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

накладывающихся циклических колебаний в режиме подземных вод, которые в той или иной мере осложняются или затушевы­ ваются воздействием других факторов. Наиболее четко фикси­ руемые космогенные циклы в режиме подземных вод приведе­ ны в табл. 1.

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Метеорологические, или, как их иначе называют, климати­ ческие*, факторы во многом определяют большинство особен­ ностей режима подземных вод, так как в данную группу факто­ ров входят режим выпадения осадков, являющихся основным источником питания подземных вод, и режим температур и влажности воздуха, определяющие размеры испарения как с поверхности земли, так и с поверхности грунтовых вод. Таким образом, метеорологические факторы влияют на величины ос­ новных элементов баланса подземных вод, что находит свое отражение в их режиме.

Одним из основных макропроцессов, определяющих режим температур воздуха и выпадения атмосферных осадков, являет­ ся атмосферная циркуляция ветров.

Многими исследователями (Вангенгейм, 1948; Дзердзиевский, 1968; Гире, 1960, 1971; А. Л. Кац, 1966, 1968 и др.) установлены многолетние закономерности атмосферной циркуляции ветров. Ими выделяются две основные формы переноса тепла и влаги: зональная и меридиональная. При этом меридиональный перенос определяется наличием градиента температур между экватором и полюсом, а зональный — градиентом температур между океа­ ном и материком. В результате смены суточных, сезонных и многолетних градиентов температур между океаном и матери­ ком в атлантическом секторе северного полушария преобладают три типа атмосферной циркуляции (по Вангенгейму и Гирсу): западный W, восточный Е и центральный С, а также соответству­ ющие им типы 3, Мі и М2 в тихоокеанском секторе. Соотношение числа дней в году с преобладанием той или иной формы цирку­ ляции и определяет погодную его характеристику. Наблюдения­ ми последних лет было установлено, что на восходящих ветвях солнечной активности усиливается меридиональный перенос, что приводит к потеплению климата, а в минимум солнечной активности, наоборот, увеличивается зональный перенос, что при­ водит к притоку холодных масс воздуха с севера и океана и к похолоданию климата.

* Употребление термина «климатические факторы» нам представляется менее удачным, так как часто противопоставляемые им гидрологические факторы также являются климатическими. Кроме того, под климатической характеристикой района обычно понимается некоторая усредненная за мно­ голетие совокупность смен атмосферных процессов (температур, осадков, влажности, ветров и т. п.), как бы постоянная для каждого района. Мете­ орологический же режим все время при этом изменяется.

Каждой форме атмосферной циркуляции соответствуют оп­ ределенные закономерности распределения термо-барических по­ лей тропосферы, а также характерное распределение метеороло­ гических элементов (осадков и температур воздуха) у поверх­ ности Земли, являющихся основными режимообразующими фак­ торами для подземных вод. В частности, отмечено, что количе­

Периодограммный анализ многолетних изменений различных форм атмосферной циркуляции, проведенный И. В. Максимовым и Н. П. Смирновым (1965), вскрыл следующую их цикличность:

В среднем выделяются периоды в 3,6; 6,6; 11,4 и 17,7 года, что в целом согласуется с соответствующей цикличностью сол­ нечной активности.

Обобщение многолетних данных по атмосферной циркуляции позволило А. А. Гирсу (1971) составить цепь смен эпох с преоб­ ладанием различных форм атмосферной циркуляции за послед­ ние 80 лет:

(W + C ) ------ у \Ѵ------ > Е -------у С -------ѵ ( £ + С ) .

1891 — 1899 19 0 0 — 1928 19 2 9 — 1939 19 4 0 — 1948 1 949 — 1968

Как видно из этой схемы, за изученный промежуток времени ■ было отмечено лишь по одной смене каждой формы, что должно настораживать при использовании связей с атмосферной цирку­ ляцией в прогнозах режима подземных вод. Однако составлен­ ные интегральные кривые атмосферной циркуляции указывают на наличие векового цикла в их колебаниях, что позволяет пред­

положить вероятность повторения (в какой-то мере) уже наб­

людавшейся цепи смей этих форм.

