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

характеризуется хотя и четкой, но ослаоленной связью с днев­ ной поверхностью. В расходной части баланса отток преобла­ дает над испарением.

Разновидность III с мощностью зоны аэрации свыше 4 м характеризуется слабой связью или отсутствием непосредствен­ ной связи грунтовых вод с дневной поверхностью. Испарение в расходной части баланса имеет подчиненное зна­

чение.

30—50 см, а в засушливые годы до 80 см. В периоды весеннего

иосеннего питания грунтовых вод уровни могут достигать по­ верхности земли или превышать ее. Одновременно здесь отме­ чаются наиболее резкие изменения температуры грунтовых вод

иих химического состава.

Участки с разновидностью II режима характеризуются, как правило, максимальной амплитудой колебаний уровней грун­ товых вод (за исключением колебаний грунтовых вод в приреч­ ной полосе). Здесь четко отмечаются подъемы уровней после снеготаяния, осенних или зимних для южных территорий СССР

дождей, а также после каждого сравнительно интенсивного или продолжительного выпадения атмосферных осадков летом. Для периодов отсутствия питания характерны значительные спады уровней грунтовых вод (см. рис. 27, е ).

Участки с разновидностью III режима характеризуются

слабой связью с дневной поверхностью. Даже снеготаяние и обильное выпадение дождей осенью или зимой сказываются не очень четко на режиме грунтовых вод. Амплитуды колеба­ ния уровней здесь небольшие, сглаженные, зарегулированные постепенной фильтрацией атмосферных осадков через зону аэ­ рации значительной мощности или в результате перераспреде­ ления давлений со стороны участков с меньшими глубинами

зоной аэрации амплитуды колебаний уровней грунтовых вод мало зависят от глубины залегания грунтовых вод.

В пределах склонового вида режима грунтовых вод может быть выделено несколько разновидностей. В равнинных райо­ нах выделяются две разновидности режима.

Разновидность 1 развита на открытых склонах, в пределах которых происходит питание грунтовых вод. Это, как правило, низкие склоны, дренирующие один водоносный горизонт, или высокие склоны глубоковрезанных долин, дренирующие первый от поверхности (самый верхний) водоносный горизонт. Вслед­ ствие того что на таких склонах питание грунтовых вод имеет место, хоть и в значительно меньших размерах, чем на водо­ разделах, колебания уровней грунтовых вод и дебитов источ­ ников довольно значительны и растянуты во времени, так как подъемы уровней здесь сначала начинаются за счет инфиль­

дела.

Разновидность II характерна для закрытых склонов, в пре­ делах которых питания подземных вод не происходит. Это ча­ ще всего высокие и крутые склоны, где водоносные горизонты перекрыты с поверхности слабо проницаемыми отложениями и получают питание на водоразделах через окна или за счет перетекания вод из вышележащих горизонтов. Колебания уров­ ней подземных вод в пределах таких склонов сильно зарегу­ лированы, небольшие и следуют с четко выраженным отстава­ нием от аналогичных колебаний, наблюдаемых на водоразде­ лах или высоких террасах. В горных районах выделяются три разновидности режима.

Разновидность I распространена на открытых склонах с во­ дами в коре выветривания. Уровни грунтовых вод в пределах таких склонов чаще всего залегают неглубоко, имеют ограни­ ченную область фильтрации и быстро дренируются гидрографи­ ческой сетью, чему способствуют высокие уклоны потоков и интенсивная расчлененность рельефа. Водообильность коры выветривания здесь, представленной либо рыхлыми образова­ ниями, либо сильно трещиноватыми отложениями, с глубиной постепенно затухает, поэтому основная фильтрация грунтовых вод осуществляется лишь в верхней части выветрелой зоны.

_ £

В зависимости от величин — амплитуды уровней грунтовых вод

й

могут достигать от десятков сантиметров до десятков метров. Однако ввиду небольших размеров площадей водосбора и ко­ ротких путей фильтрации коэффициенты динамичности режима

в выдержанных по площади водоносных горизонтах, приуро­ ченных к лавовым покровам, карбонатным и песчаным отло­ жениям, а также к трещиноватым изверженным образованиям. Обильное питание грунтовых вод и значительные площади рас­ пространения водоносных горизонтов обусловливают наиболее мощные дебиты источников, достигающие иногда 10—30 м3/с и более. Режим подземных вод данной разновидности менее динамичен во времени и поэтому воды таких водоносных го­ ризонтов наиболее перспективны для использования.

