называется «деятельным» слоем. Он недостаточен для развития корней кустарников и деревьев, поэтому здесь растут только мхи и травы. Равнинные пространства тундр изобилуют болотами. Только на самом юге мерзлотной зоны деятельный слой достигает нескольких метров.

В южной части зоны среднегодовые температуры около 0° С. Хотя мерзлотных явлений здесь не наблюдается, но резкое преобладание хотя и незначительных осадков над испаряемостью вызывает заболачивание не только пойменных частей речных долин, но и равнинных довольно плоских междуречий. По мнению некоторых авторов, в пита­нии грунтовых вод здесь принимают участие также напор­ные воды, расположенные в коренных породах водоносных горизонтов.

По южной окраине описанной подзоны развиваются кустарники и криволесье.

Мерзлотная зона и зона «вод типа тундровых» продол­жаются и далее на восток в Зауралье. Там граница верх­ней мерзлоты пересекает Западно-Сибирскую низменность и,  достигнув реки Енисея, круто спускается вдоль Ени­сейского кряжа к югу. Точно так же и зона «вод типа тундровых» захватывает полосу того же направления в Западной Сибири и ограничена зоной «вечной мерзлоты» с северо-востока и зоной «высоких вод» с юга.

В области Тиманского кряжа, Карелии и Кольского полуострова зона тундровых вод осложняется тем, что доминирующую роль в литологии здесь играют жесткие породы, содержащие воду в трещинах, а в междуречье Онега — Северная Двина развит карст. Вдоль крупных рек в современных аллювиальных, древнеаллювиальных п в флювиогляциальных отложениях развиты мощные прес­ные водоносные горизонты.

Зона высоких вод Севера

Грунтовые воды приурочены, главным образом, к четвертичным отложениям и залегают близко к поверхности — на междуречьях, на глубине а в пониженных местах почти сливаются с болотами. Количество осадков в этой зоне достигает 700 иа западе и 500 — на востоке; среднегодовые температуры +4°С на западе и +3, +4°С — на востоке; испаряемость значительно ниже количества осадков.

Зона тянется от Среднего Урала на востоке, захватывая верховья рек Печоры, Северной Двины (Сухона, Юг), Камы, Вятки и более мелких притоков р. Волги, области Онежского и Ладожского озер до Псковского озера и далее па юг, отсюда уходит в бассейн Днепра до Украинской кристаллической гряды.

Для описанных зон характерно энергичное участие грунтовых вод в питании рек. Зона «высоких вод Севера» продолжается и в Зауралье, где она пересекает Иртыш, Обь доходит до берегов Енисея. Азональным элементом здесь являются обширные заболо­ченные пространства междуречий. Из этих болот на­иболее крупное Васюганское, развитое в бассейне р. Ва­сюгаи.

Зона неглубоких оврагов

Климатические условия зоны также отличаются преобладанием осадков над испаряе­мостью. В средней части ее (в Подмосковье) среднегодовое количество осадков достигает 560 среднегодовая температура около -1 5° С, испаряемость несколько выше, чем в предыдущих двух зонах, но все же меньше количества ссадков. Грунтовые воды здесь близки к поверхности пони­женных мест междуречий; в оврагах и речных долинах рек обычны обильные ключи, питающие реки. Воды мяг­кие. На востоке зона начинается на западных склонах Уфимского плато и протягивается на запад до девонского полесского вала. С севера в нее глубоко вдается предыдута я зона района Горьковского Поволжья (до самой р. Вол­га): на юге она заходит клином в следующую зону к югу от бассейна р. Цна.

На междуречьях, сложенных моренными суглинками, наблюдается нередко аномальное залегание грунтовых вод, зависящее от структуры моренных толщ. Это объясняется тем, что в северной половине описанной зоны имеются две морены, разделенные межмореннымн песками, иногда толь­ко линзами песков. В толще самой морены грунтовые воды средней жесткости, но нередко содержат заметное количество железа.

