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

V■Сд • Рд

Остальные обозначения прежние.

Обобщенный параметр а может быть определен и эмпири­ ческим путем при любом способе передачи тепла по уравнению

баний температур графически, используя для этой цели полу­ логарифмический график А. Н. Огильвп. Откладывая на этом графике амплитуды колебаний температур, определенных в двух-трех точках (ду), можно затем, экстраполировав прямую линию, получить величины амплитуд и на больших глубинах вплоть до их полного затухания (т. е. при Д^<0,01°С, что равно современной точности замеров температур).

При неоднородном строении водоносного горизонта с изме­ няющимися по вертикали теплофизическими свойствами пород время отставания распространения температурной волны так­ же может быть найдено графически поиитервально. Напри­ мер, на одном из участков Подмосковья нами установлено, что на глубине 5,6 м от поверхности земли температуры под­ земных вод имеют прямую связь с температурой воздуха пре­

ный по данным материалам график (рис, 34) показывает за­ висимость времени сдвига фаз колебаний температур подзем­ ных вод от глубины их замера. Установленные аналогичным образом графики корреляционной связи между температура-

ми воздуха и грунтовых вод в каждом гидрогеологическом районе могут служить основой прогнозов режима температур

выдачи прогнозов температурам воздуха.

Распространение колебаний температур на глубину проис­ ходит практически без изменения периода колебаний (суточ­ ного, годового пли многолетнего), т. е.

период между временем наступления максимальных и минимальных темпера­ тур на различных глубинах остается при­ близительно одинаковым, независимо от времени сдвига этих экстремальных зна­ чений температур по сравнению с тем­ пературами воздуха у поверхности зем­ ли (рис. 35). Угол наклона термоизоплет, характеризующий степень запаздывания передачи тепловой волны, определяется только коэффициентом температуропро­ водности пород.

Наблюдениями за режимом темпера­ тур грунтовых вод, проводимыми гидро­ геологическими станциями в различных частях страны, установлены региональ­ ные изменения в направлении с севера на юг как амплитуд, так и средних зна­ чений температур грунтовых вод.

Наиболее низкие температуры грун­ товых вод наблюдаются в целом в первой провинции (развития

многолетнемерзлых пород), где среднегодовой тепловой баланс поверхности земли характеризуется отрицательными температу­ рами. Температура грунтовых вод здесь редко достигает 8— 10° С даже в наиболее теплые летние месяцы и даже при не­ больших глубинах до воды (рис. 36,а). Это прежде всего связы­ вается с процессом постепенного оттаивания деятельного слоя, наблюдающимся в течение всего летнего периода. К осени тем­ пература грунтовых вод вновь снижается до нуля и грунтовые воды промерзают. Температура грунтовых вод таликов также колеблется в пределах первых градусов выше нуля.

Режим температур грунтовых вод провинции сезонного пи­ тания характеризуется постепенным зимним снижением темпе­ ратур, осложняемым резкими понижениями температур в перио­ ды оттепелей, а также весеннего снеготаяния. Последнее сниже­ ние иногда определяет всю годовую амплитуду температур грунтовых вод, что имеет место при 'значительных глубинах их залегания (вблизи зоныпостоянных температур или в ее пре­ делах), где амплитуды колебаний температур, вызываемые кондуктивным переносом тепла, чрезвычайно малы. Эффект

лимитирует размеры инфильтрации при всех прочих равных условиях и снижает их долевое участие в общем объеме под­ земных вод;

Рис. 35. Термопзоплеты в зоне аэрации:

растают, что также уменьшает и рассредоточивает инфильтра­ цию во времени, в результате чего талые воды успевают час­

температур наблюдаются как в конце лета, так и сдвигаются

Рис. 36. Графики колебании температур грунтовых вод:

а — в провинции развития мпоголетнемерзлых пород; б — в провин­ ции сезонного питания грунтовых вод; о — в провинции круглого­ дичного питания грунтовых вод. / — уровень грунтовых вод; 2 — температура грунтовых вод

круглый год, температура грунтовых вод колеблется чаще все-

вается охлаждающее действие инфильтрующихся жидких зим­

них. осадков.

С увеличением высоты местности над уровнем моря темпе­ ратуры подземных вод уменьшаются с градиентом от 0,2 до 1° на 100 м высоты. Наибольшая температура подземных вод по большинству родников в горных районах (особенно в трещино­ ватых породах) наблюдается при минимальных дебитах, а наименьшая при максимальных. Лишь источники из делювия

и элювия имеют максимумы температур при максимальных де­ битах и четко следуют за режимом температур воздуха.