Разновидность III характерна для закрытых и полузакры­ тых склонов с водами, приуроченными к локально-вытянутым трещиноватым или карстовым зонам, разломам или жилам. Фильтрация подземных вод в таких условиях происходит в виде практически изолированных потоков, имеющих ограничен­ ные области питания, часто весьма удаленные от областей разгрузки, и обладающих высокой степенью динамичности ре­ жима во времени. Колебания уровней грунтовых вод и дебитов источников характеризуются резкими «всплесками» и такими же быстрыми спадами, следующими с некоторым отставанием после соответствующих периодов восполнения запасов подзем­ ных вод в областях их питания.

Выделенные выше виды и разновидности режима могут быть выявлены повсеместно. Так, терраровый и склоновый виды режима хорошо выделяются в крупных долинах. В небольших долинах даже при наличии в рельефе узких террас и небольших склонов, характерных для данных видов режима, они выяв­ ляются не всегда.

Границы участков с различными видами и разновидностями режима грунтовых вод подвижны в пространстве и во времени. Так, ряд засушливых лет может резко снизить уровень грун­ товых вод как на водоразделах, так и на террасах. В результа­ те чего размеры участков с мощностью зоны аэрации менее 4 м и тем более менее 0,5 м могут резко сократиться вплоть до пол­ ного их исчезновения. Многоводные и маловодные воды обус­ ловливают размеры участков, характеризуемых пойменной н подпорной разновидностями режима.

В соответствии с этим размеры площадей, характеризую­ щихся определенным видом или разновидностью режима грун­ товых вод, могут то расширяться, то сокращаться. Но, тем не

менее, общая приуроченность их к определенным элементам рельефа сохраняется.

Проведенное большинством гидрогеологических станций страны районирование по предложенным нами принципам пока­ зало реальность выделенных типов, подтипов, классов, подклас­ сов, видов и разновидностей режима. Данное районирование явилось научным обоснованием создания опорной наблюдатель­ ной сети для регионального изучения режима подземных вод, основой картирования режима и его прогнозов.

Размещение наблюдательной сети для регионального изу­ чения режима грунтовых вод должно производиться в виде створов скважин от водоразделов к долинам рек с заложением минимум по одной скважине в пределах каждого имеющего места вида и разновидности режима, а также в пределах каж­ дого подкласса, класса, подтипа и типа режима.

МНОГОЛЕТНЯЯ ц и к л и ч н о с т ь В РЕЖИМЕ УРОВНЕЙ ГРУНТОВЫХ в о д

Среди основных задач многолетнего изучения режима под-' земных вод можно выделить следующие:

1)изучение условий формирования подземных вод и их ро­ ли в общем влагообороте на Земле;

2)изучение многолетних закономерностей в естественном

восполнении ресурсов подземных вод, выявление генетических связей с факторами, определяющими эти закономерности, и разработка на этой основе методов долгосрочного прогноза режима подземных вод;

3) разработка методов вероятностной оценки результатов непродолжительных наблюдений уровней или расходов с целью определения степени их обеспеченности в многолетнем разрезе,, что особенно важно при оценках гидрогеологических парамет­ ров и величин питания подземных вод, при определении естест­ венных и эксплуатационных ресурсов подземных вод в связи с оценками мелиоративного состояния земель и территорий бу­ дущего строительства, при составлении и картировании гидро­

геологических прогнозов.

Важность указанных проблем определила большое внимание к вопросам многолетних закономерностей режима подземных вод со стороны многочисленных исследователей, среди которых

А. А. Коноплянцева (1970) и других.

Решение перечисленных выше вопросов полностью или в значительной мере связано с вскрытием закономерностей цик­

как отмечено в гл. II, позволяет выделить следующие многолет­ ние циклические колебания их уровней: 2—3-летпие. 5—6-лет­ ние, 9— 13-, в среднем 11-летние, 17— 19-, 22—33—35-летние и вековые, связанные с изменением условии питания и разгрузки подземных вод в многолетнем разрезе в соответствии с измене­ ниями режимообразующих факторов и прежде всего режима осадков и температур воздуха.