Зона глубоких оврагов

Сравнительно узком лентой протягивается она из Ульяновского Поволжья в право­бережье бассейна р. Днепр, значительно расширяясь на пространстве Тула — Воронеж. Питание рек грунтовыми водами здесь уже ослаблено, так как в климатическом отношении это зона неустойчивого увлажнения: коли­чество осадков в отдельные годы бывает ниже величины испаряемости. В летние месяцы наблюдаются ливни, обусловливающие интенсивное развитие оврагов. Послед­ние нередко разрастаются очень быстро. Для борьбы с овра­гами еще в прошлом столетии здесь были созданы специаль­ные организации.

На междуречьях воды залегают довольно глубоко. В оврагах и речных долинах часты ключи, питающие реки. Колебания уровня грунтовых вод довольно значи­тельны. Качество вод для питья удовлетворительное, жест­кость средняя и высокая (часто до 7—9

Грунтовые воды почти всюду залегают глубоко. Верховодка часто пересыхает. Ключи редки. Воды обычно жесткие, иногда солоноватые. Захва­тывая на востоке южный склон Уфимского плато, зона пересекает Поволжье на протяжении Ульяновск — Вол­гоград и уходит на запад до Украинской кристалли­ческой гряды. На восток эта зона продолжается в пре­делы Западной Сибири, захватывая целинные земли, и пересекает верхнюю часть бассейна р. Обь. Южной границей этой зоны является Казахское низкогорье. В кли­матическом отношении зона отличается неустойчивым увлажнением. Нередко испаряемость превышает количе­ство осадков. Среднегодовая температура ° С. А коли­чество осадков колеблется от 450 на западе до 350— 300 на востоке. Питание рек грунтовыми водами невелико.

Зона Причерноморских балок

Грунтовые воды за­легают очень глубоко, на водоразделах иногда глубже нескольких десятков метров, обычно очень жестки или солоноваты. Ближе всего к поверхности они в долинах балок.

Начинается зона в Поволожье от Ергеней и в Северо- Кавказском крае от западных склонов Ставропольского плато и продолжается на запад до Карпатских предгорий. Среднегодовые температуры —9° С, количество осадков колеблется от 450 до 350 испаряемость в отдельные годы достигает 700—800 Таким образом, эта зона представляет собой переход от степного климата к полу­пустынному, который особенно ярко выражен на простран­стве между Ергепями и Каспийским морем.

Зона Прикаспийских балок

В Прикаспийской впадине грунтовые воды при близком к поверхности залегании сохраняют отрицательные черты предыдущей зоны в усло­виях мало расчлененного рельефа, характерного для пустынь и полупустынь.

Зона охватывает Терско-Кумскую низменность, низовья рек Волги, Урала и Эмбы. Здесь многочисленны бессточ­ные понижения. Балки отличаются небольшой глубиной при очень большой ширине, достигающей иногда нескольких километров. Зона подвержена суховеям, которые приходят либо с севера и северо-востока из холодных мало увла­жненных масс воздуха Арктики, либо с юго-востока, из пустынь Афганистана и Ирана. Характерны для этой зоны «черные бури», иссушенные почвы и «черные земли», ничтож­ный снежный покров зимой. Эту зону пересекает система бессточных рек Манычей.

Преобладание испаряемости над осадками здесь достига­ет огромной величины, а количество осадков падает до 250

По существу эта зона представляет уже западную часть третьей провинции «равновесия подземного стока грунтовых вод и их испарения», охватывающей всю Сред­нюю Азию и Прикаспийское Закавказье, в котором коли­чество осадков не превышает 200—250 а испаряемость превышает

Резкий контраст с восточным Закавказьем представляет отделенное от последнего Сурамским перевалом западное Закавказье — бассейн р. Риони. Здесь среднегодовое коли­чество осадков в южной части Причерноморья (Батуми, Сухуми) достигает 2400 а испаряемость меньше одной четверти осадков. Таким образом, если Прикаспийское Закавказье страдает от недостатка влаги и требует ороше­ния, то Причерноморское Закавказье нуждается в серьез­ных осушительных мероприятиях.

