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

небольшое или оно практически отсутствует. С увеличением глубины, как отмечалось выше, питание грунтовых вод рассредо­ точивается во времени, что приводит к снижению тесноты кор­ реляционных связей между атмосферными осадками и ампли­ тудами колебаний уровней грунтовых вод. Интенсивность

О.2 0 В 12 10 минимум является единственным

минимума последующего года. Лишь при малых глубинах за­ легания грунтовых вод (менее 2 м) осенние осадки вызывают ежегодный существенный подъем уровня грунтовых вод в сен­ тябре-декабре. Этому подъему уровней способствует также рез­ кое сокращение эватораиспирации. В таких случаях помимо предвесеннего минимума может быть зафиксирован четкий лет­ ний или летне-осенний минимум (август-октябрь). Аналогичный характер имеет режим подземных вод в районах таликов и «ост­ ровного» развития мерзлоты в- пределах первой провинции (с режимом типа I).

Интенсивные осадки могут обусловить существенный подъем уровней грунтовых вод не только осенью, но и летом. При этом в зависимости от интенсивности дождей и глубин залегания грунтовых вод подъем их уровней наблюдается с запаздыванием от нескольких часов до 7— 10 дней, реже до одного-двух меся­ цев (в изолированных от поверхности земли водоносных горизон­ тах).

Положение летне-осеннего минимума (его абсолютная отмет­ ка или глубина залегания уровня) определяется положением предшествовавшего ему максимального весеннего уровня (см. рис. 18, в). Однако при малых глубинах залегания грунтовых

Л О е О 5 <Ѵ

5 я

*£.

у

X >-> 1et

о о

1 §

о IЧ

ю

со то

*=( ь

§ з

я

X •&

3 (Ur-s

S * £

2 к О

O.VO

а н о-

о то с a а га >і іи-—^

с

0 2 «

с- о et

ОнО

S

>*

О

о

в й

вод существенную роль в их балансе в данный период начинают играть и летние осадки, и испарение грунтовых вод, определяе­ мое температурами воздуха п его дефицитом влажности. При этом наиболее значительным оказывается воздействие осадков и испарения весеннего периода и начала лета, т. е. когда уровни грунтовых вод располагаются на наиболее высоких отметках (рис. 24).

III тип — круглогодичного, преимущественно зимнего пита­ ния грунтовых вод— охватывает лишь самую южную и запад­

шаются и достигают максимума в феврале-апреле, после чего на большей части территории начинается постепенный спад уровня, продолжающийся до кон­ ца лета (рис. 25). Это связано с тем, что летние осадки расхо­ дуются только на испарение, и основными статьями баланса грунтовых вод в данный период являются сток (там, где он име­ ет место) и испарение. Исключение составляют районы с избы­ точным увлажнением (Рионская низменность), где обильные атмосферные осадки питают неглубоко залегающие грунтовые воды и летом. Тем не менее минимальные уровни грунтовых вод и дебиты источников здесь, так же как и в других районах, от­

и особенно в переходной зоне между второй и третьей провин­ циями также могут наблюдаться кратковременное промерзание зоны аэрации, а следовательно, и небольшие кратковременные периоды спада уровней грунтовых вод зимой. В результате этого в такие годы могут наблюдаться два максимума: осенне-зимний (декабрь-январь) и весенний (февраль-апрель) (см. рис. 25).

В качестве основных факторов, формирующих экстремальные значения уровней грунтовых вод в данной провинции, служат зимне-осенние осадки, определяющие высоту весеннего подъема

уровней грунтовых вод, а также летние температуры воздуха

идефицит его влажности, которые обусловливают характер и интенсивность спада уровней летом. Для бессточных и слабо дренированных территорий данной провинции, характеризую­ щихся главным образом вертикальным водообменом, режим грунтовых вод определяется особенностями их зимнего питания

илетнего испарения. На испарение здесь расходуется до 80— 100% от всех инфильтровавшихся за зиму осадков.

Величины питания грунтовых вод, как указывалось выше,

зависят от различных режимообразующих факторов. К ним отно­ сятся: характер увлажненности территории, степень ее дрениро­ ванное™, литологический состав водовмещающих пород, особен­ ности граничных условий водоносных горизонтов, степень изоли­ рованности водоносного горизонта от поверхности земли, осо­ бенности микрорельефа территории, ее залесенность и т. п.

