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

даче изменений атмосферного дав пения на грунтовые воды, эф­ фект его воздействия может быть зафиксирован, так как процесс передачи давления в таких случаях протекает так же, как и в напорных водах.

Аналогичным является и принцип воздействия ветра на на­ порные подземные воды, так как резкие порывы ветра создают разряжение атмосферного давления в устье скважины (как бы высасывают воздух из ее ствола), приводя к резкому (до 5 см) подъему пьезометрического уровня воды в скважине. После каж­ дого такого порыва ветра уровень воды в скважине восстанавли­ вается.

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Выделение гидрологических факторов в качестве самостоя­ тельной группы является несколько условным и вызвано в основ­ ном спецификой воздействия режима поверхностных водотоков и водоемов на режим подземных вод. По существу режим по-

Рмс. 10. Типы взаимосвязи поверхностных и подземных вод

верхностных вод определяется в свою очередь климатическими факторами (прежде всего режимом выпадения атмосферных осадков), влияние которых, таким образом, косвенно передается на подземные воды.

Степень этой связи определяется гидрогеологическими усло­ виями территории. Так, по характеру гидравлического взаимо­ действия вод можно выделить пять основных типов взаимосвязи поверхностных и подземных вод (рис. 10).

Тип I широко распространен в пределах зон избыточного и умеренного увлажнения, главным образом вдоль крупных рек, где большую часть года реки или озера дренируют грунтовые воды и лишь во время паводка создаются условия подпора грунтовых вод и временного питания их за счет поверхностных вод (береговое регулирование). После прохождения паводка раз­ грузка грунтовых вод в реки или озера возобновляется.

вод в водоносные горизонты, передачей гидростатического напо­ ра или давления.

В большинстве случаев влияние всех трех форм воздействия осуществляется комплексно. Более подробно воздействие гидро­ логических факторов на подземные воды рассмотрено нами ранее (Коноплянцев, Ковалевский, Семенов, 1963).

Анализ зависимостей амплитуд колебаний уровня грунтовых вод от удаленности точек наблюдения от реки или другого водо­ ема поверхностных вод показывает, что размеры амплитуд и ско­ рости их затухания в глубь берега определяются в основном коэффициентами фильтрации водовмещающих пород, а также их мощностями и величиной водоотдачи. Чем больше коэффициент фильтрации, тем меньше скорость затухания амплитуд колеба­ ния уровня грунтовых вод. Быстрое и резкое уменьшение ампли­ туд колебаний уровня грунтовых вод по мере удаления от реки свидетельствует о плохой гидравлической связи поверхностных н подземных вод. Такие случаи имеют место при наличии слабо проницаемых пород, сильного заиления берегов и дна рек, при фациальном замещении водовмещающнх отложений с высокими •фильтрационными свойствами на слабо водообильиые отложе­ ния, при наличии литологических или тектонических экранов и т. п. Резкие перегибы в графиках свидетельствуют о смене лито­ логических разностей водовмещающих пород и их фильтрацион­ ных свойств. Выявление в результате режимных наблюдений таких участков (со слабой гидравлической связью поверхностных и подземных вод с разными фильтрационными свойствами по­ род) имеет большое значение для решения ряда практических задач: расчетов береговых ннфильтрациоиных водозаборов, рас­ четов подпора и подтопления территорий в зонах влияния водо­ хранилищ и др.

Графики зависимости изменений соотношения колебаний уровней подземных вод АЯгр и поверхностных вод АНѵ от рас­ стояния наблюдательной точки до берега реки могут служить ос­ новой для прогноза амплитуд колебаний уровней грунтовых вод на соседних с наблюдательными створами участках, имеющих ■ одинаковое строение.

Установив за предыдущие годы зависимость соотношения ам­ плитуд колебаний уровней грунтовых вод и воды в реке в период паводка от расстояния наблюдательных скважин до берега реки, можно, зная амплитуду колебаний уровней воды в реке, опреде­ лить не только амплитуды колебаний уровней воды в наблюда­ тельных скважинах, но и в любом месте между ними, используя для этой цели составленные заранее графики. Аналогичным об­ разом можно составить графики зависимости амплитуд колеба­ ний уровня подземных вод от расстояния до реки для разных по водности лет (рис. И).

Для прогноза времени наступления максимальных уровней подземных вод, вызванных их подпором со стороны реки, можно

ниям в подземных водах прибрежных участков. Разнообразие характера этих изменений в региональном плане вызывается различиями в режиме поверхностных вод, определяемыми кли­ матическими особенностями районов.

ЭНДОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Большая часть эндогенных факторов, как отмечено выше, проявляется лишь в геологические периоды времени. Поэтому эффект влияния этих факторов на режим подземных вод может быть зафиксирован лишь при очень длительных наблюдениях, а степень этого влияния может рассматриваться лишь в отноше­ нии палеогидрогеологических реконструкций природной обста­ новки.

Среди геологических факторов, эффект которых фиксируется проводимыми наблюдениями, следует назвать воздействие неотектонических движений, современного вулканизма и земле­ трясений.

Неотектонические движения также являются медленно про­ текающим процессом. В отдельных районах скорости погруже­ ния или подъема земной коры достигают фиксируемых величин, поэтому связанные с этим процессом явления (заболачиваниетерритории, непрерывный подъем или спад уровня в многолетнем разрезе) могут 'быть отмечены в виде тенденции. Знак неотектонических подвижек обычно тесно связан с тектоническим развитием предшествовавших геологических эпох. Так, горные области и кристаллические щиты испытывают поднятия (Крым на 4—5 мм/год, Кавказ— 12— 13 мм/год, Украинский и Бело­ русский щиты — до 6—7 мм/год), а впадины (например, При­ балтика),— наоборот погружение со скоростью до 1—3 мм/год.

Влияние землетрясений и современного вулканизма на ре­ жим подземных вод проявляется эпизодически. Так, воздей­ ствия землетрясений чаще всего сказывается в появлении резких колебаний уровней напорных вод (рис. 13). Однако сейсми­ ческая деятельность Земли может отражаться в режиме под­ земных вод не только в виде характерных «всплесков» уровня подземных вод, После чего режим подземных вод восстанавли­ вается, но и в коренном изменении условий формирования режи­ ма подземных вод, связанном с изменением площадей подземных водосборов бассейнов. Так, по данным М. Е. Альтовского, после землетрясений в Монголии (1957 г.) и Ашхабаде (1946 г.) мно­ гие источники в районе землетрясений изменили свои дебиты в несколько раз, уровни подземных вод в одних случаях понизи­ лись, в других, наоборот, повысились, появились новые родники. После гермабского землетрясения в Туркмении в 1929 г. повы­ шенный дебит источников наблюдался в течение двух-трех лет. Отмечались фонтаны воды до 2—6 м из трещин, образовавшихся в аллювии во время землетрясений на Балканах (1838 г.) и в Забайкалье (1862 г.); в Японии в 1930 г. наблюдались выбросы

кипящей воды и грязи. В районе землетрясения в Хэбген Лэйк (США) в 1959 г. кристально чистая вода источников в течение двух недель превратилась в коричневую, мутную, а в одной из нефтяных скважин глубиной около 90 м вода стала молочно-бе­ лого цвета. Дебиты многих источников возросли в 3 раза, другие источники прекратили свое существование на несколько недель.

Рис. 13. Колебания уровня подземных вод в скважине, зафиксированные в

люмент землетрясения в Хебген Лэіік в США 18 августа 1959 г. По Е. Е. Рек-

сину

Некоторые скважины, где глубина до воды составляла до 20 м, в течение 3 ч извергали фонтаны воды с песком, уровни во мно­ гих колодцах снизились на 2—3,5 м.

Влияние землетрясений может сказаться на режиме подзем­ ных вод на огромных расстояниях. Так, воздействие вышеопи­

Филиппинах (14 см), Египте (7 см), Ленинграде (около 3 см).

трясения в районе курорта Джеты-Огуз отмечалось повышение напоров, температур и содержания радона в напорных водах за 1,5 месяца до его начала.

В'режиме подземных вод проявляются также и влияния из­ вержений вулканов. Так, на Камчатке перед извержениями вул­ канов наблюдалось повышение температуры подземных вод, что

9* 35

может явиться одним из критериев для предсказания активи­ зации вулканической деятельности. Имели место также случаи, когда вода в колодцах перед извержением убывала или совсем исчезала, а в других местах появлялись новые источники, изме­ нялся химический и газовый состав подземных вод. В подземных водах появлялись различного рода механические примеси в виде мути и ила.

БИОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Биогенная группа факторов включает влияние леса и дру­

времени особенности условий формирования общего водного ба­

они (прежде всего изменения режима транспирации), разви­ ваясь сами, приводят к изменениям во времени режима под^ земных вод. Влияние растительности на величины испарения и стока, интенсивность снеготаяния н промерзания зоны аэрации, на задержание атмосферных осадков н другие элементы водного баланса подробно рассматривалась Г. Р. Эйтингеном (1944), В. II. Рутковским (1949), В. В. Рахмановым (1959) и другими исследователями, а также С. М. Семеновым (Коноплянцев, Ко­ валевский, Семенов, 1963). Здесь следует лишь отметить, что разнонаправленное влияние биогенных факторов на подземные воды приводило исследователей к различным толкованиям роли

Г. Ф. Басова, А. А. Молчанова, Н. С. Бирюкова, В. И. Рутковекого и других было установлено, что весной на залесенных участках более интенсивно накапливается влага, чем в безлес­ ных участках, а летом, наоборот, — более интенсивно расходу­ ется. При этом суммарный баланс грунтовых вод зависит от возраста леса: молодняк и старый лес, как правило, больше накапливают, чем расходуют, а лес среднего возраста, наобо­ рот, больше расходует, чем накапливает.

В результате наблюдения гидрогеологической станции ЦЧП отмечают, что в весеннее время под лесными массивами или полосами наблюдаются более высокие подъемы, чем в приле­ гающей степи или на полянах, а летом — более резкие спады уровня грунтовых вод. Годовая амплитуда колебаний уровней

Интересно отметить, что при больших глубинах залегания грунтовых вод изменения биологической обстановки, вызванные созданием лесных полос, не привели к каким-либо существен­ ным изменениям в их режиме. При небольших глубинах (менее 5—7 м) в районах со слабым подземным стоком создание лес­

транспирации, то с учетом устойчивой положительной или отри-

величины транспирации по Уайту (Todd, 1960) могут быть рас­ считаны по уравнению

грунтовых вод.

Однако рассматриваемые суточные колебания уровней грун­ товых вод определяются не только транспирацией, но и испаре­ нием непосредственно с поверхности грунтовых вод. Поэтому рассчитываемое вышеописанным способом расходование под­ земных вод обычно называется звапотранспирацией.

В заключение следует отметить, что все вышеперечисленные факторы могут проявиться в режиме подземных вод в той или иной степени в зависимости от природных условий, роль кото­ рых в формировании режима подземных вод будет рассмотрена в последующих главах.

но встретить различные черты режима подземных вод. Это раз­ личие отражается в амплитудах колебаний уровней грунтовых вод, интенсивности их подъемов и спадов, сроках наступления максимальных уровней грунтовых вод, в режиме их температур и химического состава. Отличительные черты режима обуслов­ ливаются микрорельефом и мощностью зоны аэрации, неод­ нородностью фильтрационных свойств зоны аэрации и водонос­ ного горизонта, а также особенностями растительного покрова.

Однако наряду с указанными различиями в режиме грун­ товых вод отдельных участков можно установить и ряд общих принципиальных особенностей режима, характерных для боль­ ших территории. К ним относятся особенности условий питания подземных вод и характер его распределения во времени. Нами (Коноплянцев, Ковалевский, Семенов, 1963) на территории СССР

выделено три основных типа естественного режима грунтовых вод:

I — кратковременного, преимущественно летнего, питания грунтовых вод;

II — сезонного, преимущественно весеннего и осеннего, пи­ тания грунтовых вод:

III — круглогодичного питания грунтовых вод.

Тип I — кратковременного питания грунтовых вод — харак­ терен для провинции развития многолетнемерзлых пород (рис. 15). Грунтовые воды здесь находятся в жидкой фазе только в летнее и осеннее время, а зимой полностью промерзают. Мощ­ ность сезонноталой зоны в зависимости от экспозиции склона, литологического состава водовмещающих пород и растительного покрова колеблется от 0,1 до 4,5—5 м. Чем выше среднегодовая температура воздуха, тем глубже сезонное оттаивание грунто­ вых вод. Максимальный годовой уровень наблюдается в наибо­ лее теплый месяц года, чаще всего в июне-июле. Однако иног­ да при продолжительных летних дождях максимум сдвигается на август-октябрь.

Промерзание зоны аэрации сверху начинается в октябре-но­ ябре. При этом на нижней границе сезоиноталого слоя может еще идти процесс оттаивания с продолжающимся подъемом уровней. Спад уровней при этом может начаться лишь при на­ коплении определенной суммы отрицательных температур (иног­ да лишь при установлении температур минус 10— 15°С).

Период существования грунтовых вод в жидкой фазе в про­ винции многолетней мерзлоты в отдельные годы бывает раз­ личным (рис. 16). Это связано с условиями промерзания и от­ таивания зоны аэрации и грунтовых вод, что определяется ме­ теорологическими особенностями каждого года в отдельности. Различными бывают и сезонные фазы подъема и спада уровней грунтовых вод, т. е. в одни годы, могут наблюдаться весенние подъемы и четкий летний максимум, в другие — сразу после оттаивания грунтовых вод может происходить спад их уровней,