Условия питания и режим грунтовых вод

Грунтовые воды могут иметь следующие источники питания:

1. Инфильтрация атмосферных осадков, которые или прямо проникают чрез зону аэрации до грунтовых вод, или увлажняют почвенный слой до появления гравитационных вод. Последние могут попадать на поверхность подвешенных капиллярных вод. Уровень грунтовых вод при этом повышается, особенно в низинных местах, где инфильтрация происходит более интенсивно.

2. Инфильтрация вод рек, озер, и других поверхностных водотоков и водоемов в паводковые периоды. В межень, наоборот, они питают грунтовые воды. Взаимоотношение поверхностных и грунтовых вод разнообразно, что можно видеть на рисунках 6,7.

Рисунок 6. Область питания грунтовых вод: 1 — песок; 2 — песок водоносный; 3 — глина; 4 — кривая депрессии;

5 — родник нисходящий

3. Подпитывание грунтовых вод за счет более глубоко залегающих подземных вод, что может быть установлено путем тщательного анализа гидрогеологических условий. Особенно помогают гидрогеохимические данные, так как микрокомпонентный состав — более чуткий индикатор и более дифференцированный в различных типах вод.

Рисунок 7. Различные случаи соотношения грунтовых и речных вод в периоды паводков

а — река обычно дренирует горизонт грунтовых вод; б — река всегда питает грунтовые воды; в — гидравлическая связь между грунтовыми и поверхностными водами отсутствует даже в паводки; г — гидравлическая связь между грунтовыми и поверхностными водами отсутствует только в период низкого уровня в реке; д — река влияет на уровень грунтовых вод только в узкой приречной полосе; 1 — водопроницаемые породы; 2 — водоупорные породы; 3 — уровень грунтовых вод

Г.Н. Каменский выделяет два основных типа режима подземных вод:

1. Водораздельный тип, характерный для участков, удаленных от рек и других поверхностных водоемов и подземных вод, не имеющих гидравлической связи с водами поверхностных водоемов в связи с перекрытием водоупорными породами.

2. Прибрежный тип, свойственный подземным водам прибрежных участков при наличии гидравлической связи с водами рек и других водоемов. По мере удаления влияние их затухает, и режим переходит в водораздельный.

Имеются и смешанные типы режима подземных вод, среди которых можно выделить три подтипа:

1) Грунтовые воды безнапорные неглубокого залегания при весьма небольшой зоне аэрации.

2) Грунтовые безнапорные воды глубокого залегания с мощной зоной аэрации.

3) Напорные грунтовые воды.

Для водораздельного типа в режиме первого подтипа важное значение имеют резкие эпизодические колебания уровня вод, во втором – сезонные. В общем случае прибрежный режим отражает тип режима реки. Здесь виден подъем уровня в весеннее половодье (паводок) и снижение летом (летняя межень), небольшой подъем осенью и зимняя межень.

Особенности грунтовых вод

· Это безнапорные воды и перемещаются под действием силы тяжести

· Питание их осуществляется преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации влаги в зоне аэрации

· Разгрузка происходит у основания склонов в поверхностные водоемы и водотоки, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь

· Вследствие воздействия приповерхностных факторов уровень, дебит, температура и другие параметры грунтовых вод подвержены колебаниям во времени

· Неглубокое залегание и интенсивный подземный сток вызывают формирование преимущественно пресных грунтовых вод, но при недостаточном увлажнении территории они становятся минерализованными и солеными.

Условия питания и распространения грунтовых вод. Питание грунтовых вод осуществляется через зону аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков (дождевых, талых и паводковых вод) и конденсирующейся влаги в зоне аэрации.

Величина инфильтрации зависит от продолжительности выпадения осадков. Наибольшее значение дают длительные обложные дожди. Зимние осадки могут служить источником питания грунтовых вод весной после оттаивания промерзших пород.

В местах нарушения водоупорного перекрытия (гидрогеологические окна) грунтовые воды могут пополняться за счет подтока напорных вод из расположенных ниже пластов если напорный уровень превышает отметки грунтовых вод.