В зависимости от характера увлажненности территории в пределах каждой из трех отмеченных выше провинций выделя­ ются по три зоны, или подтипа режима (Коноплянцев, Ковалев­ ский, 1960): 'обильного, умеренного и скудного питания грунто­ вых вод (см. рис. 15). В качестве критерия выделения таких зон были приняты коэффициенты водного баланса Костикова: для

зоны обильного питания приняты значения-^-> і і для зоны

умеренного питания ііР = 0,5— 1,3 и для зоны скудного питания

пР

Е < 1 , где Р — среднее многолетнее количество осадков, ц = 1—k

(,к — коэффициент поверхностного стока) и Е — испарение. Со­ отношение осадков и испарения непосредственно определяет размеры амплитуд колебаний уровней грунтовых вод, что легко установить при сопоставлении графиков колебаний уровней при одинаковых глубинах до воды и одинаковом литологическом составе водовмещающих пород.

Степень дренированное™ территории включает в себя степень расчлененности рельефа гидрографической сетью, которая выра­ жается в средней протяженности овражно-балочной и речной сети на единицу площади, глубинами вреза эрозионной сети, а также общей выровненностыо или всхолмлениостью территории. Степень расчлененности территории определяет процент атмос­ ферных осадков, расходуемых непосредственно на поверхност­ ный сток (т. е. коэффициент поверхностного стока), скорости водообмена подземных вод, интенсивность спада уровней под­ земных вод или дебитов родников.

Проведенные на Щемиловском стационаре ВСЕГИНГЕО наблюдения за размерами инфильтрации атмосферных осадков в специально сконструированных для этой цели лизиметрах с наклонными поверхностями показали, что с увеличением угла наклона поверхности земли размеры инфильтрации уменьшаются

и при угле наклона в 30° размеры инфильтрации в 1,5 раза мень­ ше, чем в лизиметрах с горизонтальной поверхностью. Интерес­ ным является и тот факт, что особенно значительно отличались размеры инфильтрации в лизиметрах с наклонной поверхностью от лизиметров с горизонтальной поверхностью при ливневых осадках и менее существенно — при моросящих дождях.

На сильно расчлененных территориях расстояния между дре­ нами намного меньше, чем на слабо расчлененных, и, следова­ тельно, скорости полного водообмена подземных вод (т. е. вре­ мя фильтрации частицы воды от водораздела или области питания до дрены) здесь также намного выше. Например, в горных районах время полного водообмена грунтовых вод изме­ ряется чаще всего от нескольких месяцев до одного года, реже двумя-тремя годами.

Так, коэффициенты автокорреляции расходов родников Арме­ нии для соседних лет не превышают 0,4—0,6, через год они уменьшаются до 0,15—0,2, а через два года — становятся менее 0,1, т. е. взаимосвязанность годовых характеристик режима под­ земных вод в горных районах для смежных лет невысокая. В рав­ нинных районах с широко развитой дренажной сетью полный во­ дообмен осуществляется в пределах одного-двух десятков лет, а в слабо дренированных районах —нескольких десятков лет. Учиты­ вая несовершенство дрен, а также неоднородность строения водо­ вмещающей толщи, такой водообмен, естественно, осуществляется во времени неравномерно. Наиболее быстро обмениваются вер­ хние части потока грунтовых вод (при сравнительно однород­ ном строении горизонтов) и в наиболее проницаемых прослоях.

Глубина вреза эрозионной сети определяет также уклоны потоков грунтовых вод, а следовательно, скорости их фильтра­ ции и интенсивность спада уровней подземных вод после их питания. Глубина расчлененности рельефа косвенно связана и с интенсивностью изрезанное™ территории гидрографической сетью, дренирующей грунтовые воды.

Поэтому при районировании территории СССР по условиям формирования режима грунтовых вод в качестве критериев раз­ личной расчлененности рельефа нами были выбраны глубины эрозионного вреза. При этом к слабо дренированным областям отнесены области с глубинами эрозионных врезов, не превышаю­

изрезанностыо свыше 1,0 км/км2. Подобное орографическое раз­ деление территорий хорошо увязывается с геоструктурным, тек­ тоническим и литологическим различием их строения.

Скорости движения грунтовых вод в первых областях незна­ чительные (несколько сантиметров в. сутки), т. е. отток грун­

товых вод в сторону дрен невелик. Слабая расчлененность опре­ деляет относительно малый поверхностный сток атмосферных осадков и, следовательно, повышенную их инфильтрацию. Глуби­ ны залегания грунтовых вод на равнинах вследствие слабой рас­ члененности рельефа небольшие, что определяет значительную роль испарения в расходной части баланса грунтовых вод и отно­ сительно повышенную минерализацию грунтовых вод по сравне­ нию с соседними возвышенностями.

