Гл а в а 15 Воды суши
К водам суши относятся подземные и поверхностные воды, реки, озера, водохранилища, болота, ледники и постоянный снежный покров.
15.1. Подземные воды
Подземные воды – это воды, находящиеся в горных породах в жидком, твердом и парообразном состоянии. В верхней части земной коры они образуются в основном из атмосферных осадков и называются вадозными. Вадозные воды подразделяются на три группы: инфильтрационные – просачивающиеся сквозь зернистые породы, инфлюационные – втекающие в глубь пород по трещинам, и конденсационные, образующиеся из водяного пара воздуха, находящегося в подземных порах и трещинах. Глубокие горизонты вод могут быть магматического происхождения (ювенильныв воды) или реликтовыми, сохранившимися со времен накопления морских осадков (седиментационные воды).
Условия залегания и запасы подземных вод зависят от вещественного состава горных пород, определяющего их водно-физические свойства. Среди них важны пористость – наличие капиллярных пор и скважность – присутствие некапиллярных пустот. Они обусловливают такие важные свойства пород, как влагоемкость и водопроницаемость.
Влагоемкость – способность пород удерживать определенное количество воды. По вла-гоемкости горные породы подразделяются на сильновлагоемкие (торф, глина и др.), слабовлагоемкие (лёсс, мелкий песок и др.), невлагоемкие (галька, гравий, крупный песок и др.). Водопроницаемость – способность пород пропускать через себя воду. Обычно в земной коре, особенно на равнинах, чередуются слои различной водопроницаемости. Рыхлые породы (песок, гравий, галька) и трещиноватые скальные (известняк, опока, доломиты), хорошо пропускающие воду, называются водопроницаемыми, плотные породы (глины, глинистые сланцы и др.), которые задерживают воду,– водонепроницаемыми (водоупорными). Просочившаяся сверху вода задерживается на водоупорных слоях, заполняя пустоты рыхлых и трещиноватых водопроницаемых пород, в которых образуется водоносный горизонт.
Воды в рыхлых породах относятся к типу пластовых. Они равномерно распределены по всему пласту. Воды в трещиноватых породах называются трещинно-жильными, они движутся по крупным пустотам и трещинам. Мелкозернистым рыхлым породам свойственно ламинарное движение воды. В крупнообломочных и трещиноватых породах может происходить турбулентное движение, свойственное открытым потокам.
Воду, содержащуюся в породах, условно делят на разные категории, из которых для природных процессов наиболее важны два вида жидкой воды – капиллярная и гравитационная, так как они усваиваются растениями и участвуют в почвообразовании, рельефообразовании и поверхностном круговороте воды на Земле.
Капиллярная вода заполняет мелкие поры породы и передвигается в них под влиянием менисковых сил из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения. Различают капиллярную подпертую и подвешенную воду. В первом случае капиллярная вода соприкасается с верхним водоносным горизонтом, что характерно для гумидного климата. Во втором случае капиллярная вода отделена от него, что типично для зон недостаточного увлажнения.
Гравитационная – свободная вода, заполняющая некапиллярные пустоты породы. Под влиянием силы тяжести она просачивается в породе сверху вниз и движется в горизонтальном направлении, а под влиянием гидростатического напора может подниматься вверх, как в сообщающихся сосудах. Гравитационная вода обеспечивает миграцию химических элементов, от нее зависят условия проникновения в почвогрунты кислорода и соответственно аэробные и анаэробные условия почвообразования.
В зоне многолетнемерзлых пород – геокриозоне вода находится в твердом состоянии, либо в виде льдистых почвогрунтов, либо в виде линз ископаемого льда. Этим обусловлена специфика почвообразования и форм рельефа геокриозоны.
