Движение подземных вод. Баланс вод зоны аэрации

Движение подземных вод по порам в зоне насыщения, называемое фильтрацией, как правило, ламинарное. Скорость фильтрации (v_ф) выражается законом Дарси:

v_ф = K_фI.

Здесь I – гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня безнапорных вод, либо уклону пьезометрического уровня для напорных вод; K_ф – коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации через данный грунт при I = 1 (т.е. вертикально вниз); его размерность м/с или м/сут. K_ф для галечника равен 100-200 м/сут., для песка 1-50, для супеси 0,1-0,5, для глины 0,001-0,0001 м/сут.

Движение трещинных, жильных и особенно карстовых подземных вод может быть турбулентным.

Уравнение водного баланса зоны аэрации в пределах речного бассейна:

где x_инф - поступление воды с поверхности земли (инфильтрация атмосферных осадков), z_гр - испарение грунтовых вод, z_з.а - испарение из зоны аэрации, П_гр - питание грунтовых вод из зоны аэрации, Δu_з.а - изменение влагозапасов вод зоны аэрации.

Уравнение водного баланса грунтовых вод (при отсутствии притока из-за пределов речного бассейна и фильтрации через водоупор):

П_гр

где y_гр - сток грунтовых вод (т.е. разгрузка грунтовых вод на земную поверхность или непосредственно в реки и водоемы), - изменение запаса (объема) грунтовых вод.

Типы водного режима зоны аэрации:

1) промывной - , избыток воды расходуется на П_гр и y_почв;

2) компенсированный - x_инф z_з.а;

3) испарительный (выпотной) - x_инф<<z_з.а, недостаток воды частично возмещается за счет z_гр.

Типы водного режима грунтовых вод:

1) сезонного (преимущественно весеннего и осеннего) питания; максимальный уровень грунтовых вод весной, меньшее повышение осенью, низкий уровень в конце лета и, особенно, в конце зимы; наблюдается на большей части территории стран СНГ;

2) кратковременного летнего питания; максимальный уровень в июне – июле (иногда августе-сентябре); наблюдается в зоне многолетней мерзлоты;

3) круглогодичного, преимущественно зимне-весеннего питания; максимальный уровень в феврале–апреле, минимальный – в летне-осеннее время (юг и запад территории бывшего СССР с непромерзаемой зоной аэрации).

Типы взаимодействия подземных и поверхностных вод:

1) Двухсторонняя гидравлическая связь. При низком уровне воды в реке уровень грунтовых вод находится выше, река получает грунтовое питание. При высоком уровне воды в реке уровень грунтовых вод оказывается ниже. Происходит инфильтрация речной воды в грунт. Этот тип характерен для средних и крупных равнинных рек.

2) Односторонняя гидравлическая связь. Уровень воды в реке постоянно выше уровня грунтовых вод. В течение всего года речная вода питает грунтовые воды. Характерно для некоторых засушливых, а также карстовых районов.

3) Отсутствие гидравлической связи. Водоупор расположен выше максимального уровня воды в реке. Происходит постоянное питание реки грунтовыми водами, разгружающимися на склонах долины в виде ключей или рассредоточенного высачивания. Наиболее характерно для горных районов (рис.12)

а) б)

Рис. 12 Схема взаимодействия речных и грунтовых вод:

а - постоянная односторонняя гидравлическая связь (река в течение всего года питает грунтовые воды); б – постоянная двухсторонняя 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).