В пределах возвышенностей расчлененность рельефа зна­ чительно больше, чем в низменностях, эрозионная сеть врезана более глубоко и более развита по площади. Дренированность под­ земных вод здесь более значительная и скорости их фильтрации составляют уже около 1 м/сут и более. Поэтому в данных облас­ тях колебания уровня грунтовых вод, связанные с различными факторами (снеготаяние, дожди и т. п.), при прочих равных условиях по сравнению с низменностями более кратковременные и меньше по величине. Кроме того, вследствие большой расчле­ ненности рельефа в пределах возвышенностей чаще наблюда­ ется глубокое залегание грунтовых вод. Учитывая это и то, что при большой расчлененности рельефа возрастает поверхностный сток, инфильтрация атмосферных осадков здесь оказывается зна­ чительно меньшей, чем в первых областях. Большие глубины и хорошая отточность грунтовых вод определяют также более хо­ рошее по сравнению с первыми областями качество грунтовых вод, что находит выражение в меньших величинах сухого остатка, в меньших колебаниях температуры и химического состава вод.

В пределах горных областей расчлененность рельефа на­ столько большая, что инфильтрация атмосферных осадков в слабо трещиноватые и даже рыхлые отложения в результате ин­ тенсивного поверхностного стока становится очень небольшой. Однако, учитывая, что в горных районах довольно широко рас­ пространены с поверхности сильно трещиноватые породы и гру­ бообломочные отложения, здесь наряду с инфильтрацией можно наблюдать и инфлюацию воды в водоносные горизонты, за счет чего питание последних резко возрастает по сравнению с участ­ ками, где такие отложения отсутствуют. Вместе с тем большая часть подземных вод в горных районах циркулирует лишь в приповерхностной зоне и быстро дренируется эрозионной сетью. Высокими скоростями фильтрации подземных вод и интенсивной дренированностыо территорий объясняются и наиболее высокие скорости водообмена в этих районах. Режим грунтовых вод в горных районах вследствие высоких скоростей водообмена име­ ет частые и обычно очень кратковременные резкие подъемы н спады их уровней, тесно связанные с метеорологическими фак­

торами.

Формирование режима грунтовых вод горных областей ос­ ложняется наличием вертикальной зональности, отражающейся

в изменении по вертикали режима температур воздуха, а также количества выпадающих атмосферных осадков. Роль «гипсомет­ рических» осадков может проявиться не только в горных районах. В Прибалтике с увеличением гипсометрии от 100 до 200 м запасы воды в снеге возрастают примерно вдвое. На возвышенностях значительно возрастают модули подземного стока. В высоко­ горных районах Кавказа атмосферных осадков выпадает почти в 10 раз больше, чем в межгорных впадинах и долинах. Все это предопределяет приуроченность к возвышенным территориям областей питания подземных вод.

В пределах почти каждой области можно выделить гидро­ геологические районы по особенностям геологического строения и гидрогеологических условий территории, а следовательно, по особенностям условий питания, разгрузки, динамики и химичес­ кого состава грунтовых вод. Основным критерием для выделения таких районов в пределах территорий с одинаково расчлененным рельефом является литологический состав водовмещающих по­ род и пород зоны аэрации. Именно состав пород определяет скорости фильтрации грунтовых вод (условия их разгрузки) и размеры возможной инфильтрации атмосферных осадков (усло­ вия питания грунтовых вод). Так, в пределах одной климатичес­ кой зоны в одинаковых геоморфологических условиях и далее при одинаковых глубинах залегания грунтовых вод, но при раз­ личном литологическом составе пород режим грунтовых вод оказывается различным (рис. 26).

В трещиноватых и закарстованных породах колебания уров­ ней грунтовых вод характеризуются большими амплитудами, резкими и быстрыми подъемами и спадами уровней. Размер ам­ плитуд зависит обратно пропорционально от степени трещинова­ тости пород. Так, поданным Северо-Западной гидрогеологической станции, в центральной части Ордовикского плато при скваж­ ности известняков 4—5% амплитуды составляют 2—4 м, а при скважности 1 —2 %-—4— 11 м. В песках и гравийно-гал ечных отложениях также наблюдаются довольно четкие, но более сгла­ женные колебания уровней с амплитудами до 2—3 м, в суглин­ ках— зарегулированные, но с большими (до 4—5 м) амплитуда­ ми колебания уровней. В качестве примера можно привести средние характеристики амплитуд колебаний уровней грунтовых вод на Северо-Западе европейской части СССР в различных ли­ тологических разностях пород (по П. М. Гасс): в песках четвер­

и девона — 1—26 м; в гипсах девона — 1,8—3,8 м; в пестроцвет­ ных песчано-глинистых отложениях девона — 0,5— 1,5 м.

В пределах гидрогеологических районов выделяются виды режима: междуречный, террасовый, склоновый (Ковалевский,

1959). Выделение видов режима грунтовых вод определяется

прежде всего различием граничных условий водоносных гори­ зонтов.

