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

достаточной мере не изучена, хотя 30—37-летний цикл отме­ чается в чередовании сухих и влажных эпох в Европе, в циклич­ ности ленточных мергелей и других явлениях.

Отмечавшиеся в ряде природных процессов вековые циклы (в отложениях ленточных глин, в годовых кольцах секвой, в солнечной активности и др.) в режиме подземных вод непосред­ ственными наблюдениями зафиксированы не были. Однако ве­ ковой цикл также прослеживается в виде тенденций по сква­ жинам с наиболее продолжительными или удлиненными мето­ дами множественной корреляции рядами, особенно по интег­ ральным и сглаженным по n-летиям графикам.

Таким образом, встречающиеся в режиме подземных вод циклы, как правило, имеют аналоги в других природных явле­ ниях и прежде всего в многолетних характеристиках климата (в режиме атмосферных осадков и температуры воздуха), кото­

ность и в амплитудах колебаний уровней. Поэтому также условными являются употребляемые при характеристиках мно­ голетних закономерностей режима подземных вод термины «цикличность», «ритмичность» и «периодичность». Неравномер­ ность циклов в колебаниях уровней подземных вод определяется интерференцией различных по длине и фазам колебаний выше­ указанных гелиогеофизическнх факторов, многолетние измене­ ния которых в свою очередь не являются строго периодическими. Следовательно, колебания уровней подземных вод являются полицикличнымп и могут быть разложены на колебания низких порядков (в качестве наиболее реально проявляющегося может быть принят вековой цикл) и колебания более высоких поряд­ ков (30-, 19-, 11-, 6- и 2-летних), осложняющих вековой цикл.

Все это затрудняет составление прогнозов режима подзем­ ных вод, особенно в периоды, близкие к экстремальным значе­ ниям уровней. Тем не менее, вскрытые закономерности в много­ летних колебаниях уровней подземных вод могут помочь наметить основные периоды переломов и оценить тенденции дальнейшего поведения подземных вод.

Важным для прогнозов является также установленное нали­ чие четких группировок маловодных и многоводных лет, просле­ живаемых почти во всех районах СССР.

Выявление периодов многолетних подъемов и спадов уровней помогает прогнозировать годовые амплитуды и минимальные годовые значения уровней, особенно в зонах умеренного и не­ достаточного увлажнения. Так, на ветвях многолетнего подъема

Соотношение сезонных годовых и многолетних среднегодовых амплитуд колебаний уровней грунтовых вод изменяется в зави­ симости от мощности зоны аэрации. При малых глубинах до воды годовые амплитуды в 1,5—2 раза больше многолетних. При больших глубинах это соотношение изменяется на обрат­ ное.

Амплитуды. многолетних колебаний уровней подземных вод зависят чаще всего непосредственно от длины периода циклов, т. е. чем больше продолжительность цикла, тем больше его многолетняя амплитуда. Так, для района Каменной степи ЦЧП

ков через зону аэрации, как, например, в сильно трещиноватых или закарстованных породах, а также на участках сосредото­ ченной инфильтрации (в районе лиманов, подов и других пони­ жений микрорельефа), где наряду с площадной имеет место струйчатая инфильтрация. С увеличением глубины залегания грунтовых вод, а также с ухудшением условий инфильтрации атмосферных осадков малые циклы в режиме подземных вод прослеживаются хуже. В этих условиях отмечены главным об­ разом циклы с большими периодами (11-летними и более продолжительными).

Самые продолжительные циклы (30-летний и вековой) могут быть четко отмечены лишь в глубоко залегающих грунтовых во­ дах на участках с большой площадью водосбора и сильно заре­ гулированными условиями инфильтрации атмосферных осадков, т. е. в условиях с максимальной интегрирующей «памятью» бассейна подземных вод.

Таким образом, в зависимости от степени изолированности водоносного горизонта от поверхности земли происходит посте­ пенное нивелирование малых циклов в режиме подземных вод. Теоретически можно также предположить, что чем больше расстояние от точек наблюдения за режимом подземных вод до водораздела, тем более сглаженными должны быть малые цик­ лы и более четкими должны, быть большие циклы, так как интег­ рирующая «память» водоносного горизонта с увеличением его протяженности возрастает.

