книги из ГПНТБ / Ковалевский В.С. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод

1. Областью питания напорных вод служит пласт, непо­ средственно выходящий на поверхность (открытый) или имею­ щий прямую гидравлическую связь с грунтовыми водами. Во­

ляется за счет поверхностных водотоков. Такое питание может иметь место как для открытого, так и закрытого пласта. По

ского горизонтов осуществляется в значительной мере по бал­

кам,'подам н логам.

Питание напорных вод за-счет постоянных водотоков имеет

в таких условиях характеризуется наибольшей динамичностью как по уровням, так и в химическом составе и температурах вод. Восполнение резко возрастает в паводки.

В каждом конкретном случае питание напорного водонос­ ного горизонта может осуществляться либо одним, либо не­ сколькими из перечисленных выше путей, и поэтому характер режима напорных вод может быть весьма сложным. В частно­ сти колебания напоров подземных вод в областях питания в одних случаях могут быть связаны с непосредственным воспол­ нением запасов подземных вод (что находит также отражение в режиме температур и химического состава напорных вод), в других — они происходят лишь за счет передачи давления от возросшей в период питания мощности потока грунтовых вод или поверхностных водотоков. Последний случай весьма часто встречается в закрытых пластах.

Так, колебания напоров в флювиогляциальных напорных горизонтах Белоруссии на водоразделах до глубины 100— 150 м следуют лишь с небольшим запаздыванием за соответст­ вующими колебаниями уровней грунтовых вод. Однако какихлибо изменений в химическом составе напорных вод, тем более синхронных изменений в их составе не наблюдается. Следова­ тельно, весной здесь имеет место лишь сезонное изменение в передачах напоров. Непосредственная же фильтрация подзем­ ных вод в напорный водоносный горизонт осуществляется зна­ чительно медленнее, рассредоточиваясь на многие годы. По­ этому в таких условиях каких-либо сезонных колебаний в хи­

и отражающие изменения упругого состояния горизонтов под воздействием главным образом атмосферного давления. Ам­ плитуды колебаний напоров по мере удаления от областей пи­ тания постепенно затухают, а экстремальные значения уровней также постепенно сдвигаются во времени.

Затухание колебаний температур и химического состава на­ порных вод зависит от интенсивности фильтрации подземных вод (см. гл. III). Так, при интенсивном нисходящем движении подземных вод сезонные колебания температур, по данным Н. М. Фролова, могут быть зафиксированы на значительных глубинах. При этом максимальные изменения температур реги­ стрируются обычно в хорошо проницаемых породах (с высокой водопроводимостыо), характеризующихся низкими значениями

геотермического градиента. При слабом вертикальном водооб­ мене уже на глубинах около 100 м не отмечается никаких се­ зонных колебаний уровней, температур, химического состава подземных вод. При больших глубинах закономерные сезонные

Рис. 48. Многолетние колебания химического состава напорных вод по скв. 6Q0 в г. Луганске. По материалам Луганской гидрогеологической станции

колебания не устанавливаются даже в результате многолетних наблюдений. В качестве примера можно привести наблюдения по двум скважинам Луганской гидрогеологической станции, вскрывшим воду в известняках карбона на глубинах 470 и 743 м (рис. 48). Замеры производились ежемесячно при самоизливе скважин. В скв. 1 дебит в зависимости от атмосферного

давления изменялся от 0,18 до 0,21 л/с, а в скв. 600 — от 0,5 до 0,6 л/с. Температура на самоизливе в зависимости от тем­

исолоноватые напорные

пласте. Процесс опреснения, по данным П. М. Гасс и Е. Н. Яр­ цевой, протекает медленно — в течение нескольких месяцев.

Так, в скв. 74 на подмосковном стационаре ВСЕГИНГЕО, пробуренной в 1961 г. на мячковско-подольский напорный во­ доносный горизонт, залегающий на глубине 136 м (кровля го­ ризонта) и имеющий минерализацию воды 2,378 г/л, столб во­

глубинах составила соответственно 0,125 и 0,22 г/л. Лишь на уровне фильтра минерализация соответствовала минерализа­ ции воды в водоносном горизонте. Тип воды в скважине также резко изменился (рис. 49).

