Вопрос №24 Грунтовые воды, условия их образования их образования и залегания.

Грунтовыми называют свободные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего в зоне полного насыщения. Следовательно, главное отличие грунтовых вод от вод верховодки заключается в том, что первые залегают в зоне полного насыщения, вторые - взоне аэрации. Отсюда и другие отличия, связанные с масштабами их распространения, временем существования, мощностью водоносных горизонтов, ружимом, составом, глубиной залегания. Грунтовые воды развиты повсеместно. В любом месте, где бы мы ни стали бурить или копать колодец, мы встретим воду. Как правило это будет грунтовая вода и значительно реже верховодка. Если такие воды залегают в порахо осадочных пород, то они называются пластовыми, если в трещинах скальных пород – трещинными или грунтово-трещинными.

Чаще всего грунтовые воды не имеют сверху водонепроницаемых пород и поэтому являются безнапорными. Но это не главный отличительный признак, как полагают некоторые исследователи. На от дельных локальных участках водоупор пожжет присутствовать, и в таком случае они становятся напорными, но это никак не меняет сути явления.

Область питания грунтовых вод, как правило, совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды тесно связаны с атмосферными осадками, поверхностными водами и верховодкой и поэтому зональны. Режим их находится под непосредственным влиянием гидрометеоролических факторов и характеризуется сезонными колебаниями уровня, дебита и химического состава. По возрасту грунтовые воды являются современными, но в геологическом смысле, так как возраст из может достигать 20-50тыс. лет.

В зависимости от условий залегания грунтовых вод различают грунтовый поток и грунтовый бассейн. Первый характеризуется движением воды, происходящим под влиянием силы тяжести в направлении уклона свободной поверхности, второй – наличием в водоупорном ложе понижений и движением воды на отдельном отрезке в восходящем направлении. Тот и другой имеют ряд вазновидностей, а местами наблюдаются сложные их комбинации. Глубина залегания и форма поверхности грунтовых вод, которую принято называть зеркалом, обусловливается глубиной эрозионного расчленения рельефа. На карте она изображается гидроизогипсами – линиями одинаковой высоты зеркала.

Неглубокое залегание грунтовых вод на первом от поверхности региональном водоупоре определяет направление их движения под действием силы тяжести в соответствии с уклоном зеркала, а разгрузку, как правило, у подножий склонов. Питание их в основном осуществляется через зону аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков (дождевых, талых и паводковых вод) по всей площади их распространения и в меньшей мере конденсирующейся влаги в зоне аэрации. В каждом конкретном районе могут существовать и другие источники питания (речные воды, поступление поды из оросительных каналов, переток артезианских вод из более глубоких водоносных горизонтов и т.д.)

Поверхность грунтовых вод приближенно повторяет рельеф региона (рис. 6.16). На водоразделах глубина залегания грунтовых вод значительно больше, чем в долинах. Особенно велико их различие в горных областях, где разница отметок долин и водораз­делов нередко достигает 500-700 м. В равнинных областях это соотношение значительно меньше и обычно не превышает 100 м.

Особенно большие изменения уровня грунтовых вод происходят во время половодий. При высоком стоянии горизонта речных вод происходит поднятие уровня грунтовых вол в прибрежной полосе (рис. 6.17). Кривая подпора распространяется в сторону междуре­чий на несколько сот метров, реже несколько километров. После спада горизонта высоких вод в реке происходит довольно резкое снижение уровня грунтовых вод в прибрежной полосе.

Условия питания грунтовых вод определяют и их режим, т.е. изменение их запасов, уровня, состава и свойств во времени под действием природных и искусственных факторов. Г.Н. Каменский выделил четыре основных типа естественного режима:

1) водораз­дельный, формирующийся под влиянием инфильтрации атмосфер­ных осадков, испарения и подземного стока;

2) прибрежный, воз­никающий под воздействием колебания уровня рек, озер и морей;

3) предгорный, обусловленный влиянием подземного и поверхнос­тного стока с горных массивов;

4) мерзлотный. характеризующийся частичным или полным промерзанием надмерзлотных (грунтовых) вод в зимний период.

Наиболее интенсивное влияние естественных факторов сказыва­ется на неглубокие грунтовые воды. По мере увеличения глубины их залегания влияние многих факторов ослабевает или полностью прекращается. В наше время режим грунтовых вод часто опреде­ляется в основном искусственными факторами, обусловленными деятельностью человека. Распашка земель, вырубка лесов, создание водохранилищ, строительство городов, сооружение водозаборов глобально меняют условия питания, залегания и разгрузки подзем­ных вод. Все это сказывается на запасах, качестве и составе подземных вод в целом. Этот фактор стал доминирующим и требует особо пристального изучения.

Грунтовые воды, как и все воды верхней части земной коры, зона льны. Их состав закономерно изменяется в соответствии с изменением климатических особенностей территории. Учение о широтной зональности подземных вод было развито на базе выда­ющихся исследований В.В. Докучаева по зональному распределению почв

Из многочисленных схем широтной зональности грунтовых вод наиболее полное представление дает схема, предложенная O.K. Ланге, которая основывается на существовании трех широт­ных макрозон неглубоких подземных вод, сменяющих друг друга с севера на юг, не включая тропической зоны.