Учитывая постепенное на территории СССР увеличение средних в региональном плане глубин залегания подземных вод от поверхности земли в направлении с севера на юг, можно от­ метить в целом уменьшение в этом направлении роли малых циклов и возрастание роли больших, а следовательно, постепен­ ное уменьшение амплитуд сезонных колебаний уровней грун­ товых вод и увеличение амплитуд многолетних колебаний. Одна­ ко в отдельных районах эта закономерность может нарушаться

ввиду неоднородности строения зоны аэрации и разнообразия условий восполнения запасов подземных вод.

Автокорреляция всех наиболее длинных рядов наблюдений за режимом подземных вод на территориях СССР (по 192 скважинам) и США (по 79 скважинам) установила высокую (свыше 0,6 в 53% случаев) взаимосвязанность уровней сосед­ них лет как среднегодовых, так и минимальных предвесенних и

Рис. 32. Карта обеспеченности среднегодовых уровней грунтовых вод в 1971 г. по территории РСФСР.

максимальных весенних. Взаимосвязанность выше в слабо фильтрующих породах и возрастает с увеличением глубин зале­ гания подземных вод, а также на ветвях многолетнего спада по сравнению с ветвями многолотного подъема.

Синхронности в наступлении экстремальных в многолетнем разрезе значений уровней подземных вод на всей территории

СССР не отмечается. Наоборот, при минимальных значениях уровней подземных вод в Прибалтике уровни подземных вод на Урале и в Западной Сибири приближаются к своему максиму­

ней грунтовых вод (рис. 32).

Сравнительное постоянство влаги на земле предопределяет компенсацию увеличения запасов влаги на одной части террито­ рии земли уменьшением ее запасов на другой. В частности Л. П. Кузнецовой отмечалось, что увеличение количества атмос­ ферных осадков в Северной Америке увязывается с уменьшени­

ем осадков в Европе. То же относится и к температурам возду­ ха. Отмечаются подобные связи и в подземных водах. Так, снижение уровней грунтовых вод на европейской территории страны сопровождается повышением уровней в Западной Сиби­ ри и на Кавказе. Данная закономерность проявляется как во внутригодовых, так и в многолетних колебаниях уровней, чем можно объяснить наличие различных знаков связей режима уровней подземных вод и солнечной активности.

Рассмотренные закономерности позволяют сделать вывод о наличии значительной неравномерности естественного восполне­ ния ресурсов подземных вод в многолетнем разрезе, что неиз­ бежно должно проявиться в питании рек и общем водном ба­ лансе территории. При этом инерционность подземного стока приводит к перераспределению изменений в разгрузке подзем­ ных вод во времени, что также необходимо учитывать при ана­ лизе закономерностей влагообмена в природе, поскольку под­ земные воды играют определенную роль в общем влагообороте на Земле. Вместе с тем наличие в режиме подземных вод цик­ личности, аналогичной той, что встречается в гидрологии и ме­ теорологии, показывает, что подземные воды являются нераз­ рывной частью гидросферы Земли. Поэтому анализ ее режима и анализ режима подземных вод должны производиться едины­ ми методами и взаимосвязанно.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕЖИМА ТЕМПЕРАТУР ГРУНТОВЫХ ВОД

этом по данным наблюдений за режимом температур могут быть оценены условия питания и разгрузки подземных вод, скорости их движения, условия взаимосвязи поверхностных и подземных вод, взаимосвязь водоносных горизонтов, а также установлены закономерности изменений режима температур подземных вод под воздействием основных режимообразующих факторов, кото­ рые могут быть использованы для прогнозов режима темпера­ тур или качества подземных вод в целом.

2. Изучение региональных закономерностей режима темпе­ ратур подземных вод, для возможных проектных и прогнозных оценок температур подземных вод, используемых для кондицио­ нирования, водоснабжения, при определении глубин заложения трубопроводов, фундаментов, разного рода хранилищ, а также для построения карт температуры подземных вод на разных глубинах, включая карты термальных вод.

