10.2. Баланс подземных вод

Балансом подземных вод называется соотношение притока и оттока подземных вод любого (расчетного) элемента подземной гидросферы. Водный баланс любым образом ограниченного элемента подземной гидросферы, при условии сохранения объема элемента и емкостных характеристик слагающих его горных пород (в течение геологического времени возможны изменения этих величин), выражается общим уравнением вида

(10.1)

где - сумма приходных и расходных статей водного баланса элемента: (+) – приток, (-) – отток подземных вод, м³/сут, км³/год и др.; - длительность расчетного периода (сут, год и др.); - изменение объема запасов подземныхвод (м³, км³).

Приток подземных вод к рассматриваемому элементу (+) – поступление, пополнение запасов, приходные статьи водного баланса – называется питанием подземных вод, (−) – отток, сработка запасов, расходные статьи баланса – разгрузкой подземных вод.

Конкретный вид уравнения водного баланса определяется строением рассматриваемого элемента гидросферы, его размерами, гидродинамическими условиями на границах элемента и, как правило, является значительно более сложным.

10.2.1. Режим и баланс уровня грунтовых вод

В соответствии с уравнением (10.1) водный баланс любого элемента (участка) грунтового водоносного горизонта может быть представлен в следующем виде:

(10.2)

где W – инфильтрационное питание грунтовых вод, K - конденсация, Q_ПОВ – поглощение поверхностных вод, Q_H – приток из нижележащих водоносных горизонтов, W_И – искусственное питание, + Q_ГР – приток грунтовых вод из смежного элемента потока, Р_П – разгрузка грунтовых вод на поверхность, Z – разгрузка суммарным испарением, Q_H – перетекание в нижележащий водоносный горизонт, Р_Н – искусственная разгрузка, – Q_ГР – отток грунтовых вод в смежный элемент потока (все элементы уравнения могут быть выражены в единицах расхода: м³/сут, м³/год и т.д.; или слоя воды, рассчитанного на площадь участка: мм/год, мм/сут и т.д.), μ – гравитационная емкость водовмещающих пород (недостаток насыщения при подъеме или водоотдача при понижении уровня грунтовых вод), ∆Н – изменение уровня грунтовых вод в рассматриваемом элементе потока за расчетный период ∆t (мм, м), F – площадь участка (м², км²).

Оценка всех составляющих общего балансового уравнения (10.2) является сложной, поэтому балансовые оценки обычно проводятся для участков или периодов года, в пределах которых отдельные элементы водного баланса грунтового горизонта равны нулю (например, Q_ПОВ = 0; Z = 0 и т.д.), или по упрощенным зависимостям вида

(10.3)

где W_П=(W+К+ Q_ПОВ+ W_И) – суммарное питание грунтовых вод с поверхности; Р=(Z+ Р_П) – разгрузка грунтовых вод на поверхность; Q_H – приток (+) из нижележащих горизонтов или отток (-) в нижележащие горизонты; ∆Q_ГР – разность притока и оттока по грунтовому водоносному горизонту; Q_Э – эксплуатация грунтовых вод (рис. 20).

Рис.20. Схема формирования водного баланса элемента грунтового водоносного горизонта: а – в разрезе; 6 – в плане. 1 – проницаемые (водоносные) породы; 2 – слабопроницаемые породы (подошва горизонта); 3 – границы балансового элемента в плане (линии токов); 4 – уровень грунтовых вод на начало расчетного периода; 5 – возможное положение уровня на конец расчетного периода и соответствующая величина ∆Н; 6 – направление движения грунтовых вод; 7 – водозаборный колодец (скважина); 8 – балансовый элемент (в плане)

В общем случае границы балансового участка (в плане) могут иметь более сложную конфигурацию, чем это показано на рис. 20, и не являться непроницаемыми. Это в определенной мере усложняет балансовые расчеты, но не меняет их условий. Каждая граница (участок границы) балансового элемента водоносного горизонта должна быть охарактеризована значением расхода (± Q) или условием Q = 0.

Член балансового уравнения (10.3) ±μ∆НF=ΔV характеризует изменение (баланс) объема свободных гравитационных вод (ΔV), содержащихся в рассматриваемом элементе грунтового водоносного горизонта за расчетный период времени (Δt).

Таким образом, соотношение приходных (+) и расходных (–) составляющих водного баланса за расчетный период времени (Δt) определяет увеличение (+ΔV) или уменьшение (-ΔV) объема гравитационных вод, содержащихся в рассматриваемом элементе пласта, что приводит к подъему уровня грунтовых вод (+ΔН) и насыщению определенного объема пород зоны аэрации или к снижению уровня грунтовых вод (-ΔН) и осушению части объема пород грунтового водоносного горизонта.