На основании анализа интегральных кривых за предыдущий

период А. А. Гирсом составлен прогноз развития атмосферной циркуляции до 1994 г. с указанием соответствующих лет-аналогов

вает и сопоставление нормированных разностных интегральных кривых атмосферной циркуляции и подземного стока, рассчи­ танного Б. М. Доброумовым (1969) по ряду бассейнов рек

СССР.

Аналогичным образом нами установлены высокие корреляци­ онные связи между режимом подземных вод и типами атмосфер­ ной циркуляции Б. Л. Дзердзпевского. Интересными являются также взаимосвязи режима подземных вод с открытой в 1955— 1957 гг. квазидвухлетней цикличностью в зональных стратосфер­ ных ветрах, заключающейся в закономерной смене западных ветров на восточные (Рид, Кристер, Кац, Покровская и др.) и определяющей двухлетний цикл погодных явлений. Наибольшие

амплитуды скоростей эти ветры имеют на высотах около 24 км вдоль экватора между широтами ±10°, где они достигают 40 уз­ лов (20 м/с). При снижении высот и удалении от экватора интен­

и ниже. Длина периода данной цикличности изменяется от 24 до 30 месяцев, в среднем составляет 26 месяцев (Бугаев, Кац, 1971). Причинный характер этой цикличности пока еще точно не установлен, большинство авторов считают ее гелиообусловленной, так как 2-летняя цикличность отмечается в индексах площа­ дей и продолжительности жизни солнечных пятен.

Циклы в 26 месяцев отражают крупномасштабное изменение стратосферной циркуляции, которая в той или иной мере опре­ деляет особенности атмосферной циркуляции на более низких высотах H сказывается на характере п ритмичности колебаний температур воздуха, атмосферных осадков, а также на соответ­ ствующих колебаниях атмосферного давления. 2-летняя циклич­ ность отмечалась и ранее в различных природных явлениях. Так, А. Н. Воейков в 1891 г. отмечал 2-летнюю цикличность в че­ редовании тепловых и холодных, многоснежных и малоснежных зим в районе Петербурга, Г. Клаф в 1924 г.— в температурах воздуха, Г. Ландсберг в 1962 г.— в кольцах деревьев, в отложе­ нии ленточных глин с периодом в 2,2 года (26,4 месяца), Р. Ша­ пиро в 1964 г.— в атмосферном давлении, А. А. Календов в 1966 г.— в повторяемости соотношений осадков в четные и не­ четные годы в районе Владивостока.

Отмечалась также 2-летняя цикличность в появлении тайфу­ нов в Тихом океане, в выносе айсбергов из Ледовитого океана

вАтлантический у Ньюфаундленда, в колебаниях атмосферных

■осадков, а также в режиме подземных вод как при визуальном анализе многолетних графиков колебаний уровней и дебитов под­ земных вод, так и при их обработке периодограммным методом. Проведенный нами анализ массового материала показал, что 2-летняя цикличность появляется в режиме подземных вод поразному. В одних случаях она четко выявляется на графиках, по­ строенных по среднегодовым уровням, на которых видно, что после сравнительно более многоводного года следует маловод­ ный. В других случаях 2-летняя цикличность прослеживается лишь по графикам, построенным по срочным пли среднемесяч­ ным значениям уровней, и проявляется либо в чередовании более высоких и менее интенсивных подъемов уровней подземных вод

ввесенние периоды, либо в чередовании лет с различной продол­ жительностью весеннего питания грунтовых вод, выражающегося

вчередовании лет с резкими пнкообразными подъемами уровней

ис рассредоточенными во времени «многовершинными» колеба­ ниями уровней подземных вод. В условиях зарегулированного или ограниченного питания подземных вод данная цикличность

проявляется в питании грунтовых вод через год и постепенном спаде уровней на следующий год (рис. 7). Вместе с этим следу­ ет отметить, что 2-летняя ритмичность в режиме подземных вод в одних случаях обнаруживается, в других — отсутствует, и какой-либо определенной закономерности ее проявления до на­ стоящего времени не установлено.