3. Решение различных локальных специализированных гид­ рогеологических задач: расчленение разреза по условиям его

фильтрационной неоднородности (включая выделение зон наи­ более интенсивной закарстованности или трещиноватости по­ род), выявление скрытых или локализованных очагов разгруз­ ки подземных вод (включая гидрогеологические окна, через которые осуществляется взаимосвязь водоносных горизонтов), поиски скоплений подземных вод, изучение направлений и ско­ ростей фильтрации подземных вод, определение величин пере­ текания, оценка гидрогеологических параметров в условиях

насыщенной и ненасыщенной сред, а также водоносных и водо­ упорных слоев.

4. Изучение влияния хозяйственной деятельности человека: оценка особенностей подтока подземных вод к водозаборам или дренам, условий инфильтрации оросительных вод, изучение отепляющей роли городов, строительства водохранилищ и т. п.

Одни из перечисленных выше задач решаются в результате лишь длительных систематических наблюдений по разветвлен­ ной сети наблюдательных скважин или источников, другие — па основании кратковременных или даже разовых наблюдений, проводимых целенаправленно по соответствующей методике (Огильви, 1932, Фролов, 1968 и др.).

Температурный режим подземных вод определяется рядом факторов, среди которых основным является режим температур воздуха. Суточные, годовые и многолетние колебания темпера­ тур воздуха передаются в глубь земли, вызывая соответствую­ щие колебания температур подземных вод. Эти колебания на­ кладываются на практически постоянный тепловой поток, на­ правленный из недр земли и вызываемый радиоактивным рас­ падом комплекса элементов на больших глубинах. Изменяю­ щиеся во времени эндогенные источники тепла отмечаются лишь в районах современного вулканизма и, как указывалось в гл. I, фиксируются фактическими наблюдениями за режимом темпе­ ратур лишь в периоды активизации вулканической деятельно­ сти. К числу эндогенных источников формирования температур­ ного режима подземных вод могут быть отнесены эндотермиче­ ские химические и биохимические процессы, протекающие в недрах земли (подземные пожары в районах сульфидных и колчеданных месторождений и т. п.).

К искусственным факторам, которые влияют на режим температуры подземных вод, относятся создание крупных водо­ хранилищ, являющихся регуляторами тепла, строительство го­ родов и крупных промышленных комплексов с теплоцентралями и разветвленной сетью линий теплопередач (такое строитель­ ство не только оказывает прямое отепляющее воздействие на подземные воды за счет неизбежных утечек тепла, но приводит к повышенному поглощению солнечной радиации загрязненной атмосферой, создавая так называемый «оранжерейный эф­ фект»), подземная газификация углей, откачки подземных вод и др.

рп — удельный вес породы; а — обобщенный коэффициент затухания температур.

Этот закон хорошо подтверждается фактическими наблюде­ ниями за режимом температур как в зоне аэрации, так и в пределах грунтовых вод. Послойные замеры температур на раз­ ных глубинах в пределах одной скважины, а также суммирова­ ние на одном графике замеров, произведенных в различных

Рис. 33. Зависимость изменения температур грунтовых вод (в песках) от глу­ бины их замера по Горьковской обл. (о), по Московской обл. (б) и по Таджикистану (в).

1 — амплитуда годовых колебаний температур; 2 — минимальные годовые значения тем­ ператур; 3 — максимальные годовые значения температур

скважинах одного района на разных глубинах от поверхности земли, показывают, что максимальные годовые температуры с глубиной затухают, минимальные постепенно растут, а ампли­ туды с глубиной уменьшаются (рис. 33). Как видно из приве­ денных примеров, на определенных глубинах амплитуды коле­ баний температур становятся близкими к нулю. Зона, в которой годовые амплитуды температур равны или близки к нулю, полу­ чила название зоны постоянных температур или нейтрального слоя.

Глубины залегания данной зоны, как видно из уравнения (10), зависят от исходной амплитуды температур воздуха на поверхности земли, коэффициента температуропроводности по­ род и точности возможных замеров колебаний температур. H. М. Фролов (1968) произвел по указанному уравнению расче­ ты для различных коэффициентов температуропроводности (0,001—0,02) и разных исходных амплитуд колебаний темпера­ тур на поверхности земли (10—30° С), задавшись минимально

глубинах 20—36 м. При этом увеличение точности фиксируемых минимальных колебаний на порядок (от 0,1 до 0,01° С) увеличи­

вает значение определяемой глубины залегания зоны постоян­ ных температур примерно на 30% (например, с 25,6 до 35,9 м при АТ0 = 30° С ).

