7. Формы питания и разгрузки подземных вод
7.1. Условия питания и распространения грунтовых вод
Питание грунтовых вод в основном осуществляется через зону аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков (дождевых, талых и паводковых вод) по всей площади их распространения и конденсирующейся влаги в зоне аэрации.
Под инфильтрацией понимается процесс просачивания свободной гравитационной воды от поверхности земли до уровня грунтового водоносного горизонта. В соответствии с этим величина инфильтрационного питания обычно выражается в миллиметрах слоя воды, поступившей на уровень грунтовых вод за расчетный период времени (мм/сут, мм/мес, мм/год). При необходимости эта величина может быть также выражена расходом воды, поступившим за расчетный период времени на единицу поверхности грунтового водоносного горизонта, например модулем инфильтрационного питания (л/с • км2).
Величина инфильтрации зависит от продолжительности и интенсивности выпадения осадков, а также литологического состава и водопроницаемости пород зоны аэрации, температурного режима и влажности пород зоны аэрации, видового состава растительности и других факторов. Интенсивность увлажнения поверхности земли определяется количеством воды, поступающим на нее в виде жидких атмосферных осадков, при таянии снега, сельскохозяйственных поливах; рельефом поверхности, условиями склонового стока и накопления влаги в понижениях рельефа; интенсивностью испарения влаги с поверхности земли, зависящей от температуры воздуха и поверхности почвы, ветрового режима и характера растительности. Наибольшее значение для питания грунтовых вод имеют длительные обложные дожди, выпадающие при относительной влажности воздуха около 100%. Они обеспечивают максимальную инфильтрацию через зону аэрации.
Как правило, величина инфильтрационного питания не связана прямо с количеством (годовой суммой) атмосферных осадков. В летний период при высоких температурах поверхности почвы и приповерхностного слоя воздуха атмосферные осадки, поступающие на поверхность земли, частично или полностью расходуются на испарение и не формируют инфильтрационного питания.
Основные объемы инфильтрационного питания формируются, как правило, при интенсивном увлажнении поверхности земли в холодные периоды года с минимальными величинами испарения: летне-осенний период, в южных районах – зимний, а также в период весеннего снеготаяния.
Формирование конденсационного питания грунтовых вод связано с процессом образования свободной гравитационной (вероятно, капиллярно- и рыхлосвязанной) воды за счет молекул водяного пара, содержащегося в воздухе, заполняющем свободное пространство в минеральном скелете пород зоны аэрации. Основной объем конденсационного питания грунтовых вод формируется в летний (теплый) период года, когда значительные перепады суточных температур воздуха и распределение температур в разрезе зоны аэрации обеспечивают существование нисходящего (от поверхности земли) движения молекул водяного пара под действием градиента температур. Более интенсивно этот процесс протекает в условиях, когда строение и структура скважности обусловливают относительно свободное поступление в породы зоны аэрации влажного воздуха с поверхности земли (поверхностные проявления карста, трещиноватости горных пород и др.). Данные экспериментальных оценок величины конденсационного питания грунтовых вод свидетельствуют о том, что при прочих равных условиях объем этого питания существенно зависит от гранулометрического состава пород зоны аэрации (В.В. Климочкин и др.). Наименьшая интенсивность конденсационного питания 50-80 см3/м3 • сут фиксируется в суглинистых породах и супесях (пески, галечники, щебень – до 180-250 см3/м3 • сут), вероятно, также в связи с тем, что в этих породах конденсирующаяся влага частично расходуется на формирование различных видов связанной воды.
Результаты экспериментальных оценок, выполненных для районов с различными природными условиями, показывают, что величина конденсационного питания грунтовых вод изменяется от 5,0 до 80 мм/год (0,15–2,5 л/с • км2). По оценкам В.В. Климочкина (1975), конденсационное питание может составлять в среднем до 30% от общего годового питания грунтовых вод. Для гумидных территорий эта величина, вероятно, завышена. С другой стороны, в условиях пустынных районов (данные, полученные по Каракумам) относительно невысокие значения конденсации, составляющие 10,0–20,0 мм/год, в отдельные годы могут быть практически единственным видом питания грунтовых вод.
Поглощение поверхностных вод формируется на участках, где уровень воды в поверхностных водоемах (болота, озера, водохранилища) и водотоках (реки, ручьи, каналы и др.) располагается гипсометрически выше уровня подземных вод первого водоносного горизонта. Такие условия наиболее характерны для центральных частей высоких междуречных пространств, предгорных равнин, возвышенных участков горного рельефа, районов распространения карста и др. Разница уровней воды обусловливает наличие градиента напора, определяющего возможность нисходящей фильтрации через ложе водоема (русло реки и др.) в залегающий ниже грунтовый водоносный горизонт. Скорость фильтрации и расходы потока на единицу поглощающей поверхности (м2, км2) определяются прежде всего фильтрационными свойствами (Кф) донных или русловых отложений и залегающих ниже пород зоны аэрации (грунтового водоносного горизонта).
