5.3.2. Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона
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. 5.2, 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 обычно 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.
Рис. 5.2. Схема залегания вод зоны аэрации и грунтовых вод (а) и вертикального распределения влажности грунта по разрезу А—Б после обильного увлажнения (б):
зоны: 1 —аэрации; 2 — насыщения; 3 — почвенные подвешенные воды; 4 — инфильтрующиеся воды зоны аэрации; 5 — капиллярные; 6 — грунтовые воды; 7 — верховодка; 8 — поверхность капиллярной зоны («капиллярной каймы»); 9 — поверхность (зеркало) грунтовых вод; 10 — водоупорный пласт; 11 — направление потока грунтовых вод; НВ — наименьшая влагоемкость; ПВ — полная влагоемкость
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.
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. 5.2, б): по мере приближения к уровню грунтовых вод влажность грунта увеличивается от наименьшей (НВ) до полной влагоемкости (ПВ).
5.3.3. 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. 5.2). 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. 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 (см. разд. 5.6).
Разгрузка грунтовых вод осуществляется в виде источников (родников), фильтрацией в русло водотока или ложе водоема, путем испарения и перетекания в нижележащие водоносные 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 колеблется практически от нуля в зоне избыточного увлажнения до 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.