Размеры амплитуд колебаний уровней подземных вод за многолетие зависят от ряда причин: степени изолированности водоносного горизонта от поверхности земли (от глубин залега­ ния подземных вод или удаленности участка изучения режима подземных вод от области питания), литологического состава водовмещающих пород, геоморфологического положения участ­ ка микрорельефа и степени увлажненности территории.

Максимальные из наблюдавшихся амплитуд колебаний уров­ ней грунтовых вод за многолетие по среднегодовым уровням достигают иногда 6— 15 м, по среднемесячным — до 20 м и более и по суточным — до 80 м. Наиболее существенными при этом являются, так же как и для сезонного режима грунтовых вод, многолетние колебания уровней в закарстованных и трещино­ ватых отложениях, в коре, выветривания изверженных пород, а

И

ц — эффективная пористость или водоотдача пород. Многолетние амплитуды колебаний уровней подземных вод

на водораздельных участках при прочих равных условиях ча­ ще всего выше, чем в долинах рек. В районах лиманов, степных блюдец, подов, а также под оврагами и балками, не имеющими постоянных водотоков, т. е. в тех случаях, где отмечается сосре­ доточенное питание грунтовых вод, амплитуды многолетних колебаний их уровней также значительно выше, чем на окружа­ ющих территориях.

В районах с гумидным климатом и особенно на территориях, прилегающих к акваториям морей, многолетние амплитуды среднегодовых уровней подземных вод обычно меньше, чем в районах с аридным и континентальным климатом. Наконец, при увеличении глубин залегания грунтовых вод и по мере удаления наблюдательных точек от областей питания водоносного гори­ зонта абсолютные величины многолетних амплитуд колебаний уровней подземных вод или дебитов источников постепенно за­ тухают. Одновременно затухают амплитуды сезонных и возра­ стает относительная роль многолетних колебаний.

Из вышеприведенного видно, что нельзя определить, какие амплитуды колебаний уровней подземных вод являются типич­ ными или наиболее распространенными в природе, так как в зависимости .от комплекса перечисленных выше факторов они могут изменяться от нуля до указанных выше максимальных

осуществляется за один-два года, что чаще всего имеет место в горных районах при интенсивной расчлененности рельефа (око­ ло 1 км/км2 или более). В большинстве случаев полный водооб­ мен подземных вод осуществляется за время до десятка или даже нескольких десятков лет, а для напорных вод — до сотен и даже тысяч лет.

Регулирующая роль водовмещающей среды, рассредоточи­ вающей разгрузку подземных вод во времени, предопределяет повышенную по сравнению с другими частями гидросферы взаи­ мосвязанность среднегодовых и минимальных годовых уровней п дебитов подземных вод смежных лет. Коэффициенты автокор­ реляции среднегодовых и минимальных годовых уровней грунто­ вых вод для отдельных скважин показывают довольно высокую

торых учитываются главным образом эффективные осадки зим­ него периода) коррелируются хорошо лишь амплитуды весеннего подъема уровней подземных вод. Абсолютные значения средне­ годовых уровней подземных вод лучше коррелируются с интег­ ральными осадками за многолетие (рис. 28), которые более четко отражают многолетнюю тенденцию в колебаниях уровней.

Таким образом, как среднегодовые, так и минимальные го­ довые уровни или дебнты грунтовых вод могут быть иногда предсказаны с заблаговременностью в один-два года по харак­ теру их режима за предыдущие годы. Другими словами, мак­ симальные и минимальные в многолетнем ряду уровни подзем­ ных вод не могут быть неожиданными. Более того, фактический материал показывает, что ни по одной из сотен наблюдательных скважин не было отмечено минимального за многолетие уровня грунтовых вод, наступившего сразу после многолетнего макси­ мального уровня, и наоборот. Как минимальные, так и макси­ мальные в многолетнем ряду уровни подземных вод фиксиро­ вались, как правило, лишь после нескольких лет соответственно' пониженной или повышенной водности.