В общем случае в зависимости от строения разреза и условий взаимодействия поверхностных и подземных вод могут быть выделены три различные схемы поглощения:
1) с отсутствием гидравлической связи поверхностных и подземных вод;
2) с наличием гидравлической связи при постоянном положении поверхностных вод выше уровня грунтового водоносного горизонта;
3) с наличием гидравлической связи при периодическом положении поверхностных вод выше уровня грунтового водоносного горизонта (рис. 13).
Поглощение поверхностных вод в отсутствие гидравлической связи формируется главным образом на участках с глубоким залеганием уровня грунтовых вод при двухслойном строении разреза с относительно меньшей проницаемостью пород верхнего слоя (см. рис. 13, а). Подобное строение разреза зоны аэрации встречается достаточно часто при залегании существенно глинистых аллювиальных отложений (пойменная фация аллювия), ледниковых валунных суглинков, пролювиально-аллювиальных, покровных и других отложений на высокопроницаемых крупнообломочных, интенсивно-трещиноватых и закарстованных породах.
Рис. 13. Схемы формирования питания грунтового водоносного горизонта за счет поглощения поверхностных вод:
а – схема «свободной» фильтрации; б – «подпорной» фильтрации; в – периодического питания при подъемах уровня поверхностных вод. 1 – проницаемые (водоносные) породы; 2 – слабопроницаемые породы; 3 – уровень грунтовых вод; 4 – положение уровня грунтовых вод на различные периоды времени при «мгновенном» подъеме уровня поверхностных вод; 5 – уровень поверхностных вод; 6 – направления движения грунтовых вод
В условиях двухслойного строения разреза зона насыщения под руслом (дном водоема) формируется только в породах слабопроницаемого слоя. Ниже его подошвы в породах с относительно большей проницаемостью до уровня грунтовых вод существует зона неполного насыщения со свободным просачиванием воды, фильтрующейся через слабопроницаемый слой. В соответствии с этим подобная схема поглощения поверхностных вод условно называется схемой свободной фильтрации (поглощения).
При поглощении поверхностных вод по схеме свободной фильтрации скорость фильтрации из водоема и расход воды на единицу поверхности дна водоема (м2, км2) в основном определяются значением проницаемости Кф верхнего слоя. Однако в этом случае фильтрация воды на участке 1–2 (см. рис. 13, а) осуществляется с большими значениями напорного градиента.
Движение грунтовых вод под зоной поглощения формируется в соответствии с распределением напоров или в одном направлении, или в виде двух смежных потоков грунтовых вод, разделенных водоразделом (см. рис. 13, а).
При наличии гидравлической связи поверхностных и грунтовых вод и постоянном положении поверхностных вод выше уровня грунтового водоносного горизонта под руслом реки или дном водоема существует зона постоянного насыщения (см. рис. 13, б). Формируются потоки грунтовых вод, направленные в обе стороны от русла реки, или радиально расходящийся поток грунтовых вод при фильтрации из водоема. Фильтрационные потери из русла (расход на единицу длины русла м3/сут • м, м3/сут • км) в этом случае определяются главным образом проводимостью пласта (Km) и разностью напоров (Н1–Н2) в прирусловой части потока (см. рис. 13, б), обеспечивающих отток грунтовых вод от зоны поглощения. При формировании поглощения непосредственно в прирусловой части потока грунтовых вод всегда фиксируется определенный подъем (подпор) их уровня, в соответствии с чем эта схема не совсем правильно называется схемой подпорной фильтрации.
При наличии гидравлической связи и периодическом положении поверхностных вод выше уровня грунтового водоносного горизонта поглощение поверхностных вод происходит только при подъемах уровня поверхностных вод (паводки, половодья, приливы и др.). При спаде уровней поверхностных вод и при его низких положениях осуществляется разгрузка грунтовых вод в русло реки (см. рис. 13, в). В период подъема уровня поверхностных вод в прирусловой части потока грунтовых вод создается «обратная» разность напоров, определяющая фильтрацию (поглощение) поверхностных вод в берега и формирование зоны периодического насыщения и подъема уровня грунтовых вод.
