3.3.2. Классификация подземных вод по характеру их залегания

Классификации по характеру залегания подземных вод (их иногда называют «общими») разрабатывали такие известные гидрогеологи, как Ф. П. Саваренский, А. М. Овчинников, Е. В. Пинеккер и др. Ниже (табл. 3.5) приведена классификация, в основном базирующаяся на предложениях А. М. Овчинникова и Е. В. Пинеккера [19, 20].

Таблица 3.5. Классификация грунтов по степени водопроницаемости

Группы грунтов	Тип грунта	Коэффициент фильтрации Кф, м/сут
Высокопроницаемые	Гравий, галька, сильно закарстованные породы	> 100
Хорошо водопроницаемые	Крупнозернистые пески, сильно трещиноватые породы	10–100
Водопроницаемые	Средне- и мелкозернистые пески, умеренно трещиноватые и закарстованные породы	0,1-10
Слабоводопроницаемые	Суглинки, супеси, песчанистые глины, слаботрещиноватые породы	10-3 – 10-1
Весьма слабоводопроницаемые	Тяжелые суглинки, глины	10-6 – 10-3
Практически водонепроницаемые (водоупоры)	Плотные глины, нетрещиноватые скальные породы	меньше 10-6

*) По В.А. Всеволожскому

Подземные воды на Земле, находящиеся в жидком состоянии, могут быть подразделены на две большие группы: подземные воды суши и подземные воды под океанами и морями. До настоящего времени гидрогеология занималась по существу лишь подземными водами суши. Подземные воды под океанами и моря­ми изучены еще очень слабо.

Подземные воды суши можно подразделить на подземные воды зоны аэрации и зоны насыщения.

Зона аэрации охватывает верхние, не насыщенные водой слои грунтов, включая почву от дневной поверхности до уровня грунтовых вод. Через эту зону осуществля­ется связь подземных вод с атмосферой.

Зона насыщения характе­ризуется тем, что поры и пустоты в ее пределах полностью запол­нены (насыщены) жидкой водой. Сверху эта зона ограничена зоной аэрации или зоной многолетнемерзлых грунтов, снизу – глубиной критических температур, при которых существование жидкой воды невозможно. В зоне насыщения на континентах находятся подзем­ные воды трех типов – 1) безнапорные грунтовые, 2) напорные артезиан­ские и 3) глубинные.

Под океанами и морями зона аэрации отсутствует, а в зоне насыщения присутствуют напорные воды.

Воды зоны аэрации и грунтовые воды имеют свободную связь с атмосферой и формируются под непосредственным влиянием физико-географических условий. Грунтовые воды, кроме того, свя­заны с поверхностными водами (реками, озерами и др.) и играют поэтому важную роль в питании этих водных объектов. Подземные воды участвуют в круговороте воды на земном шаре в основном согласно двум схемам: 1) грунтовые воды зона аэрации атмосфе­ра и 2) грунтовые воды поверхностные воды.

Воды зоны аэрации. Зона аэрации занимает верхний слой почвенно-грунтовой тол­щи: от земной поверхности до уровня грунтовых вод. Через зону аэрации осуществляется взаимосвязь атмосферы и грунтовых вод (рис. 3.2, а). В этой зоне происходят: инфильтра­ция дождевых и талых вод, формирование почвенной воды и вер­ховодки, фильтрация гравитационной воды и десукция влаги рас­тительностью с последующей ее транспирацией. Попадая после дождей или таяния снега в грунт, вода расходу­ется прежде всего на смачивание почвенного слоя и формирование почвенных вод, под которыми понимают временное скопление сво­бодной (гравитационной) и капиллярной воды в почвенной толще. Эти воды имеют связь с атмосферой и участвуют в питании кор­невой системы растений. Почвенные воды обычно просачиваются в более глубокие слои грунта и не образуют постоянного водоносного горизонта. Почвен­ный сток возникает лишь при сильных дождях или снеготаянии, если в почве имеются наклонные слабопроницаемые прослои и если часть почвы насыщается водой. Мощность слоя с почвенной водой изменяется от нескольких сантиметров до 1–1,5 м.

Инфильтрующиеся вертикально вниз под действием силы тяже­сти воды зоны аэрации, встречая на своем пути относительный водоупор (отдельные прослои или линзы грунтов, обладающие слабой водопроницаемостью), образуют верховодку, т. е. временные, сезон­ные скопления подземных вод. Мощность верховодки обычно рав­на 0,4–1,0 м, редко достигает 2–5 м.

Почвенные воды и верховодка обычно пресные. Однако в болот­ных и торфянистых почвах эти воды могут иметь застойный режим и высокую концентрацию кислот органического происхождения. Воды зоны аэрации легко подвержены загрязнению с поверхности земли.

Рис. 3.2

Выше уровня грунтовых вод в пределах зоны аэрации распола­гается капиллярная зона (ее иногда называют капиллярной каймой). Воды этой зоны (особенно при неглубоком залегании грунтовых вод) часто участвуют в питании почвенных вод и поглощаются корневой системой растений.

Весьма характерно изменение влажности грунта в зоне аэрации после обильного увлажнения (рис. 3.2, б): по мере приближения к уровню грунтовых вод влажность грунта увеличивается от наи­меньшей (НВ) до полной влагоемкости (ПВ).

Воды зоны насыщения. Грунтовые воды. При полном насыщении грунта могут сформироваться как без­напорные (грунтовые), так и напорные (артезианские) воды. Влаж­ность грунта в обоих случаях достигает полной влагоемкости.