Возможными причинами такого опреснения являются, види­ мо, частично конденсация атмосферной влаги в обсадных тру­ бах, разбавляющей соленые воды сверху, а также некачествен­ ная герметизация колонн труб. Кроме того, высокоминерали­ зованные хлоридные натриевые воды иногда через три-четыре года полностью разрушают обсадные трубы, что приводит к взаимосвязи через скважину различных водоносных гори­ зонтов.

Отмеченный факт необходимо учитывать при отборе ■ проб воды на анализы из глубоких скважин и производить такой от­ бор лишь после прокачки скважины. В большинстве случаев наблюдения за химическим составом глубокозалегающих на­ порных вод, находящихся в естественных условиях, показы-

вают исключительную стабильность режима. Даже многие самоизливающие скважины, например в Терско-Кумском арте­ зианском бассейне, в течение десяти лет и более не отмечают

Связано это с тем, что наблюдения за самоизливом из сква­ жин, вскрывших водоносный горизонт, хорошо изолированный от других горизонтов и схематизируемый «неограниченным пластом», в течение многих лет фиксируют постоянное сниже­ ние дебитов скважин и напоров в них. Таким образом, самоизлнв является аналогией откачки с постоянно развивающейся воронкой депрессии. Лишь иногда в скважинах, вскрывших водоносные слои, сложенные тонкими рыхлыми отложениями, в течение двух-пяти лет может отмечаться некоторое повыше­ ние дебитов за счет «раскачки» скважины, сопровождающейся образованием естественного фильтра из более грубо сортиро­ ванного материала вокруг водоприемной части скважины. Самоизлив в таких случаях сопровождается выносом тонкого песка и глинистых частиц. После периода «раскачки» неизмен­ но начинается снижение и уровней, и дебитов скважин.

При ограниченных размерах бассейна, т. е. когда воронка депрессии быстро достигает границ пласта (источников, рек. областей питания с интенсивным восполнением ресурсов под­ земных вод), а также при наличии взаимосвязи наблюдаемого напорного водоносного горизонта главным образом с вышеле­ жащим горизонтом, в самоизливающих наблюдательных сква­ жинах уже через один-два года прекращается снижение дебнтов и уровней. С этого момента режим самоизливающих сква­ жин может рассматриваться как естественный. В зависимости от степени раскрытости бассейна в таких скважинах могут фиксироваться и сезонные, и многолетние колебания. Приме­ ром могут служить самоизливающие скважины Алазанского и Араратского артезианских бассейнов, режим которых хорошо увязывается с режимом грунтовых вод, с режимом атмосфер­ ной циркуляции и геомагнитной возмущенностыо.

Режим напорных вод в области их разгрузки в значитель­ ной степени зависит от гидрогеологических условий этих обла­ стей. В частности могут быть рассмотрены следующие разно­ видности областей разгрузки.

1. Напорный пласт имеет в области разгрузки открыт выход на поверхность земли. Разгрузка напорных вод осу­ ществляется в виде восходящих источников. Дебит таких источников в зависимости от удаленности областей питания может либо отражать режим подземных вод областей питания с определенным сдвигом во времени, либо зависеть только от режима атмосферного давления. Весьма часто в такого рода областях разгрузки наблюдается дополнительное подпитывание напорных вод за счет перетекания из грунтовых вод. В этих

случаях в колебаниях уровней или дебитов напорных вод мо­ гут быть выделены колебания, связанные с местным подпиты­ ванием (как правило, первый пик), и колебания, связанные с передачей напоров пз областей питания (второй пик). В зави­ симости от удаленности областей питания и интенсивности местного подпитывания оба пика могут следовать друг за дру­ гом или быть разделенными промежутком времени в несколь­ ко месяцев.