Разгрузка грунтовых вод происходит через рассеянные и сосредоточенные выходы, пластовые высачивания или в заболоченные места. Иногда такие участки протягиваются вдоль склона холмов в виде заболоченной полосы.

Характер залегания грунтовых вод зависит от многих факторов (условий питания, водопроницаемости пород, конфигурации берегов водоемов и водотоков, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь, положения водоупорного пласта и т.п.). Поверхность грунтовых вод отражают на карте гидроизогипс.

Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными, или относительными отметками уровня грунтовых вод.

Глубина уровня грунтовых вод часто зависит от рельефа местности. Поэтому поверхность грунтовых водоносных горизонтов нередко повторяет в сглаженном виде рельеф. В речных долинах, балках оврагах и других понижениях рельефа грунтовые воды находятся на сравнительно небольшой глубине, а на водоразделах глубина залегания может достигать нескольких десятков метров.

Режим грунтовых вод, т.е. процесс изменения их количества и качества во времени, крайне непостоянен и зависит от воздействия на них природных или искусственных факторов. Режим, определяемый только природными факторами называют естественным или ненарушенным, тогда как при влиянии на его формирование искусственных факторов – его называют нарушенным.

Напорные подземные воды. Напорными называют подземные воды в подземных горизонтах, перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами и обладающие гидростатическим напором. Последний вызывает подъем уровня воды над кровлей при вскрытии скважинами. При благоприятных условиях скважины дают фонтанирующую воду. Однако не везде водоносный горизонт с напорными водами дает самоизлив.

Для напорных вод характерны следующие особенности:

· Это межпластовые воды, горизонты и комплексы которых изолированы сверху и снизу водоупорами

· Область питания и создания напора вод и область их распространения не совпадают и часто удалены одна от другой на большие расстояния

· При вскрытии напорного водоносного горизонта появление воды в скважине всегда отмечается глубже по сравнению с установившимся уровнем, если уровень устанавливается выше земной поверхности, то скважина фонтанирует

· Режим этих вод более стабилен по сравнению с режимом грунтовых вод. Поверхностные факторы оказывают на него гораздо меньшее влияние

· В верхней части разреза напорные воды пресные, а с глубиной их минерализация возрастает.

Условия питания и распространения. Среди природных емкостей напорных вод основными являются бассейны пластовых вод и моноклинальные бассейны пластовых вод.

Под бассейном пластовых вод понимают совокупность напорных водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в синклинальных структурах, где движение подземных вод происходит под влиянием гидростатического напора.

Водоносные комплексы напорного типа отличаются относительно небольшим размером области питания (создания напора) по сравнению с площалью стока (развития напора). Иногда питание напорных вод осуществляется путем подтока из нижележащего горизонта. Подток обычно происходит по тектонически ослабленным зонам или через относительные водоупоры. Иногда эти воды гидравлически связаны с грунтовыми на участках, где размыты перекрывающие водонепроницаемые пласты.

Область распространения напора находится внутри основной площади напорного бассейна; в ее пределах водоносным горизонтам (комплексам) свойственны напорные уровни, которые принято называть пьезометрическими. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня называют напором подземных вод. Напор характеризует запас потенциальной энергии воды.

Пьезометрический уровень определяют по измерениям в скважинах, вскрывших водоносный горизонт. Характер поверхности, составленный пьезометрическими уровнями на картах изображают гидроизопьезами. Гидроизопьезы – это линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.

Элизионные воды. Кроме напорных вод, находящихся под гидростатическим напором, существуют воды с иным источником напора и питания. Их выделяют в самостоятельную группу. Различия в геологическом строении районов распространения и факторов напорности глубинных вод обусловливают их деление на воды:

· Бассейнов пластовых вод

· Кристаллического фундамента, в том числе – древних щитов

· Различного рода разломов глубокого заложения в тектонически активных областях.

