3.3.5. Водный режим зоны аэрации

Водный режим зоны аэрации в основном определяется режимом поступления в нее инфильтрующихся вод после дождей или снего­таяния. Изменение содержания воды в зоне аэрации зависит от соотношения составляющих уравнения водного баланса (3.11).

Различают три основных типа водного режима зоны аэрации.

При про­мывном типе водного режима величина инфильтрации у_инф превышает потери на десукцию корневой системой растений z_тр и подземное испарение z_з.а: y_инф  z_тр+ z_з.а. Из­лишки воды идут на формирование почвенного стока и пита­ние грунтовых вод.

При компенсированном типе водного режима y_инф = z_тр + z_з.а .

Испарительный (или выпотный) тип режима характеризуется преобладанием транспирации и подземного испарения над инфильтрацией: y_инф  z_тр + z_з.а. В этом случае недостаток воды возмещается испарением грунтовых вод. Поскольку грунтовые воды обычно имеют повышенную минерали­зацию, их испарение приводит к накоплению солей в почве и к ее засолению. Одновременно с этим увеличивается и минерализация грунтовых вод.

3.3.6. Режим грунтовых вод

Под режимом грунтовых вод понимаются закономерные про­странственно-временные изменения их запасов и характеристик, включая изменения уровня, температуры и химического состава. На режим грунтовых вод влияют прежде всего климатические факторы, определяющие питание грунтовых вод дождевыми и та­лыми водами. Режим грунтовых вод зависит и от гидрологических факторов – режима связанных с грунтовыми водами водотоков и водоемов. Важную роль играют геологические условия и водно-физические свойства грунтов.

Режим уровня грунтовых вод определяется в конечном счете изменением составляющих уравнения водного баланса грунтовых вод (3.12). Изменение запасов грунтовых вод u_гр.в выразим через изменение их уровня Н. Сток грунтовых вод y_гр,в представим как разность расходов притока и оттока грунтовых вод (соответствен­но Q_np и Q_отт), отнесенных к площади водоносного горизонта F (м²). Тогда для интервала времени t уравнение водного баланса или уравнение для расчета изменения уровня грунтовых вод (3.12) будет выгля­деть (в величинах слоя) следующим образом:

Н=( Q_np – Q_отт) t/ F + y_{пит.гр.в} + z _гр,в + y_гл (3.16)

где y_{пит.гр.в} – питание грунтовых вод из зоны аэрации;  – величина, характеризующая водоот­дачу грунта – при снижении уровня грун­товых вод, либо дефицит влажности (недостаток насы­ще­ния) при повышении уровня грунтовых вод и аккумуляции вод в грунте; при этом  должeн быть выражен не в процентах, а в долях единицы.

Из уравнения (3.16) следует, что уровень грунтовых вод должен реагировать прежде всего на изменение их питания, т. е. поступле­ния вод из зоны аэрации, и изменение режима притока–от­тока грунтовых вод, часто связанного с режимом поверхностных вод (рек и озер). Среди факторов расходования грунтовых вод необхо­димо отметить испарение, а также искусственное дренирова­ние (откачку), в уравнении (3.16) не учтенное. Поскольку упомянутые выше основные определяющие при­родные факторы испытывают многолетние, сезонные и суточные колебания, соответствующие изменения имеет и уровень грун­то­вых вод.

Многолетние колебания уровня грунтовых вод в основном обус­ловлены изменениями атмо­сферных осадков и испарения. Наибо­лее важны сезонные колебания уровня грунтовых вод. Они имеют четко выраженный зональный характер, что объясняется особенно­стями питания и расхо­дования грунтовых вод в различных геогра­фических зонах.

На территории бывшего СССР были выделены три провинции по режиму грунтовых вод (работы В. С. Ковалевского). Для каждой провинции характерен свой тип режима уровня грунто­вых вод и других характеристик (рис. 3.7).

В провинции кратковременного летнего питания, относящейся в основном к зоне многолет­немерзлых грунтов, грунтовые воды находятся в жидком состоянии лишь в летне-осеннее время. Мак­симальный уровень связан с талым и дождевым питанием и обыч­но приходится на май – июнь (а при продолжительных летних дож­дях–на более позднее время) (рис. 3.7, а).

Водный режим грунтовых вод в провинции сезонного, преимуще­ственно весеннего и осен­него питания, охватывающей большую часть территории бывшего СССР, характеризуется зимним промерзанием зоны аэрации и максимумами уровня в периоды повышенного питания талыми во­дами в весеннее время и дождевыми – в осеннее время (рис. 3.7, б). Летние дождевые осадки в основном расходуют­ся 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. Так, например, в Подмосковье при изменении глубины за­легания грунтовых вод от 1 до 10 м запаздывание повышения уровня увеличивается до двух месяцев.

В провинции круглогодичного, преимущественно зимне-весеннего питания, относящейся к южным и западным районам бывшего СССР, где зона аэрации обычно не промерзает, максимальные уровни грунтовых вод наблюдаются в феврале – апреле, минималь­ные – в летне-осеннее время (рис. 3.7, в).

Рис.??? Схематические графики колебания уровней грунтовых вод в провинциях:

а) кратковременного питания;

б) сезонного питания;

в) круглогодичного питания.

Суточные колебания уровня неглубоко залегающих грунтовых вод есть реакция на суточные колебания испарения и транспирации. Днем уровень грунтовых вод несколько понижается, ночью – повышается.

