III. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

К подземным водамкак объекту изучения гидрологией относятся воды, содер­жащиеся в земной коре и активно участвующие в круговороте воды на земном шаре, т.е. взаимодействующие с атмосферой и поверхностными водами.

Основной источник формирования подземных вод - атмосферные осадки (таю­щий снег и дожди), которые поступают в верхний слой грунта в результате инфильтра­ции (впитывания). При обильном поступлении воды она заполняет все пустоты в грун­те. По трещинам, ходам животных, отверстиям от сгнивших корней растений, относи­тельно крупным порам (т.е. промежуткам между частицами грунта) вода перемещается вниз под влиянием силы тяжести - это гравитационная вода.Она достигает водо­упорного слоя (чаще всего глинистые отложения), накапливаясь здесь, образует водо­носный горизонт, т.е. слой водопроницаемого пласта, насыщенного водой, которая движется по поверхности водоупора в сторону его уклона под влиянием силы тяжести. Там, где отрицательные формы рельефа (речные долины, овраги, озерные котловины) вскрывают водоносный горизонт, подземные воды выходят на поверхность в виде род­ников или рассредоточенного высачивания на участке склона.

При определенном геологическом строении грунтовые воды до выхода на по­верхность перекрываются другим водоупором, затем вторым и.т.д. Воды, перекрытые сверху водоупорными слоями, называются межпластовыми подземными водами.Питание этих вод осуществляется на участках, где соответствующий водоносный гори­зонт не перекрыт сверху водоупором. Для межпластовых вод характерно возникнове­ние напора,вследствие которого вода при вскрытии водоносного горизонта буровой скважиной или по естественным трещинам поднимается вверх. Уровень, до которого поднимается вода, называется пьезометрическим уровнем.Превышение этого уровня над уровнем воды в водоносном горизонте называется высотой напора.Подъем воды под действием напора может достигать земной поверхности. Особенно это свойственно артезианским водам, приуроченным к геологическим структурам синклинального типа - артезианским бассейнам.

Между водоносными горизонтами обычно существует связь вследствие циркуля­ции воды по трещинам в водоупорах или путем медленного просачивания через них по порам.

Подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, называются пласто­выми водами.В горных породах подземные воды чаще перемещаются по системе те­щин в породах (трещинные воды),по изолированным трещинам или жилам с повы­шенной трещиноватостью (жильные воды), по карстовым пустотам (карстовыево­ды).

В зоне распространения многолетнемерзлых пород различают подмерзлотные воды,залегающие под толщей мерзлых пород, межмерзлотные водывнутри мерзлой толщи и надмерзлотные воды,для которых мерзлые породы служат водоупором.

Грунтовые и тем более межпластовые воды существуют, как правило, в течение всего года и обеспечивают постоянное питание рек. В зоне распространения многолет­немерзлых пород это относится только к подмерзлотным водам.

Отношение объема всех пустот к объему образца грунта называется скважинностью,а объема пор (V_пор) к объему грунта (V_гр) называется пористостью(р): р = V_пор/V_гр Обычно они выражаются в %. Пористость песка в среднем 40%, глины - около 50%.

Верхний слой грунта после прекращения таяния снега или дождя постепенно ос­вобождается от гравитационной воды. По возникшим пустотам циркулирует воздух. Слой грунта (верхняя часть которого является почвой) до уровня грунтовых вод назы­вают зоной аэрации. Вэтой зоне остаются следующие типы вод:

- капиллярная вода, заполняющая поры и находящаяся под влиянием капилляр­ных сил; в нижней части зоны аэрации вода, поднимаясь по порам над слоем грунтовых вод, образуют зону капиллярного поднятия (капиллярную кайму) толщиной от 0 (гра­вий, галька) до 6-12 м. (глина);

-пленочная вода, образующая тонкую пленку вокруг частиц грунта и сравнитель­но слабо связанная с ними молекулярными силами; перемещается от мест с большей толщиной пленки к местам с меньшей ее толщиной;

- гигроскопическая вода, прочно связанная с частицами грунта молекулярными силами.

Способность грунта вмещать и удерживать определенное количество воды назы­вается влагоемкостью грунта. Полная влагоемкость- суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор, выраженная в процентах от массы образца грунта. Наименьшая(или полевая) влагоемкость- вода, остающаяся в грунте после отекания гравитационной воды (для песков 3-5%, суглинков и глин 12-22%). Влажность грунта— фактическое содержание воды в грунте, выраженное в ви­де толщины слоя (в мм) или в процентах от массы сухого грунта.

Воды зоны аэрации, оставшиеся в порах грунта, постепенно расходуются на испа­рение, в основном путем транспирации растений.

