5.5. Водный баланс и режим подземных вод

5.5.1. Водный баланс подземных вод

Водный баланс земной поверхности и подземных вод (вод зоны аэрации и грунтовых вод) необходимо изучать совместно. Рассмотрим часть небольшого речного бассейна. Примем для упрощения задачи, что водообмен подземными водами с соседними бассейнами отсутствует, т.е. поверхностный и подземный водоразделы для рассматриваемого бассейна совпадают. Выделим в нем три взаимосвязанных по вертикали элемента — поверхность, зону аэрации и водоносный горизонт грунтовых вод (рис. 5.6) и напишем для каждого из этих элементов уравнение водного баланса согласно общим положениям, сформулированным в гл. 2.

Рис. 5.6. Схема водного баланса для поверхности речного бассейна, зоны аэрации

и грунтовых вод

Непосредственно для поверхности бассейна уравнение водного баланса будет иметь вид

х = y_пов + y_инф + z_пов ±∆u_пов, (5.12)

где х — атмосферные осадки на поверхности бассейна; у_пов — поверхностный (склоновый) сток; у_инф — вода, поступившая в зону аэрации в процессе инфильтрации; z_пов — испарение непосредственно с поверхности почвы и смоченных водой растений, с участков, залитых водой, и т.д.; ±∆u_пов — изменение содержания (запасов) воды в неровностях поверхности бассейна, например в водных объектах на этой поверхности.

Для зоны аэрации получим уравнение водного баланса в таком виде:

y_инф + z_гр.в = y_почв + y_{пит.гр.в} + z_тр + z_з.а ±∆u_з.а, (5.13)

где y_инф — поступление воды в процессе инфильтрации с поверхности (см. предыдущее уравнение); y_почв — сток в почвенном слое (так называемый «почвенный», или «подповерхностный», сток); y_{пит.гр.в} — вода, поступающая из зоны аэрации в грунтовые воды и участвующая в их питании; z_тр — поглощение воды из зоны аэрации корневой системой растений (десукция) и затрачиваемой впоследствии на транспирацию, а частично на увеличение биомассы растений; z_з.а — подземное испарение воды из зоны аэрации и потери ее в атмосферу; z_гр.в — испарение воды с поверхности грунтовых вод (эта вода идет на пополнение содержания вод в зоне аэрации); ±∆u_з.а — изменение содержания (запасов) воды в зоне аэрации (включая почву), выражающееся в изменении влажности грунтов.

Для водоносного горизонта грунтовых вод уравнение водного баланса имеет вид

y_{пит.гр.в} = y_гр.в + z_гр.в ±y_гл ±∆u_гр.в, (5.14)

где y_{пит.гр.в} — питание грунтовых вод из зоны аэрации (см. предыдущее уравнение); y_гр.в — сток грунтовых вод; z_гр.в — испарение с поверхности грунтовых вод; ±y_гл — питание грунтовых вод из глубинных напорных горизонтов или разгрузка грунтовых вод в эти глубинные горизонты; ±∆u_гр.в — изменение содержания (запасов) воды в водоносном горизонте грунтовых вод, выражающееся в изменении уровня грунтовых вод.

Суммирование трех приведенных выше уравнений (5.12) — (5.14) даст уравнение водного баланса для рассматриваемой части речного бассейна:

x = y + z ±y_гл ±∆u, (5.15)

где

y = y_пов + y_почв + y_гр.в, (5.16)

z = z_пов + z_{тр +} z_з.а, (5.17)

±∆u = ±∆u_пов ± ∆u_з.а ±∆u_гр.в , (5.18)

В уравнении (5.16) суммируется весь сток, поступающий в реку по поверхности (по склону), в почве и с грунтовыми водами (разгрузка грунтовых вод в реку). Уравнение (5.17) суммирует расходование воды на испарение, а (5.18) — изменение запасов воды в рассматриваемой части бассейна. Уравнение баланса речного бассейна будет рассмотрено также в разд. 6.6.

Уравнения (5.12) — (5.18) должны быть отнесены к какому-либо интервалу времени ∆t, а их члены могут быть представлены либо в единицах слоя (тогда ±∆u_гр.в — величина изменения уровня грунтовых вод), либо в объемных единицах.

Исследование роли зоны аэрации и грунтовых вод в формировании водного баланса речных бассейнов в различных природных условиях показало: 1) значение зоны аэрации в вертикальном водообмене в речном бассейне весьма велико; 2) в речном стоке существенная доля приходится на подземную составляющую; 3) в величине испарения основная роль принадлежит транспирации.