-4,0-

оо-

\ f*\

Рис. 7. Двухлетняя цикличность режима подземных вод по районам СССР:

Открытие же 2-летней цикличности стратосферной циркуля­ ции позволяет уже сейчас подойти к выявлению генетических закономерностей проявления соответствующей цикличности в ре­ жиме грунтовых вод и определить возможности использования этих закономерных колебаний для прогнозов режима подземных вод.

Наличие не ровно двухлетней, а квазидвухлетней циклично­ сти обусловливает то, что пики этих 26-27-месячных циклов не

приурочены к каким-либо определенным месяцам в году, а посте­ пенно сдвигаются и приходятся то на один сезон, то на другой. В частности, отмечено, что наибольшие отклонения температур воздуха от норм наблюдаются в тех случаях, когда пики 26-ме­ сячных циклов совпадают с зимним периодом. Поэтому пик во­ сточных ветров в экваториальной зоне на поверхности 50 мбар, совпадающий с зимне-весенним периодом года, вызывает теплые многоснежные зимы и раннее наступление весны, в то время как пик западных ветров, совпадающий с зимне-весенним периодом, наоборот, приводит к позднему наступлению весны. Указанные закономерности имеют большое значение для анализа условии формирования режима подземных вод и его прогноза.

Отмеченный выше периодический во времени сдвиг циклов приводит к тому, что эффект этой цикличности в режиме грунто­ вых вод проявляется несистематически. Приуроченность мини­ мальных и максимальных уровней подземных вод к четным и не­ четным годам вследствие этого в среднем через 10— 11 лет изме­ няется, что согласуется с 11-летиим солнечным циклом. Так, на территории европейской части СССР с 1944 г. можно выделить следующие периоды фаз 2-летней цикличности: с 1944 по 1949 гг. максимальные уровни были приурочены к четным годам, с 1952 по 1961 гг.— к нечетным, с 1962 по 1967— 1970 гг.— к четным и с 1971 г.— вновь к нечетным годам, что сопоставляется с соответ­ ствующим развитием западных ветров на высоте 50 мбар.

Особенности многолетних циркуляционных процессов в зем­ ной атмосфере обусловливают характер ее теплового режима и увлажненности, которые уже непосредственно воздействуют на грунтовые воды, определяя основные черты их режима.

Наиболее мощным режимообразующим фактором является режим выпадения атмосферных осадков, их интенсивность и рас­ ходование на испарение. Размеры инфильтрации при равных ве­ личинах осадков и испарения зависят от литологического состава пород зоны аэрации и от глубин залегания подземных вод.

Как известно, влага в зоне аэрации помимо прочно связанно­ го типа может находиться в виде парообразной, пленочной и гравитационной. При этом первые три типа формы нахождения влаги в зоне аэрации могут в периоды отсутствия питания под­ земных вод интенсивно расходоваться на испарение, а в перио­ ды питания, наоборот, восполняться, определяя тем самым поте­ ри проинфильтровавшейся в почву гравитационной влаги. Чем больше мощность зоны, тем больше эти потери. В связи с этим величина инфильтрации с увеличением глубин залегания подзем­ ных вод постепенно уменьшается (Лебедев, 1963). Аналогичным образом с увеличением глубины уменьшается испарение. Макси­ мальное испарение из зоны аэрации, равное или даже превыша­ ющее испарение с открытой водной поверхности (в силу боль­ шей прогреваемости поверхности земли по сравнению с водной поверхностью), наблюдается при достижении капиллярной кай­

мы поверхности земли. На глубинах более 4—5 м в пористых или слабо трещиноватых породах испарение становится уже весьма малым и, по данным В. Н. Чубарова, при больших глубинах за­ легания грунтовых вод (до 40 м и более) имеет место практиче­ ски постоянный (независимо от глубины) процесс испарения с интенсивностью всего 0,015—0,5 мм/год. Отсюда можно сделать вывод, что при прочих равных условиях размеры инфильтрационного питания подземных вод, залегающих на глубинах более 5 м, могут рассматриваться почти одинаковыми. Однако практи­ ка показывает, что с глубиной амплитуды колебаний уровней подземных вод все же затухают, что можно объяснить рассредо­ точением процесса питания во времени п балансированием его подземным стоком.