В первом случае и отчасти во второмпреобладают пассивные причины (гравитация, пластичность пород, присутствие углеводородов и т.д.), в третьем – колоссальные эндогенные силы. Соответственно на противоположных полюсах будут находиться воды с элизионным и эндогенным питанием.

Наиболее типичные случаи распространения элизионных вод характерны для бассейнов пластовых вод. Напрмер, основная масса вод гидрогеодинамической зоны весьма затрудненного водообмена, воды нефтяных и газовых залежей. Пластичные осадочные породы обладают наилучшими свойствами с одной стороны, для изоляции подземных вод от влияния гидростатического напора, а с другой – для возникновения и сохранения гидрогеодинамических аномалий.

Как правило, для скважин, вскрывающих элизинные воды, характерен пульсирующий режим излива. Их дебит быстро, реже постепенно снижается вследствие релаксации пластового давления. Такой режим присущ и рассолам Припятского прогиба. Общим для глубинных рассолов является быстрое истощение дебита. Глубина залегания таких вод изменяется существенно. Иногда «запечатанные» линзообразные залежи рассолов с аномально высоким пластовым давлением (АВПД) встречаются всего на 0,4 – 0,5 км ниже земной поверхности.

В формировании ресурсов элизионных вод участвуют воды различного происхождения, но чаще всего они являются полигенетическим образованием. Занимая самые нижние горизонты, элизионые воды в соответствии с нормальной гидрогеохимической зональностью обычно минерализованные. Более того, они могут быть предельно насыщенными с минерализацией свыше 500 г/дм3. Очень часто глубинные воды содержат в повышенных количествах ряд макро- и микрокомпонентов (редкие щелочи, бром, фтор, стронций, литий, тяжелые металлы и т.п.).

Первые работы по гидродинамике подземных вод (1856 г.) принадлежат французским ученым А. Дарси и Ж. Дюпюи. Первый установил основной закон фильтрации, названный впоследствии линейным законом Дарси (известен и нелинейный закон Дарси). Второй применил закон Дарси к определению расхода подземных вод и притока воды к скважине. Закон Дарси описывает движение флюида через пористую среду. В дальнейшем изложении мы не будем рассматривать движение сжимаемых жидкостей, неньютоновских жидкостей и многофазного течения флюидов.

ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ И ИХ РЕЖИМ

Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли стабильного водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или верхней трещиноватой части коренных пород, залегающего на первом от поверхности, выдержанном по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения водопроницаемых пород. Верхняя граница зоны насыщения называется уровнем или зеркалом грунтовых вод (см. рис. 3). Порода, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом, мощность которого определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. Она изменяется в пространстве и во времени. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, местами за счет инфильтрации вод рек и других поверхностных водоемов.

По гидравлическим свойствам грунтовые воды безнапорные со свободной поверхностью. Уровень воды в буровых скважинах и колодцах, вскрывающих грунтовые воды, устанавливается на высоте, соответствующей верхней границе их свободной поверхности. Выше уровня грунтовых вод располагается капиллярная кайма.

Движение грунтовых вод подчиняется силе тяжести и осуществляется в виде потоков по сообщающимся порам или трещинам. Зеркало грунтовых вод до известной степени повторяет рельеф поверхности, и грунтовые потоки движутся от повышенных участков (начиная от водораздела грунтовых вод) к пониженным участкам (оврагам, рекам, озерам, морям), где происходит их разгрузка в виде нисходящих источников (родников) или скрытым субаквальным рассредоточенным способом (например, под водами русел рек, дном озер и морей). Такие области называются областями разгрузки или дренирования (франц. «дренаж» — сток). Грунтовый поток, направленный к местам разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной (рис. 4). Течение грунтовой воды называется фильтрацией. Она зависит от наклона зеркала грунтовых вод или от гидравлического (напорного) градиента, а также от водопроницаемости горных пород.