Изменения элементов водного баланса грунтового водоносного горизонта во времени (в течение года, в многолетнем периоде и т.д.) определяют особенности гидрогеодинамического режима грунтовых вод, который проявляется в изменении уровней грунтовых вод (глубин залегания), скоростей и расходов грунтовых потоков, дебитов источников. В общем случае с периодами формирования интенсивного питания грунтовых вод связаны периоды подъема уровня, пополнение запасов грунтовых вод, увеличение дебитов источников и т.д. В периоды отсутствия питания или относительного уменьшения его величин происходят сработка запасов грунтовых вод за счет формирования различных видов разгрузки, снижение уровней, уменьшение дебитов источников. Однако в каждом конкретном случае эти общие закономерности проявляются по-разному. В зависимости от глубин залегания грунтовых вод, типа водовмещающих пород и других факторов колебания уровней не совпадают по времени и амплитуде. При отсутствии (малых величинах) местного питания подъем уровня может быть связан с увеличением притока со смежных участков. Интенсивное питание грунтовых вод, компенсирующееся увеличением оттока в смежные блоки или в нижележащий водоносный горизонт, не приводит к заметному повышению уровней грунтовых вод и т.д.

Особенности формирования режима грунтовых вод и его связь с основными режимообразующими факторами можно представить исходя из принципов районирования территории по типу режима грунтовых вод (Г.Н. Каменский, А.А. Коноплянцев, B.C. Ковалевский и др.).

Наиболее крупной единицей районирования является провинция, выделяемая по типу климатических условий территории, определяющих количество атмосферных осадков и их внутригодовое распределение, среднегодовые температуры воздуха, их изменение от сезона к сезону и др.

В пределах территории России в целом выделено три типа провинций (Ковалевский, 1983) (рис. 21):

1) Кратковременного летнего питания грунтовых вод и их промерзания в зимний период (область распространения многолетнемерзлых пород) (рис. 21, а).

2) Сезонного весенне-летнего питания на территориях с зимним промерзанием зоны аэрации, для которой характерны весенний (период снеготаяния) и осенний максимумы и летне-осенний и предвесенний минимумы уровня грунтовых вод (большая часть территории России) (рис. 21, б). Летние дождевые осадки расходуются в основном на испарение. Минимальные уровни грунтовых вод наблюдаются в предвесеннее время. Необходимо отметить важную закономерность: чем больше толщина зоны аэрации и чем грунты менее водопроницаемы в этой зоне, тем на более поздние сроки сдвигаются максимальные уровни грунтовых вод.

3) Круглогодичного, преимущественно зимне-весеннего питания (при отсутствии или спорадическом промерзании зоны аэрации) с максимальными подъемами уровня в конце зимы – начале весны и минимумом в летне-осенний период, относящейся к южным и западным районам России (рис. 21, в).

Рис. 21. Типичные графики колебания уровня (глубины залегания) (1) и температуры (2) грунтовых вод (по В.С. Ковалевскому): провинции: а – кратковременного питания, б – сезонного питания, в – круглогодичного питания (I—XII –месяцев)

В каждой провинции по степени увлажнения выделяются три зоны: обильного (К_у>1), умеренного (К_у = 0,5–1,3) и скудного (К_у < 0,5) питания грунтовых вод:

(10.4)

где К_у – коэффициент увлажнения; К_П – коэффициент поверхностного стока, доли единицы; X – годовая сумма осадков, мм; Z₀ – испаряемость, мм/год.

Соотношения годовой суммы осадков, испарения и поверхностного стока при прочих равных условиях определяют величину питания грунтовых вод и, следовательно, в общем случае амплитуды колебаний уровней, изменение дебитов источников и т.д.

В пределах территорий, единых по внутригодовому распределению и потенциальным величинам питания, различия гидродинамического режима грунтовых вод в решающей степени определяются условиями дренирования. Это учитывается выделением областей с различной глубиной и степенью эрозионной расчлененности рельефа: слабодренированные области с глубиной расчлененности до 50–60 м и густотой эрозионной сети менее 0,3 км/км², дренированные – 150–200 м и 0,4–0,9 км/км² и сильнодренированные – более 200 м и более 1 км/км².

Глубина и степень эрозионной расчлененности рельефа определяют глубины залегания уровня грунтовых вод, расстояния от центральных частей междуречных пространств до дрен (длина путей фильтрации), уклоны грунтовых потоков и, следовательно, скорости их движения, что в решающей степени определяет особенности гидродинамического режима грунтовых вод. В значительной мере дренированность территории определяет также интенсивность процессов поверхностного стока, что обусловливает различие величин питания грунтовых вод.

На территории области гидрогеологические районы с едиными условиями формирования режима грунтовых вод выделяются на основе единства строения и состава водовмещающих пород (водоносный горизонт) и пород зоны аэрации. Строение гидрогеологического разреза и состав пород определяют в этом случае параметры водоносного горизонта и зоны аэрации, а, следовательно, условия (расходы) питания и разгрузки грунтовых вод, взаимодействие с нижележащими горизонтами, скорости и расходы потока грунтовых вод. Наиболее резко состав горных пород проявляется в формировании режима трещинных и трещинно-карстовых вод.

В границах гидрогеологических районов участки с различными видами режима грунтовых вод выделяются с учетом особенностей строения рельефа территории: междуречный вид режима, склоновый, террасовый и приречный (приозерный, приморский). При этом учитывается главным образом характер гидродинамических границ потоков и условия формирования приходных и расходных статей баланса грунтового водоносного горизонта (рис. 22).

Рис. 22. Схема формирования междуречного режима грунтовых вод:

1 – проницаемые (водоносные) породы; 2 – слабопроницаемые породы; 3 – положение уровня грунтовых вод в периоды интенсивного питания (макс) и отсутствия питания (мин); 4 – направления движения грунтовых вод; 5 – примерные границы области с междуречным типом режима