Размеры инфильтрации атмосферных осадков до грунтовых вод зависят не только от глубины залегания последних и соста­ ва пород зоны аэрации, но и от ряда других причин, среди кото­ рых следует отметить морфологическое строение поверхности земли и микрорельеф, определяющие размеры поверхности стока и поверхностного задержания влаги, характер залесеииости, за­ дернованное™ или распаханности территории, а также интенсив­ ность выпадения осадков. Так, в Подмосковье при песчаном составе зоны аэрации и глубинах залегания грунтовых вод в среднем 2—3 м летние осадки достигают грунтовых вод лишь при величине дождевых осадков выше 40 мм. Осадки меньших размеров полностью расходуются на испарение как с поверхно­ сти земли, так и из зоны аэрации, не достигнув грунтовых вод.

При этом наилучшие условия для питания грунтовых вод быва­ ют при продолжительных моросящих дождях. Наблюдения на стоковых площадках с уклонами поверхности до 30° показыва­ ют, что в песчаной зоне аэрации сток появляется лишь при вели­ чине дождевых осадков свыше 8 мм.

Величины осадков и их распределение в течение года опреде­ ляются климатическими условиями территории. Анализ режима подземных вод показывает, что наиболее эффективными для пи­ тания подземных вод являются зимние осадки. В северных рай­ онах они скапливаются за зиму и иифильтруются весной с нача­ лом снеготаяния. В южных районах, где зона аэрации не промер­ зает и зимние осадки выпадают в жидкой фазе, их инфильтрация осуществляется в течение всего холодного сезона. В связи с этим корреляционные связи уровней подземных вод лучше всего уста­ навливаются именно с эффективными, а не со среднегодовыми суммами осадков. Интересна хорошая сопоставимость циклично­ сти режима атмосферных осадков холодного периода по терри­ тории СССР и режима уровней подземных вод (рис. 8). Как видно из данной гистограммы, составленной нами по материалам О. А. Дроздова и А. С. Григорьевой (1971), «всплески» повышен­ ных значений частот и плотностей вероятности многолетних из­ менений величин атмосферных осадков указывают на наличие

2-3-,■ 4-5-, 9-10-, 12-13-, 14-15-, 18-19- и 21-22-летних циклов. Боль­ шинство этих циклов имеет место и в режиме подземных вод, что отмечено выше.

По данным А. В. Процерова, размеры инфильтрации зимних осадков в почву в отдельных районах достигают в среднем 40% от суммы зимних осадков, а в карстовых районах — даже до 90%, так как поверхностный сток здесь практически отсутствует, а испарение талых вод и

вод (Коноплянцев, Ковалевский, Семенов, 1963). Для этой це­ ли на график наносят среднемесячные за многолетний период значения температур воздуха (рис. 9), а затем разность между среднемноголетней месячной суммой осадков и среднемного­ летней месячной суммой испарения. В связи с тем, что с на­ ступлением устойчивых отрицательных температур питание прекращается, разности между осадками и испарением за все зимние месяцы суммируют и относят к моменту таяния снега. Для районов и периодов года с положительными температура­ ми воздуха разность между осадками п испарением рассчиты­ вают и наносят на график для каждого месяца в отдельности.

Построенные таким образом графики во многом отражают условия питания грунтовых вод, в чем можно убедиться, сопоста­ вив их с колебаниями уровней грунтовых вод, наблюдаемыми в районах соответствующих метеостанций. Изменение в много­ летнем разрезе соотношений между осадками и испарением по сезонам года также в основном определяет характер многолет­ них колебаний уровней подземных вод.