Движение грунтовых вод через относительно мелкие поры и неширокие трещины происходит в виде отдельных струек и называется ламинарным (параллельно-струйчатым) и только в галечниках, сильно трещиноватых и закарстованных породах приобретает местами турбулентный характер. Скорость движения воды V, по линейному закону А. Дарси, пропорциональна коэффициенту проницаемости (коэффициенту фильтрации) К и гидравлическому градиенту J:

V=KJ, где J=h (разница высот) /е (пройденное расстояние).

Скорость движения воды в песках от 0,5 до 1-5 м/сут, в галечниках значительно увеличивается. Особенно большая скорость потока грунтовых вод местами наблюдается в крупных подземных карстовых каналах и пещерах.

Расход грунтовых вод (Q) прямо пропорционален гидравлическому градиенту (J) и площади поперечного сечения (F):

Q = KJF, или Q=VF.

Режим грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод, количество и качество их изменяются во времени. Это тесно связано с меняющимся количеством инфильтрующихся атмосферных осадков. В многоводные годы при большом количестве атмосферных осадков (включая и снеговой покров) уровень грунтовых вод повышается, а в маловодные годы понижается. При таких колебаниях некоторые слои пород то заполняются водой, то осушаются. В результате периодически появляется зона переменного насыщения, находящаяся над зоной постоянного насыщения (см. рис. 4). Вместе с колебанием уровня грунтовых вод изменяется дебит (франц. «дебит» — расход) источников, а иногда и химический состав. В режиме грунтовых вод определенное значение имеет также их взаимодействие с поверхностными водотоками и другими водоемами. Направленность процессов взаимодействия во всех случаях определяется соотношением уровней подземных и поверхностных вод, что связано с рядом факторов, среди которых важнейшее значение имеют климатические условия. В районах с влажным и умеренным климатом реки, как правило, дренируют подземные воды, уровень которых имеет наклон к реке, но во время половодья и паводков происходит отток воды из реки и повышение уровня грунтовых вод (рис. 5).

В этом случае реки выступают в качестве временного дополнительного источника питания подземных вод, в результате происходит сокращение или полное прекращение разгрузки грунтовых вод в бортах долины реки. После спада паводка уровень грунтовых вод, стремясь к равновесию, постепенно снижается и приобретает свой обычный уклон к реке. В районах с аридным климатом, где количество атмосферных осадков очень мало, уровень грунтовых вод нередко понижается от реки. В этих условиях происходит инфильтрация воды из рек, пополняющая подземные воды. Такая инфильтрация имеет место из рек Амударьи и Сырдарьи при пересечении ими степных районов. В аридных областях могут формироваться линзы пресных вод под такырами и вблизи каналов.

При изучении режима грунтовых вод важно знать: 1) высотное положение их уровня и уменьшение его во времени и по площади; 2) дебит источников; 3) количество выпадающих атмосферных осадков; 4) изменение уровня воды в поверхностных водоемах и реках, с которыми связаны грунтовые воды. Изучение этих вопросов и систематические замеры уровня грунтовой воды в колодцах и специальных буровых скважинах производятся на многочисленных режимных гидрогеологических станциях. По результатам этих замеров, соответствующих определенному времени, строятся карты гидроизогипс (греч. «изос» — равный, «гипсос» — высота), на которых отражаются линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. По карте гидроизогипс можно определить направление грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и зависимость его уклона от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта. Как видно из данных рис. 6, А, при пересечении хорошо водопроницаемых галечников уровень грунтовых вод выполаживается, что отражено и на карте гидроизогипс (Б). Изучение режима грунтовых вод имеет большое значение при решении ряда важнейших народнохозяйственных задач. К ним относятся питьевое и промышленное водоснабжение, мелиорация земель, строительство гидростанций и других крупных промышленных сооружений. Во всех случаях необходим точный прогноз возможных изменений режима грунтовых вод во времени и по площади.

Межпластовые ненапорные воды. Эти безнапорные воды располагаются в водопроницаемых породах, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми пластами. Обычно они встречаются на приподнятых междуречных массивах в условиях расчлененного рельефа (местной гидрографической сети) и выходят в виде нисходящих источников в береговых склонах оврагов, рек и других поверхностных водоемов (см. рис. 9).