2. Напорный пласт имеет в области разгрузки непосредст­ венную гидравлическую связь с грунтовыми (например, с грун­ товыми водами низких террас и пойм рек) или с поверхност­ ными водами. Разгрузка осуществляется за счет перетекания через слабо проницаемые слои в грунтовые воды либо в реки, озера и моря. Режим напорных вод в таких условиях помимо воздействия атмосферного давления, характерного для режима напорных вод вообще, отражает режим либо грунтовых, либо поверхностных вод, создающих подпор разгружающимся на­ порным водам. В завиримости от соотношения изменений уров­ ней грунтовых и поверхностных вод с высотой напора, разгруз­ ка напорных вод в период паводка может либо совсем прекра­ титься, либо сократиться в размерах. Режим напорных вод в этом случае наиболее динамичен во времени, т. е. характери­ зуется интенсивными колебаниями, которые быстро распрост­ раняются на значительные расстояния. Подъемы уровней на­ порных вод, связанные с их подпором и с передачей напоров со стороны областей питания, также проявляются разновре­ менно (первый пик вызван подпором, второй — передачей на­ пора из областей питания).

3. Напорный пласт не имеет непосредственной связи с зем­ ной поверхностью. Разгрузка напорных вод осуществляется за счет перетекания в вышележащие напорные горизонты. Никаких особенностей режим напорных вод в таких областях разгрузки по сравнению с областями транзита не имеет, так как дополни­ тельные воздействия каких-либо других режимообразующих факторов здесь отсутствуют.

Резюмируя и обобщая вышеизложенное, можно выделить шесть основных схем артезианских водоносных горизонтов по степени их дренированное™ и интенсивности питания (рис. 50):

1)открытый проточный, с интенсивным питанием и разгруз­

кой;

2)закрытый проточный, с зарегулированными, но интенсив­ ными питанием и разгрузкой;

3)открытый полупроточный (или слабо проточный), с ин­ тенсивным питанием, но затрудненной разгрузкой;

4) закрытый полупроточный, с затрудненными и питанием,

иразгрузкой напорных вод;

5)открытый исключительно слабо проточный, с хорошими условиями восполнения, но практически отсутствующим дрена-

жем, с активным водообменом лишь в верхней части горизон­ та и поэтому со сменой пресных вод в областях питания соле­ ными водами в областях транзита;

6) закрытый бессточный, с затрудненными условиями пита ния и отсутствием непосредственного дренажа водоносного го­ ризонта, содержащего, как правило, соленые воды.

Рис. 50. Типы артезианских бассейнов по степени их дреннрованости:

Следует отметить, что предложенная схематизация бассей­ нов по условиям формирования режима напорных вод являет­ ся в определенной мере идеализированной и что в действитель­ ности условия питания и разгрузки напорных вод осуществля­ ются значительно сложнее. Связано это часто с резкой фаци­ альной изменчивостью отложений по площади и по вертикали, изменениями условий расчлененности рельефа и гипсометрии местности, а также соотношений напоров между различными водоносными горизонтами и т. п.

- Повышенная по сравнению с грунтовыми водами инерцион­ ность напорных вод предопределяет тот факт, что автокорре­ ляция наиболее длинных рядов наблюдений за режимом напор­ ных вод показывает наличие довольно высокой взаимосвязан­ ности уровней соседних лет. Средний коэффициент автокорре­ ляции для лет, разделенных интервалом времени в один год, составил 0,71, а с интервалом времени в два года—0,57, что позволяет почти во всех случаях составлять прогнозы режима напорных вод с заблаговременностью в два года, основываясь только на данных об уровнях последнего года. Затухание ко-

эффициентов автокорреляции с увеличением времени сдвига протекает чаще всего очень медленно, что свидетельствует о наличии длиннопериодпон цикличности в режиме напорных вод. Обзор коррелограмм уровней напорных вод показывает, что в режиме последних выделяются, как правило, циклы больших периодов (от 18 лет и более). Циклы с периодами 8, 9, 11 и 12 лет встречены в напорных водах в единичных случаях. Более короткопериодные циклы (2, 3, 5 лет) проявляются лишь в виде тенденции, т. е. в виде небольших всплесков на фоне общего спада автокорреляционной функции. Поэтому на коррелограммах выделяются чаще всего циклы с длиной периода, равной 18— 19, 22—23, 26—27, 36—38 лет.

