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 (Vпор) к объему грунта (Vгр) называется пористостью(р): р = Vпор/Vгр 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 (vф) выражается законом Дарси:
vф = Кф·I
Здесь I - гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня безнапорных вод, либо уклону пьезометрического уровня для напорных вод; Кф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации через данный грунт при I = 1 (т.е. вертикально вниз); его размерность м/с или м/сут. Кф 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:
xинф + zгр = yпочв + Пгр + zз.а. ±∆uз.а.
где хинф — поступление воды с поверхности земли (инфильтрация атмосферных осадков), zгр - испарение грунтовых вод, zз.а. - испарение из зоны аэрации, Пгр - питание грунтовых вод из зоны аэрации, ∆игр — изменение влагозапасов вод зоны аэрации.
Уравнение водного баланса грунтовых вод (при отсутствии притока из-за пределов речного бассейна и фильтрации через водоупор):
Пгр = yгр + zгр ± ∆uгр
где угр— 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 — хинф >> zз.а., избыток воды расходуется на Пгр и yпочв;
2) компенсированный - xинф ≈ zз.а.;
3) испарительный (выпотной) - хинф << zз.а., недостаток воды частично возмещается за счет zгр.
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.