Время сдвига или запаздывания т3;ш экстремальных значе­ ний температур на глубине по сравнению с соответствующими температурами на поверхности земли в соответствии со вторым законом Фурье может быть определено по уравнению

Откуда, определив по данным фактических наблюдений тзаіь можно найти значение

Затухание годовых температурных колебаний в подземных водах зависит также от широты местности. Поскольку наимень­ шие амплитуды годовых колебаний температур воздуха наблю­

где сезонные изменения температур воздуха достигают 70° С и более. В сторону полюсов амплитуды сезонных колебаний тем­ ператур воздуха также постепенно затухают и в условиях раз­ вития многолетней мерзлоты в зависимости от экспозиции скло­ на постоянная отрицательная температура пород отмечается на глубинах всего 2—6 м.

Температура подземных вод в верхней части зоны постоян­

геотермическими градиентами, зависящими от геологического и тектонического строения района.

Нисходящее движение подземных вод, особенно на участках сосредоточенного их питания и в водоносных горизонтах, обла­ дающих высокими фильтрационными свойствами и высокими скоростями фильтрации подземных вод, может значительно уве­ личивать зону сезонных колебаний температур подземных вод (иногда до нескольких сотен метров). Так, в скважине в с. .Ме­ ловое Крымской области H. М. Фроловым и В. И. Погуляевым

были отмечены довольно четкие синусоидальные колебания го­ довых температур на глубинах 1200 и 1500 м с амплитудами соответственно 0,1 и 0,07° С.

Ярким примером конвективного переноса тепла является ох­ лаждающий эффект инфильтрации талых вод весной, наблю­ дающийся наиболее четко в районах сосредоточенного питания грунтовых вод. Талые снеговые воды с температурой, близкой к нулю, инфильтруясь до грунтовых вод, имеющих температуры выше 5—8° С, резко охлаждают последние иногда на всю мощ­ ность потока грунтовых вод. Данный эффект может быть ис­ пользован не только для изучения процесса инфильтрации, но и для количественных оценок величин питания грунтовых вод по температурам смешения вод.

Отмечалось также, что колебания температур грунтовых вод на распахиваемых участках обычно выше, чем на рядом распо­ ложенных нераспахиваемых, что также может быть объясненъ увеличением инфильтрации и, следовательно, возрастанием ро­ ли конвективного переноса тепла в грунтовые воды.

Примеры конвективного переноса тепла могут быть встрече­ ны также в карстовых районах, где в областях питания грунто­ вых вод режим их температур даже на значительных глубинах от поверхности земли тесно связан с температурами воздуха. Так, моменты наступления максимумов и минимумов темпера­ тур источника «Карстовый» на южном берегу Крыма соответст­ вуют экстремальным температурам воздуха. С удалением выхо­ дов источников от областей питания время отставания экстре­ мальных температур увеличивается и достигает шести месяцев (даже при сравнительно высоких скоростях фильтрации под­ земных вод, характерных для горных условий Крыма). Приме­ ром может служить источник Дішатка-Чакрак, минимальные температуры вод которого отмечаются, по данным Крымской Южнобережной станции, лишь в июне-июле, а максимальные — зимой. На Ордовикском плато колебания температур грунтовых вод в незакарстованных известняках составляют, по данным Северо-Западной гидрогеологической станции, всего около 3°С (от 4 до 7°С). На участках развития карста температуры грун­ товых вод изменяются от 1°С зимой до 14° С летом (при тех же глубинах залегания подземных вод).

Передача тепла конвективным путем, т. е. движущимися подземными водами, всегда сопровождается кондуктивной отда­ чей тепла в окружающие водоносный горизонт породы.

В результате этого и в данном случае по мере движения под­ земных вод происходит затухание амплитуд колебаний их тем­ ператур. Характер подобного затухания температур в условиях нисходящего движения подземных вод также может быть опи­ сан уравнением (10). Однако коэффициент затухания темпера­ тур (act) в этом случае будет иметь более сложное выражение (Stallman, 1965):