11.3. Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек.
Взаимодействие поверхностных и подземных вод играет очень важную роль в гидрологических процессах на планете. Основу этого взаимодействия составляет обмен поверхностных (океаны, моря, реки, озера, водохранилища, каналы) и подземных вод (напорных и безнапорных) водой, теплотой, растворенными в воде веществами. Обмен подземных вод и вод океанов и морей изучен еще очень слабо. Лучше изучено взаимодействие подземных вод и водных объектов суши (Б.И. Куделин, О.В. Попов).
Выделяют три типа взаимодействия речных и грунтовых вод: наличие постоянной гидравлической связи, наличие временной гидравлической связи и отсутствие гидравлической связи. Первый тип включает два подтипа: наличие одно- и двусторонней постоянной гидравлической связи. Характер связи речных и грунтовых вод зависит от соотношения высоты стояния уровня в реке в половодье и межень, с одной стороны, и положения кровли водоупорного пласта (водоупора) и уровня находящихся над ним грунтовых вод – с другой (рис 24).
Рис. 24. Схема взаимодействия речных и грунтовых вод:
а – постоянная односторонняя гидравлическая связь (река в течение всего года питает грунтовые воды); б – постоянная двусторонняя гидравлическая связь (река питает грунтовые воды в половодье и дренирует их в межень); в – временная гидравлическая связь; г – отсутствие гидравлической связи; 1 – водоупорный пласт; 2 – уровень грунтовых вод; 3 – направление движения грунтовых вод; 4 – уровень воды в реке в половодье; 5 – уровень воды в реке в межень; 6 – источники (родники)
При очень низком положении водоупора и уровня грунтовых вод река в течение всего года через берега и дно питает подрусловые и прибрежные грунтовые воды (рис. 24, а), т. е. постоянно теряет воду на питание грунтовых вод. Это явление особенно характерно для закарстованных пород или крупнопористых грунтов в аридных и горных районах. Гидрогеологи называют этот вид взаимодействия речных и грунтовых вод «подпертой фильтрацией» (В.А. Всеволожский, 1991). Кроме того, иногда выделяют случай, когда основной водоупор находится очень глубоко, а русло реки подстилают слабоводопроницаемые породы. В этом случае фильтрация речных вод происходит практически вертикально вниз, обходя область слабоводопроницаемых пород («свободная фильтрация» по В.А. Всеволожскому, 1991).
При более высоком положении водоупора река питает грунтовые воды лишь в половодье; в межень река, наоборот, дренирует грунтовые воды и ими питается (рис. 24, б). На спаде половодья и в межень часть накопленной в грунте воды возвращается в русло реки. Такое явление называется береговым регулированием речного стока или периодическим питанием подземных вод (В.А. Всеволожский, 1991).
При еще более высоком положении водоупора река, так же как и в предыдущем случае, в половодье питает грунтовые воды, а в межень грунтовые воды питают реку. Однако в межень происходит разрыв кривой депрессии грунтовых вод и понизившегося уровня в реке – на склонах русла возникают мочажины и начинают действовать родники или ключи (рис. 24, в), дебиты которых не зависят от изменения уровня воды в реке.
Наконец, при очень высоком положении водоупора как в половодье, так и в межень грунтовые воды и река не имеют между собой гидравлической связи (рис. 24, г).
Таким образом, характер и величина подземного питания рек (и озер) зависят от гидрогеологического строения прилегающей к водному объекту территории и от режима уровней воды в водном объекте.
В целом же подземные воды являются одним из важнейших видов питания рек. По водно-балансовым оценкам для всего земного шара на долю подземного питания рек приходится около 30% речного стока. При величине речного стока, поступающего в океан, 41,7 тыс. км3 в год на долю подземного питания приходится, таким образом, 12,5 тыс. км3 воды в год. Важно также отметить, что роль подземного питания в режиме рек особенно возрастает в межень, когда питание других видов (талое, дождевое) существенно сокращается или вовсе прекращается.
С деятельностью подземных вод на поверхности речного бассейна и в грунтах верхней части земной коры связаны специфические физико-географические явления: оползни, суффозия, карст, заболачивание, мерзлотно-гидрогеологические процессы.
Оползни представляют собой смещения вниз по склону масс рыхлой породы под действием силы тяжести, особенно при насыщении рыхлого материала водой и при чередовании водоупорных и водоносных слоев. Если вниз по склону смещается маломощный слой почвы или грунта, насыщенный талыми или грунтовыми водами, то такое явление называют оплывиной.
Суффозией принято называть вынос взвешенных веществ потоками грунтовых вод. Суффозия ведет к образованию подземных пустот и последующему оседанию вышележащих осадочных толщ с формированием на поверхности замкнутых понижений – блюдец, воронок, западин.
Карст – это природное явление, связанное с растворением водами (как поверхностными, так и подземными) горных пород, а также и комплекс форм рельефа, образующихся в областях распространения растворимых пород (известняков, доломитов, гипсов, каменной соли и др.). К карстовому рельефу относятся как отрицательные поверхностные формы – поноры, воронки, котловины, колодцы, так и подземные формы – пещеры, полости, ходы.
К числу мерзлотно-гидрогеологических явлений относятся бугры пучения, наледи, термокарст, термоэрозия и термоабразия. Бугры пучения – это выпуклые формы рельефа, возникающие в области многолетнемерзлых или сезонномерзлых пород в результате ледообразования в грунтах. К буграм пучения относят, например, булгунняхи (пинго) и гидролакколиты.
Наледи подземных вод – это массивы льда, образующиеся при намораживании излившихся на поверхность земли грунтовых вод. В области многолетнемерзлых пород различают наледи надмерзлотных, подмерзлотных и межмерзлотных вод, а в области сезонномерзлых или кратковременномерзлых пород – так называемые ключевые и грунтовые наледи. Наиболее крупные наледи занимают десятки квадратных километров при толщине льда до 12 м.
Термокарст – это образование просадочных форм рельефа в результате вытаивания подземного льда или оттаивания мерзлого грунта. Термоэрозия – это разрушение мерзлых пород на берегах рек при тепловом воздействии текущих вод. Термоабразия – процесс разрушения берегов морей, озер, водохранилищ, сложенных льдом или многолетнемерзлыми грунтами, с участием термического воздействия воды и воздуха.
Интересным и важным проявлением воздействия подземных вод на ландшафты являются источники (родники) места естественной разгрузки грунтовых вод на земную поверхность. Типы естественной разгрузки грунтовых вод рассмотрены в разделе 7.2.
Вопросы для самоконтроля
Что понимается под подземным стоком.
Дайте определение основных параметров подземного стока.
Гидродинамическая сетка потока подземных вод. Типы потоков подземных вод по структуре и режиму.
При каких условиях гидравлическая связь между подземными и поверхностными водами отсутствует, когда она постоянная и когда временная.
Перечислите явления связанныес деятельностью подземных вод.