температур, в которых температуры на различных глубинах в пределах зоны аэрации и в грунтовых водах до зоны постоян­ ных температур имеют примерно одинаковые значения. Термоизоплеты в момент наступления таких фазрасполагаются почти вертикально (см. рис. 35), т. е. среда грунтовые воды — зона аэрации может рассматриваться изотермичной. Весенняя и осенняя фазы смыкания температур разделяют периоды с разными знаками направлений градиентов теплового потока: зимнего восходящего и летнего нисходящего. Выделение вре­ мени наступления этих периодов имеет немаловажное значе­ ние для анализа и расчетов динамики влаги в зоне аэрации под влиянием градиента, температур, так как нисходящие гра­ диенты температур усиливают процессы питания подземных вод, а восходящие, наоборот, тормозят их и усиливают про­ цессы расхода влаги на испарение или сублимацию. Продол­ жительность фаз нагревания и охлаждения подземных вод в региональном плане не одинакова и подчинена климатической (широтной и вертикальной) зональности. В частности в нап­ равлении с севера на юг продолжительность фазы нагревания увеличивается с пяти до девяти месяцев, а фаза охлаждения соответственно уменьшается.

Роль климата или температур воздуха в температурном режиме грунтовых вод проявляется на территории СССР не­ равномерно. В частности отражающий эту роль температурный коэффициент, представляющий собой отношение среднегодо­ вой температуры грунтовых вод к среднегодовой температуре воздуха, довольно закономерно изменяется в направлении с севера на юг. Так, при сравнительно одинаковых глубинах за­ легания грунтовых вод (2—3 м) и одинаковой литологии во­ довмещающих пород (пески) данный коэффициент в Ленинград­

ностью регионального теплового потока, направленного из недр земли, на который накладываются колебания экзогенного про­

тур подземных вод, замеренных на различных глубинах от поверхности земли (см. рис. 33).

Передача тепла в глубь Земли под влиянием колебаний температур воздуха осуществляется неравномерно. Часто поч­

ти синусоидальные колебания температур воздуха резко трансформируются уже в зоне аэрации и затем в подземных водах. Связано это прежде всего с изменением теплофизнческих свойств пород как по вертикали, так и во времени.

Известно, что коэффициенты теплоемкости пород зависят от степени их влажности (табл. 3).

Таким образом, сезонные изменения влажности пород не­ посредственно определяют изменения их температуропроводно­

Учитывая тот факт, что разность между увлажненностью и иссушенностыо зоны аэрации возрастает с севера на юг, мож­ но предположить, что сезонные различия в передаче тепловых волн от воздуха к грунтовым водам в этом направлении дол­ жны возрастать.

Глубина затухания температурных колебаний зависит от сезонов года и климатической зоны. Так, в районах с устойчи­ во положительными среднегодовыми температурами воздуха в зимние месяцы колебания температур воздуха проявляются в режиме температур зоны аэрации и грунтовых вод значитель­ но слабее и проникают на меньшие глубины по сравнению с летними, что определяется, с одной стороны, большим перио­ дом существования положительных температур, а с другой, теплоизолирующими свойствами снежного покрова (см. рис. 35, а). В районах с устойчиво отрицательными среднегодовы­

Размеры амплитуд сезонных колебаний температур под­ земных вод зависят также от производительности водоносного горизонта. Слабо водообильные горизонты с малыми скорос­ тями фильтрации вод имеют амплитуды колебаний темпера­ тур больше, чем водообильные горизонты с высокими скоро­ стями фильтрации.

Помимо наиболее существенных и практически значимых годовых колебаний температур подземных вод в их режиме могут быть отмечены также суточные и многолетние колеба­ ния.

Суточный ход температур определяется дневным прогре­ ванием и ночным охлаждением поверхности земли и поэтому

закономерностям годового режима. Наибольшие амплитуды наблюдаются также в местностях с континентальным клима­ том и с общей закономерностью уменьшения амплитуд по направлению к морским побережьям, а также к северу и югу от средних широт. Так, суточная амплитуда температур поверх­

Величины суточных амплитуд температуры зависят от вре­ мени года. Максимальные суточные амплитуды температур

11°С. Увеличение суточных колебаний температур воздуха на­ чинается примерно с марта. Тепловой поток в летнее время интенсивно проникает в зону аэрации, достигая глубин 1—2,5 м. В зимнее время, вследствие меньших амплитуд коле­ баний температур воздуха, а также низкой теплопроводности снежного покрова суточные колебания температур прослежи­ ваются лишь до глубин 0,2—0,5 м.

Суточный цикл колебаний темпеоатур также приводит к смене дважды в сутки (примерно в 6 и 18 ч) знака градиентов температур в зоне суточных теплооборотов, что активизирует ночью процесс конденсации влаги в зоне аэрации, а днем — процесс испарения.

Из-за сравнительно небольшой глубины проникновения су­ точных колебаний температур они в режиме подземных вод отмечаются довольно редко, глазным образом на заболочен­ ных и переувлажненных землях, так как уже на глубинах око­

Как указывалось в гл. I, в режиме ряда макрогелиогеофизических процессов отмечаются многолетние циклы, которые в той или иной степени прямо воздействуют на многолетние нз-

менения температур воздуха. Результатом такого воздействия являются вскрытые в режиме температур воздуха 2-, 6-, 11-, 19-, 35- и 80— 100-летние циклы.

Изменения среднегодовых температур воздуха за многолет­ ний период, имеющие циклический характер, как правило, не­ большие il измеряются лишь первыми градусами. Таким обра­ зом, значительное увеличение периода многолетних колебаний по сравнению с годовыми во многом компенсируется не менее значительным уменьшением амплитуд многолетних колебаний температур. В результате этого глубины проникновения мно­

лишь теоретически на основе анализа длинных рядов наблю­ дений за температурами воздуха и установления закона взаи­ мосвязи температур воздуха и подземных вод.