Значительно меньшую взаимосвязанность имеют максималь­ ные весенние уровни подземных вод смежных лет, так как в их формировании принимают участие еще незарегулированные эффективные осадки конкретно каждого года. Коэффициенты автокорреляции затухают в этих случаях значительно быстрее, чем для среднегодовых и минимальных годовых уровней под­ земных вод. Следовательно, при составлении долгосрочных прогнозов максимальных годовых уровней подземных вод по­ мимо учета пополнения водоносного горизонта за предыдущие годы необходимо принимать во внимание фактические и прог­ нозные осадки зимнего периода очередного года.

Проведенный нами анализ хронологических графиков много­ летних колебаний уровней подземных вод по большому числу наблюдательных скважин СССР и США (рис. 29) показывает

наличие широкой гаммы различных по продолжительности цик­ лов (от 2 до 34 лет). Этим .можно объяснить различные толко­ вания длины периодов циклов исследователями цикличности в режиме подземных вод, проводившими наблюдения по единич­ ным или ограниченному числу скважин, а также в пределах ло-

Рис. 28. Колебания уровней грунтовых вод по скв. 15 и 17 в г. ИваноФранковске (а, б) в сопоставлении с интегральными атмосферными осадками (в)

периода в 2, 5—6, 11— 12, 19, 22 и 30—33 года. При этом умень­ шение числа случаев с вскрываемыми циклами продолжитель­ ностью свыше 10 лет по сравнению с короткопериодными цикла­ ми объясняются не уменьшением вероятности такой циклично­ сти в режиме подземных вод, а резким сокращением имеющихся рядов с длинными периодами наблюдений.

Периодограммный и автокорреляционный анализы наиболее длинных рядов наблюдений за режимом грунтовых вод под­ тверждают наличие выделения 2, 5—6 и 11-летних циклов, досто­ верность которых значительно выше, чем более продолжитель­ ных по периодам циклов.

Произвольность толкования продолжительности периодов цикличности в режиме подземных вод является следствием не только ограниченности фактического материала, но и отсутствия четких представлений о причинных связях, определяющих эту цикличность. Возможности составления долгосрочных прогнозов режима подземных вод во многом зависят от наличия установ­ ленных связей с режимообразующими факторами, выявления

Рис. 29. Гистограмма цикличности режима подземных вод

генетической природы колебаний и, естественно, от возможно­ сти получения прогнозов соответствующих факторов.

Приведенная в гл. I характеристика гелиогеофизических факторов показала, что почти все основные циклы в многолет­ нем режиме грунтовых вод имеют аналоги среди гелиогеофизи­ ческих факторов.

Так, 2-летняя цикличность уровней грунтовых вод хорошо увязывается с квазидвухлетней цикличностью зональных ветров

Наряду с 2-летними циклами на периодограммах довольно часто выделяются 3-летние циклы. Аналогичная периодичность выделялась многими исследователями, и в режиме различных природных процессов, в ритмичности климата, колебаниях уров­ ня мирового океана, типах атмосферной циркуляции и т. п. Причина этих колебаний еще не выявлена. Возможно, 3-летние циклы в режиме подземных вод являются следствием растяну­ тых квазидвухлетних циклов. Наличие 4-летних циклов пред­ ставляется нам также проявлением удовоенных 2-летних циклов. Однако отмечались и другие 4-летние циклы, например,

в ритмичности изменений скорости вращения Земли с периодом 4,1 года.

22-летние циклы выявляются в солнечной деятельности. На­ ходятся аналоги такой цикличности и в колебаниях уровней подземных вод, в атмосферных осадках, давлении, температурах воздуха и других явлениях.

Рис. 30. 30-летние циклы в колебаниях уровней грунтовых вод США:

I и 2 — по скважинам в долине Санта Анна; 3 — в долине Сан Бернардино; 4 — по скв. Эссекс Каунти

Совсем редкими в режиме подземных вод являются 30-лет­ ние брикнеровские циклы. Связано это, как отмечено выше, в основном с недостаточной продолжительностью массовых на­ блюдений за режимом подземных вод. Однако наряду с единич­ ными скважинами, где эти циклы видны отчетливо (рис. 30), нередко тенденции к 30-летним циклам прослеживаются по сгла­ женным и интегральным графикам. Природа этих циклов еще в