|
рис. 87. Схема соотношений различных типов подземных вод (по О. К. Ланге) |
Рис. 88. Схема залегания и движения грунтовых вод в междуречном массиве (по Л. К. Давыдову и др.) |
Водный режим почвогрунтов зависит от климата и от таких их свойств, как влагоемкость и водопроницаемость. Выделяют следующие типы водного режима почвогрунтов. Промывной тип существует в условиях влажного климата, при котором происходит ежегодное промачивание всей почвенно-грунтовой толщи до водоносного горизонта. Непромывной тип наблюдается в условиях умеренно-недостаточного неустойчивого увлажнения, при котором нет сплошного промачивания почвенно-грунтовой толщи и почвенная вода представлена формой подвешенной капиллярной воды. Выпотной тип существует в засушливом климате в условиях неглубокого залегания водоносного горизонта и резкого преобладания испаряемости над осадками. Застойный тип наблюдается в понижениях в условиях гумидного климата. Мерзлотный тип имеет место, когда летом почва перенасыщена водой, несмотря на небольшое количество осадков, поскольку неглубоко залегает мерзлый водоупорный слой.
По условиям залегания в земной коре подземные воды делят на воды зоны аэрации: почвенные и верховодка – и воды зоны насыщения: грунтовые и межпластовые (рис. 87).
Почвенные воды заключены в почве и не имеют водоупора. Верховодка образуется на линзе водоупорных пород, распространена локально, залегает неглубоко, существует временно, малообильна. В условиях континентального климата умеренного пояса она появляется весной после снеготаяния, иногда осенью.
Грунтовые воды – воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, на первом водоупорном слое (рис. 88). Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Мощность водоносного горизонта – это расстояние по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. В водоносных слоях грунтовые воды передвигаются от мест с более высоким уровнем к местам с более низким уровнем, т. е. в соответствии с уклоном водоносного пласта. Скорость их движения (υ) прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации водоносной породы (k), который зависит от водопроницаемости и определяется по таблице, и уклону подземного потока (i), и вычисляется по формуле Дарси: υ=k*i (см/с или м/сут.).
Области распространения и питания грунтовых вод совпадают, поэтому мощность и во-дообилие их подвержены колебаниям, зависящим от изменений климатических и метеорологических условий, а их режиму и свойствам присущи зональные черты. Зональность грунтовых вод проявляется в глубине их залегания от поверхности и соответственно в их чистоте и температуре, а также химическом составе и степени их минерализации. В зонах избыточного и достаточного увлажнения – тундре и лесах (Кув > 1) – грунтовые воды залегают неглубоко, они ультрапресные и пресные, гидрокарбонатно-кальциевые. В зонах умеренно-недостаточного (неустойчивого) увлажнения – лесостепях и степях (Кув = 1,0 – 0,3) – залегание вод глубже, они пресные или слабо минерализованные, постепенно становятся сульфатными. В зонах недостаточного увлажнения – полупустынях (Кув = 0,3 – 0,1) и крайне недостаточного увлажнения – пустынях (Кув < 0,1) – воды глубоко залегающие, минерализованные, обычно хлоридные (рис. 89).
Температура грунтовых вод в сглаженном виде повторяет годовой ход температуры воздуха, но максимумы и минимумы температуры запаздывают, и тем больше, чем глубже залегают грунтовые воды. Чистота грунтовых вод определяется глубиной их залегания от поверхности – чем глубже, тем чище.
Геолого-геоморфологические условия и вещественный состав пород вносят разнообразие и обусловливают специфику грунтовых вод в пределах природных зон. Например, при глубоком и густом долинно-балочном расчленении земной поверхности воды залегают глубже. В целом же грунтовые воды относительно чистые, обычно пресные, постоянные и широко используются для хозяйственно-бытовых нужд в сельской местности.
Межпластовые воды – это воды, заключенные между двумя водоупорными пластами, из которых нижний называется водоупорным ложем, а верхний – водоупорной кровлей. Они залегают глубже и поэтому чище, чем грунтовые. Области распространения и питания их не совпадают, в связи с чем режим вод меньше зависит от метеоусловий и у них более постоянный уровень. Атмосферное питание эти воды получают лишь в местах выхода водоносного пласта на поверхность. Они могут быть напорные и ненапорные. Ненапорные воды не полностью насыщают водоносный пласт, имеют свободную поверхность и стекают как грунтовые по уклону ложа. Напорные воды залегают в вогнутых тектонических структурах, насыщают весь водоносный слой и обладают гидростатическим напором. Вскрытые скважинами, они могут изливаться на поверхность или даже фонтанировать. Такие воды называют артезианскими (рис. 90). Как и грунтовые воды, межпластовые могут иметь разный химический состав и степень минерализации, которая увеличивается с глубиной.