Суммируя вышеприведенное, можно подчеркнуть, что ре­ жим температур подземных вод зонален и что выделенные на­ ми ранее типы режима грунтовых вод имеют характерные особенности не только в режиме уровней, но и в режиме тем­ ператур грунтовых вод. В зависимости от вертикальных изме­

указанных зон определяются как теплофизическими свойства­ ми пород, так и формами передачи тепла Солнца в глубь Земли.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕЖИМА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ГРУНТОВЫХ ВОД

Изучение режима химического состава подземных вод и в частности грунтовых вод производится в следующих целях:

а) изучение процессов формирования химического состава подземных вод; выявление роли различных факторов, опреде­ ляющих изменение качества подземных вод во времени, и ус­ тановление на этой основе генетических зависимостей для его прогнозов;

б) региональная оценка режима химического состава под­

на качество подземных вод и условия их загрязнения, в том чис­ ле изучение влияния застройки территорий, применения удоб­ рений и ядохимикатов в сельском хозяйстве, сброса промыш­ ленных и бытовых стоков и т. п. на качество подземных вод и осуществление на этой основе контроля за охраной подзем­ ных вод от загрязнения.

Таким образом, если для решения первой задачи достаточ­ но организовать детальные наблюдения за режимом химиче­ ского состава подземных вод и их солевым балансом на от­ дельных ключевых участках пли репрезентативных зональных станциях, расположенных в типичных гидрогеологических и климатических условиях, то для двух других задач необходимы широкие региональные исследования по опорной наблюдатель­ ной сети в пределах наиболее важных для практического ис­ пользования водоносных горизонтов.

Наблюдения за изменениями химического состава грунто­ вых вод на территории СССР показывают, что в одних слу­ чаях эти изменения весьма значительны и в течение одного' сезона и особенно за многолетний период, в других — каких-ли­ бо существенных колебаний в составе вод установить не уда­ ется, что свидетельствует о разнообразии условий формирова­

мического состава грунтовых вод могут быть веделены четыре основных их типа (табл. 4).

зации вод в летне-зимнее время н уменьшением в весеннее

III Зимне-весеннее увеличение минерализации грунтовых вод за счет привноса инфильтрующнмися водами легкорастворимых солей из зоны аэрации, конвективное выравнивание концентрации воды в водоносном горизонте с последующим увеличением минерализации за счет летнего испарения

Относительное равновесие приходных и расходных статей солевого баланса с преобладанием процессов диффузии и катионного обмена во­ ды с породами

Первый тип гидрохимического режима грунтовых вод развит в провинции многолетнемерзлых пород. Минимальная минерали­ зация грунтовых вод иногда до 5—30 мг/л наблюдается здесь в весеннее и летнее время в результате разбавления грунтовых вод ультрапресными талыми водами. Низкая температура грун­ товых вод и пород зоны аэрации определяет практическое отсут­ ствие их испарения. Поэтому низкая минерализация грунтовых

фазе.

Таким образом, максимальная концентрация солей в грун­ товых водах (там, где они сохраняются) наблюдается в предве­ сеннее время. В тех случаях, когда летнее испарение имеет мес­ то, после весеннего разбавления грунтовых вод наблюдается пос­ тепенное летнее увеличение их минерализации. При этом увеличение минерализации в многолетнем разрезе тем больше, чем менее интенсивно было в данном году весеннее разбавле­ ние грунтовых вод. Амплитуды сезонных колебаний общей ми­ нерализации грунтовых вод в данной провинции редко превыша­ ют 50—200 мг/л. Колебание концентрации солей осуществляется главным образом за счет ионов Са2+ и НСОГ, а также Na+'f-K1; СП и органики, что свидетельствует о поверхностном загряз­ нении подземных вод. В таликовых зонах увеличение общей минерализации и жесткости грунтовых вод зимой осуществ­ ляется за счет разгрузки напорных вод, являющихся основным источником подпитывания грунтовых вод в данный период. В соответствии с химическим составом напорных вод общая ми­ нерализация грунтовых вод может повышаться зимой до 1 г/л

иболее. Тип химического состава грунтовых вод в течение года

вданной провинции (за исключением таликовых зон) не изме­ няется. В таликовых зонах изменения состава грунтовых вод прямой зависят от величины разгрузки напорных вод и их состава.

Второй тип гидрохимического режима грунтовых вод харак­ терен для большей части второй и третьей провинций грунтовых вод (сезонного и круглогодичного питания) в условиях хорошей дренированности грунтовых вод, когда подземный сток преобла­ дает над испарением.

Максимальная минерализация грунтовых вод во второй про­

минимальными уровнями грунтовых вод. Минимальные значения общей минерализации грунтовых вод, наоборот, совпадают с максимальными уровнями, что также связано с разбавлением грунтовых вод талыми снеговыми или дождевыми водами. Сне­ говая вода чаще всего имеет минерализацию около 20—30 мг/л,