Грунтовые воды – это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте (см. рис. 3.2). Эти безнапорные гравитационные воды имеют свободную поверх­ность, называемую уровнем, или зеркалом грунтовых вод.

Важнейшими процессами, воздействующими на состояние грун­товых вод, являются их питание и разгрузка.

Питание грунтовых вод осуществляется путем инфильтрации через зону аэрации атмосферных осадков, конденсации водяного пара и поглощения вод из водотоков и водоемов (рек, каналов, озер, водохранилищ и т. д.). Иногда в питании грунтовых вод участвуют и более глубокие водоносные напорные горизонты.

По данным В. А. Всеволожского (1991), инфильтрационное пи­тание грунтовых вод на Европейской территории страны составляет от 1 до 60 % атмосферных осадков [19]. В пределах областей достаточного и избыточного увлажнения эта доля составляет в среднем 10–15 % го­довой суммы осадков. Эта величина достигает 50–60 % для участков поверхностного распространения трещиноватых и сильно закарстованных пород. Конденсационное питание грунтовых вод в целом со­ставляет около 30 % годового питания. Поглощение поверхностных вод (из водотоков и водоемов) зависит от характера гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами.

Разгрузка грунтовых вод осуществляется в виде источников (родников), фильтрацией в русло водотока или ложе водоема, путем испарения и перетекания в нижележащие горизонты.

Грунтовые воды распространены почти повсеместно, тяготеют к рых­лым четвертичным отложениям (ледниковым, речным, озерным и мор­ским, современным аллювиальным, коре выветривания), участвуют в питании рек, легко доступны для практического использования.

Грунтовые воды обладают изменчивым режимом, связанным с режимом питания и разгрузки. Области их питания и распростра­нения обычно совпадают.

Расстояние от земной поверхности до уровня (зеркала) грунтовых вод называют глубиной залегания грунтовых вод. Она может быть близка или равна нулю в зоне избыточного увлажнения, и достигать десятков метров в зоне недостаточного увлажнения. Уровень грунтовых вод испытывает сезонные и многолетние колебания.

Расстояние от кровли водоупорного пласта до уровня грунтовых вод называют мощностью водоносного горизонта. Ее величина изме­няется вместе с изменением уровня грунтовых вод. Лежащая выше уровня грунтовых вод капиллярная зона испытывает колебания вслед за колебаниями уровня грунтовых вод.

Минерализация грунтовых вод может быть самой различной: от свойственной пресным водам до характерной для солоноватых или даже соленых вод. В аридных районах сильное испарение грунто­вых вод может привести к увеличению их минерализации до зна­чений, характерных для рассола, и к сильному засолению почв. Грунтовые воды наиболее подвержены загрязнению.

Артезианские воды – это напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами (рис. 3.3). Артезианские воды залегают глубже горизонта грунтовых вод и имеют более стабильный режим. Области питания и распростра­нения артезианских вод обычно не совпадают.

При вскрытии артезианского водоносного горизонта скважиной, находящаяся под напором вода поднимается по скважине и может даже излиться на земную поверхность (в случае, если линия напора лежит выше уровня земли) (см. рис. 3.3). Напор в артезианских водах создается в основном гидростатическим давлением, а также геостатической нагрузкой (весом вышезалегающих пород).

Артезианские воды нередко имеют повышенную минерализа­цию. Обычно они менее подвержены загрязнению в сравнении с грунтовыми водами.

Артезианскими бассейнами называют такие гидрогеологические структуры синклинального типа, которые содержат один или несколь­ко водоносных горизонтов с напорными водами.

Рис. 3.3. Схема размещения артезианских вод:

1– водоупорный пласт, 2– артезианский водонос­ный горизонт, 3–линия напора (пьезометриче­ская линия), 4– скважины, Н– высота подъема артезианских вод через скважины

Глубинные воды – это расположенные на больших глубинах на­порные подземные воды, испытывающие воздействие геостатиче­ского давления и эндогенных сил. Глубинные воды обнаружены в глубоких зонах тектонических нарушений и в глубоких частях осадочных толщ в артезианских бассейнах. Изучены они еще недостаточно.

Другие типы подземных вод. В трещиноватых и закарстованных горных породах анало­гами грунтовых вод являются воды верхней части зоны интенсив­ной трещиноватости и зоны карста, аналогами артезианских и глу­бинных вод – соответственно напорные воды погруженных трещин­ных зон и разломов глубокого заложения.

Своеобразны подземные воды в районах распространения мно­голетнемерзлых грунтов. Здесь аналогами почвенных вод и верхо­водки являются воды так называемого деятельного слоя, т. е. слоя сезонного ежегодного оттаивания и промерзания.

Воды надмерзлотных таликов – аналоги обычных грунтовых вод. Эти воды пред­ставлены подрусловыми, подозерными и склоновыми таликами. Межмерзлотные (расположенные между слоями мерзлого грунта) безнапорные воды также сходны с обычными грунтовыми водами. Однако если межмерзлотные, а также подмерзлотные воды (распо­ложенные глубже слоя мерзлого грунта) находятся под напором, они становятся аналогами артезианских вод.

Промерзание и оттаивание деятельного слоя, изменение толщи­ны слоя многолетнемерзлых грунтов ведут к изменению условий питания и режима подземных вод. Эти изменения становятся также причиной специфических мерзлотно-гидрогеологических явлений – бугров пучения, наледей, термокарста.

В районах современного вулканизма подземные воды также специфичны. Это, в частности, воды термальных и термоминераль­ных источников как безнапорных, так и напорных.