Амплитуды многолетних колебаний уровней или дебитов самоизливающих скважин соответственно меньше, чем в грунто­ вых водах, а фазы цикличности в зависимости от удаленности областей питания сдвинуты во времени.

КАРТИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗЫ РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Рассмотренные в предыдущих главах региональные законо­ мерности режима подземных вод позволяют определить основ­ ные принципы экстраполяции результатов наблюдении по пло­ щади, т. е. наметить пути картирования режима подземных вод, а также обосновать возможности составления прогнозов режима подземных вод и необходимый комплекс факторов, принимае­ мых во внимание при прогнозах.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КАРТИРОВАНИЯ РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Одним из основных элементов любого гидрогеологического картирования является отражение на картах фактических дан­ ных о глубинах залегания подземных вод, величинах напоров, дебитах источников или самоизливающих скважин, химическом составе подземных вод и сравнительно реже о температурах подземных вод. Однако, как правило, вышеперечисленные харак­ теристики берутся по разовым замерам или по единичным про­ бам воды без учета особенностей режима подземных вод.

Использование данных без учета режима подземных вод мо­ жет существенно исказить отображаемую на картах гидрогеоло­ гическую обстановку. Из приведенного выше видно, что колеба­ ния уровней подземных вод в годовом и тем более в многолет­ нем разрезе достигают иногда 20—-45 м. Дебиты источников также могут иногда изменяться в 30—600 раз. При этом сроки наступления минимальных и максимальных значений уровней или дебитов подземных вод как во времени, так и в простран­ стве существенно варьируют в зависимости от различия в глуби­ нах залегания подземных вод, залесенности территории, экспо­ зиции склона, литологического строения зоны аэрации, удален­ ности наблюдательной точки или выхода источника от области питания, микрорельефа и других факторов. Может оказаться, что составленная для таких условий карта гидроизогипс на опре-

деленную дату базируется на совершенно несопоставимых вели* чипах.

Все это указывает на необходимость, с одной стороны, учиты­ вать режим подземных вод при составлении комплекса карт при общих гидрогеологических исследованиях и съемочных работах с целью приведения фактического материала к единообразным, сравнимым периодам в формировании подземных вод, а с другой

— составлять специальные карты режима подземных вод, кото­ рые наряду с общими гидрогеологическими картами помогли бы раскрыть динамику формирования подземных вод, условия их взаимосвязи с поверхностью земли (метеофакторамп и гидросфе­ рой) как в течение года, так и в многолетнем разрезе, а также использовать вскрытые закономерности -в режиме подземных вод при решении практических задач.

Карты режима подземных вод, так же как и другие карты, могут быть синтетическими, аналитическими и комплексными (Ковалевский, 1971).

Синтетические карты

Под синтетическими понимаются карты, дающие обобщенное, синтезированное представление о режиме подземных вод, его ос­ новных региональных закономерностях и принципиальных чер­ тах сезонных или многолетних изменений.

К числу синтетических карт могут быть отнесены карты рай­ онирования территорий по условиям формирования режима под­ земных вод с отражением на них в каждом выделенном районе основных обобщенных характеристик режима подземных вод, —дипичных для всего района в целом. В основу такого райониро­ вания должны быть положены существующие классификацион­ ные схемы режима подземных вод. Примером составления син­ тетических карт может служить проведенное большинством ги­ дрогеологических станций страны по предложенным нами сов­ местно с А. А. Конопляицевым (Коноплянцев, Ковалевский, 1960, 1964) принципам районирование с выделением на картах типов, подтипов, классов, подклассов, видов и разновидностей режима грунтовых вод (см. гл. III). Масштабы таких карт могут

мельче) отображаются типы, подтипы и классы режима подзем­ ных вод, на средне- и крупномасштабных (1:50 000— 1:500 000) — подклассы и виды режима, а на детальных (1:25 000 п крупнее)

— виды и разновидности режима подземных вод.

Существенным элементом всех карт режима подземных вод и особенно карт, синтезирующих характерные черты режима под­ земных вод крупных регионов, является их зарамочное оформле­ ние. Оно не только дает дополнительную характеристику карти­ руемого режима подземных вод, но и вскрывает основные его закономерности, а также помогает экстраполировать данные по