Рис. 90. Схема строения артезианского бассейна (по Л. К. Давыдову и др.)
По температуре подземные воды подразделяют на переохлажденные (ниже 0°С), холодные (от 0 до 20°С) и термальные: теплые (20–37°С), горячие (37–50°С), очень горячие (50–100°С) и перегретые (свыше 100°С). Высокотермальные воды в районах современного вулканизма (Исландия, Камчатка) используются для отопления жилищ, строительства геотермальных электростанций, тепличного теплоснабжения и т. д.
Подземные воды, которые благодаря своим физико-химическим свойствам оказывают благотворное физиологическое воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Многие термальные воды тоже содержат различные полезные соли и газы и имеют бальнеологическое значение. Среди минеральных вод по степени минерализации выделяют воды: солоноватые (1–10 г/л), соленые (10–50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Химический состав минеральных вод весьма разнообразный: бывает углекислая вода (Кисловодск и другие курорты района Кавказских Минеральных вод, Боржоми, Карлови-Вари и др.), азотная (Цхалтубо), сероводородная (Мацеста), железистая, радоновая и др.
В речных долинах, в предгорьях, в балках и оврагах водоносные пласты могут вскрываться, образуя естественные выходы подземных вод на поверхность,– источники (родники, ключи). Количество воды, даваемое родником (колодцем или скважиной) в единицу времени, называется дебитом (л/с, мэ/с, м3/сут.). По характеру выхода вод на поверхность источники подразделяются на нисходящие (свободный сток грунтовых и межпластовых ненапорных вод) и восходящие (выходы напорных вод). В лечебных целях особенно ценятся минеральные источники.
Особым типом источников являются гейзеры – фонтанирующие источники, периодически выбрасывающие горячую воду и «пар» на большую высоту. Известностью пользуются Большой Гейзер в Исландии, высота фонтана которого достигает 55 м, гейзер Великан на Камчатке с высотой фонтана горячей воды (95–97 °С) до 50 м, а столба «пара» – до 300 м, интервал извержения около 4 ч, который дает начало реке Гейзерной. Крупнейший гейзерный район – Иеллоустонский национальный парк в Скалистых горах США.
Подземные воды имеют большое значение в природе и хозяйственной деятельности людей. Это важный постоянный источник питания рек и озер. Они снабжают растения влагой и растворенными в воде питательными веществами. Подземные воды принимают участие в формировании оползневого, карстового, суффозионного и другого рельефа. При близком залегании от поверхности они вызывают процессы заболачивания. Пресные воды используются человеком для водоснабжения, промышленности, орошения и обводнения земель. Минеральная вода используется для лечебных целей и является источником химического сырья (глауберова соль, бура, йод и др.). Термальные воды дают тепло для обогрева зданий и теплиц.
Подземные воды, особенно пресные, – национальное богатство каждой страны. Необходимо бережно их расходовать и охранять от сточных и промышленных вод, химических удобрений и ядохимикатов. В местах продолжительного интенсивного забора подземных вод на глубине образуются пустоты и часть территории оседает (Мехико, Токио). По возможности необходимо искусственное пополнение запасов пресных подземных вод во время половодий и паводков на реках, для чего уже разработаны и внедряются различные технологические приемы, основанные на фильтрации воды в грунт.
Велика специфика подземных вод в области многолетней (вечной) мерзлоты, которая занимает около четверти суши на земном шаре. С поверхности над слоем многолетнемерзлой породы залегает деятельный слой, который зимой промерзает, летом оттаивает. Мощность его составляет от 0,5 м до нескольких метров. К деятельному слою приурочены надмерзлотные воды, но есть еще межмерзлотные и подмерзлотные воды, которые залегают соответственно внутри мерзлой толщи или на водоупоре под ней. Они обычно сильно минерализованные. Надмерзлотные воды питаются атмосферными осадками, необильны, слабо минерализованы, летом ненапорны, осенью могут становиться напорными, зимой замерзают, в теплый сезон используются для бытовых нужд. Для хозяйственных и бытовых нужд зимой пользуются межмерзлотными и подмерзлотными водами.