Размеры зоны периодического насыщения и положение ее верхней границы (уровня грунтовых вод) существенно изменяются во времени, в связи с чем подобная схема взаимодействия поверхностных и подземных вод называется нестационарным подпором грунтовых вод при фильтрации из русла (водоема). При постоянном подъеме уровня поверхностных вод (создание водохранилища) в предельном случае через определенный длительный интервал времени в результате фильтрации поверхностных вод в берега, притока по пласту и местного инфильтрационного питания формируется новое (стационарное, стационарный подпор) положение уровня грунтовых вод (см. рис. 13, в), при котором восстанавливается их разгрузка в реку или водохранилище.
Питание грунтовых вод за счет восходящей фильтрации из нижележащих горизонтов возможно на участках, где пьезометрическая поверхность напорных вод устанавливается выше уровня грунтового водоносного горизонта (рис. 14).
Рис. 14. Схема формирования питания грунтовых вод за счет фильтрации из нижележащего водоносного горизонта
1 – грунтовые воды; 2 – межпластовый водоносный горизонт; 3 – пьезометрический уровень межпластовых вод; 4 – затрудненная рассредоточенная фильтрация (перетекание); 5 – локальное интенсивное перетекание; 6 – фильтрация по «гидрогеологическим окнам» (остальные обозначения см. рис. 13)
Подобное соотношение уровней характерно главным образом для относительно пониженных участков территории (днища речных долин, глубокие бессточные впадины, озерные котловины, заболоченные низменности и др.). На таких участках низкое положение уровня грунтовых вод определяется наличием близко расположенных зон их интенсивной разгрузки. Соотношение уровней грунтовых и более глубоких подземных вод обусловливает в этом случае наличие соответствующей разности напоров ΔН и межпластового напорного градиента J0, определяющего возможность субвертикальной восходящей фильтрации из нижележащего водоносного горизонта (см. рис. 14). При постоянном (в пределах участка) значении разности напоров ΔН характер и величины восходящей фильтрации в грунтовый водоносный горизонт в решающей степени определяются фильтрационными свойствами К0 и мощностью m0 разделяющего слабопроницаемого слоя. В области сплошного распространения пород слабопроницаемого слоя условия восходящей фильтрации наиболее затрудненные и, следовательно, наименьшие (на единицу площади) величины питания грунтового водоносного горизонта. Подобная затрудненная субвертикальная фильтрация через выдержанные слабопроницаемые слои обычно называется перетеканием (межпластовое перетекание).
На участках, где породы слабопроницаемого слоя характеризуются более высокими значениями проницаемости (изменение гранулометрического состава, зоны с интенсивной трещиноватостью и др.) или уменьшением его мощности (древние эрозионные размывы и др.), условия взаимодействия смежных горизонтов более благоприятны и величины питания грунтовых вод относительно больше (локальное интенсивное перетекание). Наиболее благоприятные условия взаимодействия смежных горизонтов и в общем случае наибольшие величины питания характерны для участков с открытой гидравлической связью (отсутствием пород слабопроницаемого слоя). Такие участки, связанные с зонами фациального замещения слабопроницаемых пород, глубокими эрозионными размывами, зонами тектонических нарушений и др. (см. рис. 14), условно называются гидрогеологическими «окнами», по которым осуществляется открытая гидравлическая связь двух смежных водоносных горизонтов.
Искусственное питание грунтовых вод. В связи с интенсивным развитием хозяйственной деятельности происходит постепенное сокращение территорий с сохранением естественных условий (естественного режима) питания грунтовых вод. Распашка целинных земель, вырубка леса, сельскохозяйственная мелиорация, гидротехническое строительство и другие виды хозяйственной деятельности человека приводят к тем или иным изменениям условий естественного питания грунтовых вод на обширных территориях. На изменение условий питания грунтовых вод особенно сильно влияют те виды хозяйственной деятельности, с которыми связаны резкие изменения водного режима и интенсивности увлажнения поверхности земли (орошение, обводнение пастбищ, создание прудов и водохранилищ и др.). В целом можно считать, что на земном шаре в развитых в хозяйственном отношении странах в настоящее время практически отсутствуют сколько-нибудь крупные регионы с сохранением абсолютно естественных (ненарушенных) условий формирования питания грунтовых вод. В соответствии с этим существует некоторая неопределенность с понятиями естественное и искусственное питание грунтовых вод. Рассматривая различные виды и степень изменения естественных условий формирования питания грунтовых вод, правильнее определять их как условия естественно-антропогенные (т.е. естественные условия, в той или иной мере измененные антропогенным воздействием). При этом в качестве собственно искусственного питания грунтовых вод следует рассматривать питание, формирующееся в связи с инженерно-хозяйственными мероприятиями, непосредственной целью которых является увеличение запасов грунтовых вод. Основные мероприятия этого типа – создание инфильтрационных бассейнов, поглощающих колодцев, нагнетательных скважин и др.