Воздействие режима температур воздуха на режим подзем­ ных вод проявляется как прямо, так и косвенно. Прямое воздей­ ствие режима температур воздуха на подземные воды обуслов­ ливает режим температур подземных вод вплоть до изменения их фазового состояния, что регулярно наблюдается в районах

распространения многолетнемерзлых пород, где грунтовые воды зимой полностью промерзают. Косвенное воздействие режима температур воздуха на режим подземных вод проявляется в прекращении питания подземных вод в зимний период, создании

Рис. 9. Графики условий питания грунтовых вод:

а — в провинции развития многолетнемерзлых пород с кратковременным питанием (Колыма); 6 — в провинции с сезонным питанием (Поволжье); в — в провинции с круглогодичным питанием (Рнонская низменность). 1 — размеры возможного питания; 2 — температура воздуха; 3 — уровни грунтовых вод

таких условий (питания) в периоды оттепелей и после полного оттаивания зоны аэрации, в изменении интенсивности испарения подземных вод и расходования их на транспирацию, изменении вязкости воды и т. п., что отражается уже в режиме уровней подземных вод.

К метеорологическим факторам относится также режим атмо­ сферного давления, увеличение которого приводит к снижению уровней воды в скважинах и дебитов источников, а уменьшение» наоборот, к их повышению.

Указанные изменения связываются с упругими свойствами во­ ды и пласта, так как увеличение давления на водоносный гори­ зонт приводит к сжатию подземных вод и пород, в результате чего уровни подземных вод снижаются. Отношение изменений уровня подземных вод АЛ, вызванных соответствующим измене­ нием атмосферного давления Ар, называется барометрической, эффективностью (Jacob, 1940):

где у — объемный вес подземных вод, равный для пресных вод. 1 г/см3. Значения В колеблются в основном в пределах 0,3—0,8. Барометрическая эффективность может рассматриваться как гидрогеологический параметр водоносного горизонта, харак­ теризующий упругие и фильтрационные свойства этого горизон­ та, а также степень его изоляции от атмосферы. Величины коле­ баний уровней напорных вод, происходящих под влиянием изме­ нений атмосферного давления, достигают 20—30 см.

Влияние изменений атмосферного давления проявляется лишь в скважине, т. е. на открытой поверхности напорного водоносно­ го горизонта и в прилегающей к ней небольшой части водонос­ ного горизонта. За пределами зоны влияния скважины эти изме­ нения либо вообще не проявляются, либо проявляются, но в та­ ких масштабах, что не могут быть уловлены при существующей точности производства массовых измерений (± 1 см). В соответ­ ствии с этим влияние атмосферного давления на колебания уров­ ня подземных вод проявляется тем более четко, чем более изоли­ рован водоносный горизонт от атмосферы. Поэтому при умень­ шении атмосферного давления происходит отжатие воды из водоносного горизонта в скважину за счет образовавшейся раз­ ности давлений в пласте и в скважине, т. е. за счет упругих запасов подземных вод. При увеличении атмосферного давления, наоборот, происходит как бы нагнетание воды из скважины в пласт. Скорость такого перераспределения давления определя­ ется фильтрационными и упругими свойствами водоносного го­ ризонта (также, как при откачке или наливе).

Более подробно влияние атмосферного давления на режим подземных вод рассмотрено в работах Джекоба (Jacob, 1940), П. М. Гасс (1967) и В. С. Ковалевского и М. Н. Коляды (1967).

Изменения атмосферного давления воздействуют на грунто­ вые воды, однако, как показывают расчеты (Ковалевский, Коля­ да, 1967), вследствие равномерного распределения давления на всю поверхность грунтовых вод эти воздействия приводят лишь к незначительным колебаниям уровня грунтовых вод, измеряе­ мым десятыми долями миллиметра. Лишь в тех случаях, когда, например, зона аэрации промерзла во влажном состоянии, а так­ же после сильных дождей, когда в зоне аэрации образовались подвешенные капиллярные воды, препятствующие прямой пере­