Временные скопления гравитационных вод, в зоне аэрации могут возникать над отдельными линзами водоупорных пород (верховодка) и над относительным водоупо-ром, например, над иллювиальным горизонтом подзолистых почв, водопроницаемость которого значительно меньше вышележащих слоев. Перемещение воды по относитель­ному водоупору в сторону его уклона образует почвенный,или внутрипочвенный сток.

Подземные воды могут формироваться в результате инфильтрации в грунт не только атмосферных осадков, но и воды из поверхностных водных объектов. Оба эти вида вод называются инфильтрационными подземными водами.Подземные воды могут формироваться также в следствие конденсации водяного пара в порах грунта. Это конденсационные воды,играющие заметную роль в пустынях. Все перечислен­ные виды подземных вод являются экзогенными. К эндогеннымотносятся воды, об­разующиеся из паров магмы — дегидрационныеводы.

Глубина распространения межпластовых подземных вод, участвующих в круго­вороте воды на земле, достигает, как правило, нескольких сотен метров. Глубина зале­гания грунтовых вод, сильно изменяясь по территории в зависимости от локальных ус­ловий в целом, подчинена закону географической зональности, увеличиваясь от долей метра в зоне тундр до десятков метров в степной зоне.

Движение подземных вод по порам в зоне насыщения, называемое фильтрацией,как правило, ламинарное. Скорость фильтрации (v_ф) выражается законом Дарси:

v_ф = К_ф·I

Здесь I - гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня безнапорных вод, либо уклону пьезометрического уровня для напорных вод; К_ф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации через данный грунт при I = 1 (т.е. вертикально вниз); его размерность м/с или м/сут. К_ф для галечника равен 100-200 м/сут., для песка 1-50, для супеси 0,1-0,5, для глины 0,001-0,0001 м/сут.

Движение трещинных, жильных и особенно карстовых подземных вод может быть турбулентным.

Уравнение водного баланса зоны аэрации в пределах речного бассейна:

x_инф + z_гр = y_почв + П_гр + z_з.а. ±∆u_з.а.

где х_инф — поступление воды с поверхности земли (инфильтрация атмосферных осад­ков), z_гр - испарение грунтовых вод, z_з.а. - испарение из зоны аэрации, П_гр - питание грунтовых вод из зоны аэрации, ∆и_гр — изменение влагозапасов вод зоны аэрации.

Уравнение водного баланса грунтовых вод (при отсутствии притока из-за преде­лов речного бассейна и фильтрации через водоупор):

П_гр = y_гр + z_гр ± ∆u_гр

где у_гр— сток грунтовых вод (т.е. разгрузка грунтовых вод на земную поверхность или непосредственно в реки и водоемы), ∆u - изменение запаса (объема) грунтовых вод. Типы водного режима зоны аэрации:

1) промывной — х_инф >> z_з.а., избыток воды расходуется на П_гр и y_почв;

2) компенсированный - x_инф ≈ z_з.а.;

3) испарительный (выпотной) - х_инф << z_з.а., недостаток воды частично возмещает­ся за счет z_гр.

Типы водного режима грунтовых вод:

1) сезонного (преимущественно весеннего и осеннего) питания; максимальный уровень грунтовых вод весной, меньшее повышение осенью, низкий уровень в конце лета и особенно в конце зимы; наблюдается на большей части территории стран СНГ;

2) кратковременного летнего питания; максимальный уровень в июне — июле (иногда августе-сентябре); наблюдается в зоне многолетней мерзлоты;

3) круглогодичного, преимущественно зимне-весеннего питания; максимальный уровень в феврале-апреле, минимальный - в летне-осеннее время (юг и запад террито­рии бывшего СССР с непромерзаемой зоной аэрации).

Типы взаимодействия подземных и поверхностных вод:

1) Двухсторонняя гидравлическая связь. При низком уровне воды в реке уровень грунтовых вод находится выше, река получает грунтовое питание. При высоком уровне воды в реке уровень грунтовых вод оказывается ниже. Происходит инфильтрация реч­ной воды в грунт. Этот тип характерен для средних и крупных равнинных рек.

2) Односторонняя гидравлическая связь. Уровень воды в реке постоянно выше уровня грунтовых вод. В течение всего года речная вода питает грунтовые воды. Ха­рактерно для некоторых засушливых, а также карстовых районов.

3) Отсутствие гидравлической связи. Водоупор расположен выше максимального уровня воды в реке. Происходит постоянное питание реки грунтовыми водами, разгру­жающимися на склонах долины в виде ключей или рассредоточенного высачивания. Наиболее характерно для горных районов.