Режим температуры грунтовых вод формируется под влиянием ряда факторов, из которых главные – это колебания температуры воздуха и температуры инфильтрующихся вод. С глубиной многолетние, сезонные и суточные колебания тем­пературы грунтовых вод быстро затухают. Положение зоны с посто­янной температурой грунтовых вод наиболее высоко у экватора (всего несколько метров), что объясняется небольшой величиной сезонных колебаний температуры воздуха на поверхности земли (до 10–15 °С); наиболее глубоко (до 41 м) зона постоянной темпе­ратуры расположена в условиях резко континентального климата.

Температура воды в верхней части упомянутой зоны в пределах бывшего СССР изменяется в меридиональном направлении (с се­вера на юг) от нуля до 20 °С и примерно соответствует средней многолетней температуре воздуха на поверхности земли, обычно превышая ее всего на 1–3 °С.

На больших глубинах температура постепенно увеличивается с глубиной в соответствии с характер­ным для данного района так называемым геотермическим гради­ентом (ГЕОТЕРМИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ - величина, на которую повышается температура горных пород в земной коре с увеличением глубины залегания на каждые 100 м. В среднем величина геотермического градиента приблизительно равна 3⁰С. В различных участках и на разных глубинах геотермический градиент непостоянен и определяется составом горных пород, их физическим состоянием и теплопроводностью, плотностью теплового потока, близостью к интрузиям и другими факторами. Обычно геотермический градиент колеблется от 0,5 — 1 до 20 °С и в среднем составляет около 3 °С на 100 метров.).

Наиболее типичны сезонные колебания температуры грунтовых вод. Типы этих колебаний хорошо соответствуют типам водного режима грунтовых вод (см. рис. 3.7).

В провинции кратковременного летнего питания температура грунтовых вод даже в летние месяцы редко достигает 8–10 ^oС Зимой грунтовые воды деятельного слоя промерзают.

В провинции сезонного питания четко выражен и се­зонный ход температуры грунтовых вод, осложненный ее пониже­нием в периоды инфильтрации талых вод. Колебания температуры грунтовых вод в этой провинции чаще всего наблюдаются в пре­делах от 2–5 до 10–12 ^oС, реже – до 16–20 ^oС.

В провинции круг­логодичного питания температура грунтовых вод обычно ко­леблется в пределах от 10 до 20–25 ^oС, а в наиболее теплых рай­онах, как, например, в Таджикистане –от 15–16 до 33–36 ^oС.

Гидрохимический режим грунтовых вод (изменение их минерали­зации и химического состава) также связан с водным режимом и характером питания и разгрузки грунтовых вод.

Наиболее важное значение имеют разбавление грунтовых вод пресными дождевыми и талыми водами и интенсивность испарения воды.

В провинции кратковременного летнего питания минимальная минерализация грунтовых вод, иногда 5–30 мг/л, отмечается в ве­сеннее и летнее время в результате разбавления грунтовых вод талыми водами. Максимальная концентрация солей (до 1 г/л и бо­лее) в грунтовых водах (там, где они не промерзают) наблюдается в предвесеннее время. Наиболее характерные ионы в грунтовых водах НСО_3- и Са₂₊.

В провинциях сезонного и круглогодичного питания наблюдаются два типа гидрохимического режима подземных вод. Первый из них характеризуется весенним разбавлением грунтовых вод та­лыми и дождевыми водами. Минимальная минерализация грунто­вых вод совпадает с максимальными уровнями. Максимальная минерализация в провинции сезонного питания наблюдается в предвесеннее и летнее время, в провинции круглогодичного пи­тания – в летне-осеннее время и, как правило, совпадает с мини­мальными уровнями грунтовых вод. В северных районах России и странах Балтии в условиях избыточного увлажнения минерализа­ция грунтовых вод колеблется в течение года в среднем от 10 до 400 мг/л.

В пределах средней полосы Европейской территории России в условиях умеренного и недостаточного увлажнения сезонные ко­лебания минерализации возрастают по направлению с севера на юг от 20 до 1000 мг/л и иногда до 2 г/л.

В южных районах России сезонные колебания минерализации могут быть еще больше (в Прикаспии от 0,2 до 11 г/л, в Средней Азии от 0,1 до 6 г/л). По направлению с севера на юг содержание ионов SO₂^– и Na⁺ в со­левом составе грунтовых вод постепенно возрастает.

Второй тип гидрохимического режима грунтовых вод характе­ризуется преобладанием испарения над питанием грунтовых вод, их выпариванием и снижением уровня. Эти процессы сопровожда­ются накоплением солей в зоне аэрации и увеличением минерали­зации грунтовых вод. В периоды зимнего или весеннего питания грунтовых вод инфильтрующиеся воды частично растворяют эти соли и еще более увеличивают минерализацию грунтовых вод. В отличие от предыдущего типа в данном случае максимальная минерализация грунтовых вод наблюдается при максимальных уров­нях, а минимальная минерализация при минимальных уровнях грунтовых вод. В солевом составе преобладают ионы Cl_–, SО_4–, Na₊, Mg₂₊.

Наконец, при больших глубинах залегания уровня (более 10 м) отмечается особый тип гидрохимического режима грунтовых вод, характеризующийся незначительными сезонными колебаниями минерализации. Во всех провинциях с глубиной сезонные изменения минерали­зации и солевого состава грунтовых вод затухают.