Участки с междуречным видом режима грунтовых вод схе­ матизируются в виде неограниченного пласта с несущественно изменяющимся во времени уклоном потока грунтовых вод. Пе­ ремещение поверхности грунтовых вод в периоды их питания и разгрузки может рассматриваться здесь как параллельное. В результате изменения во времени размеров подземного стока с междуречий пропорциональны главным образом изменениям мощности водоносного горизонта.

Приходные статьи баланса грунтовых вод междуречий опре­ деляются только атмосферными осадками, расходные — испа­ рением, подземным стоком в дрены и перетеканием в нижеле­ жащие водоносные горизонты. При этом при малых глубинах залегания грунтовых вод испарение преобладает над подзем­ ным стоком, т. е. здесь развит преимущественно вертикальный водообмен. Поэтому при прочих равных условиях (литологи­ ческий состав водовмещающих пород, глубины до воды и т. п.) режим грунтовых вод междуречных пространств характеризу­ ется более четкой связью с метеорологическими факторами и многолетними изменениями климатической обстановки, чем другие виды режима. Колебания уровней грунтовых вод как сезонные, так и многолетние для междуречного вида режима более интенсивны, чем для склонового и террасового видов ре­ жима.

Террасовый вид режима грунтовых вод схематизируется в виде пласта-полосы с контурами постоянного напора на верхней и нижней границах. Это объясняется наличием в тыловых швах террас и пойм заболоченностей, старичных озер, мочажин или просто участков с близким к поверхности залеганием уровней грунтовых вод, которые ограничивают возможные колебания их уровней и регулируют приток к террасам и отток из них под­ земных вод. Указанные границы как бы стабилизируют коле­ бания уровней грунтовых вод за счет повышенного в этих частях испарения и наличия поверхностного сброса излишков воды. Кроме того, приходная часть баланса грунтовых вод террас складывается не только из ннфильтрационных атмосферных осадков, но и за счет подтока грунтовых вод со склонов, а так­ же часто за счет разгрузки напорных вод (особенно в преде­ лах низких террас). Поэтому в пределах террас, имеющих поч­ ти круглый год обеспеченный приток подземных вод, колебания, связанные с осадками, более сглаженные и спад уровней в периоды отсутствия питания грунтовых вод более плавный, чем на междуречьях. Этому способствуют также обычно до­ вольно высокие коллекторские свойства водовмещающих по­ род и близость базиса дренированное™ грунтовых вод (рек, озер, морей).

Склоновый вид режима грунтовых вод схематизируется полуограниченным пластом с контуром постоянного напора на нижней границе, что определяется наличием области разгрузки грунтовых вод в нижней части склона в виде источников, пла­ стовых выходов подземных вод или заболоченностей. Склоно­ вый вид режима характеризуется зарегулированной связью колебаний уровней грунтовых вод с атмосферными осадками. Подъем уровней грунтовых вод на склоновых и присклоновых участках осуществляется за счет увеличения транзитных под­ земных вод, поступающих с водораздельных пространств, и в меньшей степени за счет инфильтрации атмосферных осадков, которые вследствие сильно расчлененного рельефа расходуются на поверхностный сток.

В результате этого колебания уровней грунтовых вод на склонах хорошо коррелируются с таковыми на междуречных пространствах и следуют за ними с определенным отставанием. Наличие контура разгрузки грунтовых вод на нижней границе приводит к тому, что амплитуды колебаний уровней грунтовых

убывают.

Помимо перечисленных выше трех видов режима в пределах гидрогеологических районов могут быть выделены гидрологи­ ческие виды: приречный, приозерный, или приморский, особен­ ности которых рассмотрены нами в гл. I.

Своеобразной разновидностью приречного вида режима грунтовых вод является режим грунтовых вод конусов выноса, особенности которого определяются условиями поглощения речных вод в верхних частях конусов. Вследствие высоких филь­ трационных свойств пород, слагающих конуса выноса, а также высоких уклонов потока сдвиг колебаний уровней грунтовых вод от соответствующих колебаний уровней воды в реках не­ большой, но колебания значительно более растянуты во вре­ мени из-за большой регулирующей емкости водоносного гори­

зонта.

В пределах каждого участка, характеризующегося опреде­ ленным видом режима, могут быть выделены подучастки с раз­ личными разновидностями режима. Так, учитывая значитель­ ную роль глубины залегания вод в формировании их режима и баланса, в пределах участков с междуречным и террасовым видами могут быть выделены подучастки с тремя разновидно­

стями режима.

Разновидность I с мощностью зоны аэрации менее 0,5— 1,0 м характеризуется активной связью с дневной поверхностью. В расходной части баланса испарение преобладает над отто­

ком.

Разновидность II с мощностью зоны аэрации 'от 1,0 до 4 м