I. Макрозона (провинция) вечной мерзлоты с зонами: 1) ка­менного льда, 2) сплошной мерзлоты, 3) таликовой мерзлоты и 4) островной мерзлоты. Эти зоны четко выражены не только в Евразии, но и в Северной Америке.

2. Макрозона (провинция) избыточного увлажнения с зонами: 1) грунтовых вод типа тундровых, распространенных на территории безмерзлой тундры и в полосе криволесья; 2) высоких вод севера; 3) дренажа мелкими оврагами; 3) дренажа глубокими ов­рагами; 5) дренирования в полосе перехода овражных систем в овражно-балочные.

3. Макрозона (провинция) полуаридная и аридная, включа­ющая зоны: 1) развития дренажа путем испарения с подзонами: причерноморских глубоких балок и прикаспийских плоских ба­лок; 2) равновесия подтока грунтовых вод и их испарения, про­тягивающаяся из Центральной и Средней Азии через Ближний Восток, Северную Африку до юга Северной Америки.

Хотя O.K. Ланге пытается, кроме климата, учитывать особенно­сти рельефа и литологии пород, выделяемые им зоны подчинены исключительно климатическому фактору. Грунтовые воды, в распре­делении которых преобладают другие факторы, отнесены к азональ­ным или к интразональным: карстовые, трещинные и аллювиальные воды. В качестве интразональных вод (нарушающих зональность внутри данной зоны) выделяются, например, соленые воды солон­чаков и солонцов или линзы пресных вод. залегающие над соле­ными водоносными горизонтами.

В последние годы проведенный нами анализ закономерностей распределения состава и минерализации грунтовых вод всего земно­го шара позволил показать, что интегрированным фактором их со­става и зональности выступает интенсивность водообмена и связан­ный с этим тип ландшафта. Так, при движении от зоны тундр к лесостепной и степной зонам бореального пояса минерализация под­земных вод постепенно возрастает по мере того, как уменьшается интенсивность водообмена независимо от состава водовмещающих пород. Эта же тенденция характерна для горных областей, а также для вод экваториально-тропического пояса, где в направлении от влажной саванны и влажного тропического леса к сухой саванне в тропическим степям, т.е. в направлении уменьшения интенсивности водообмена, минерализация подземных вод увеличивается (рис. 6.18). При этом каждая ландшафтная зона и гидрогеологическая провин­ция в целом характеризуются только им присущим составом подзем­ных вод, изменения которого как в региональном плане, так и при движении от областей питания к области разгрузки, а также в те­чение года происходят в строго определенных пределах.

В совокупности воды всех провинций в ландшафтных зон об­разуют единую цепь, характеризующую изменение их состава по мере роста общей минерализации. Для вод выщелачивания это выражается в постепенной смене гидрокарбонатно кремниевых, бо­гатых калием и недиссоциированной углекислотой разностей, гидро­карбонатными с пестрым катионным составом, определяемым типом водовмещающих пород. В дальнейшем, оставаясь гидрокарбонатны­ми, подземные воды изменяют свой катионный состав от пестрого через кальциево-натриевый до чисто натриевого (содовые воды). Смена первого типа вод вторым обычно происходит при мине­рализации 0,2-0,3 г/л, а второго третьим при 0,6-0,8 г/л. Содовые воды формируются соответственно при минерализации 0,6-1,0 г/л. Воды континентального эасолелия, оставаясь в подав­ляющем большинстве своем натриевыми, изменяют свой анионный состав от гидрокарбонатного через сульфатный к хлоридному со всеми промежуточными подтипами. При этом соотношение между количеством элементов, заимствованных водой из атмосферы, орга­нического вещества и горных пород, различно в разных ландшаф­тных зонах и связано сложной зависимостью с общей минерализа­цией. Природа широтной геохимической зональности в конечном счете кроется в сложном влиянии гидродинамических (водообмен), ландшафтно-климатических (тип ландшафта) и структурно-литологических (состав пород и направленность их выветривания) факторов на состав грунтовых вод.

Применительно ко всему земному шару дополнительно к трем макрозонам, выделенным O.K. Ланге, необходимо добавить еще две макрозоны: 1) тропического и субтропического климата и 2) гор­ных областей. В первой макрозоне четко выделяются зоны: а) эква­ториальных и тропических лесов; б) влажных саванн; в) сухих са­ванн и степей; г) субтропических лесов. Вторая макрозона включает зоны: а) высокогорные и горно-луговые; б) горно-лесные и горно­таежные; в) горно степные. Каждая из отмеченных зон характеризу­ется, как уже сказано выше, особым составом грунтовых вод, а макрозона - закономерным изменением геохимических типов воды.

Геологические условия накопления ресурсов грунтовых вод. Как уже отмечалось, грунтовые воды развиты повсеместно, но запасы их распределены крайне неравномерно. Требуется сочетание определенных геологических, климатических, геоморфологических усло­вий, чтобы сформировались значительные их запасы или ресурсы. Отсюда возникает задача выявления геологических обстановок, благоприятствующих формированию таких водных ресурсов, кото­рые бы позволили их промышленное использование.

Три главных фактора благоприятствуют выполнению заданно­го условия: 1) высокая пористость или трещиноватость водовмещающих пород; 2) пониженные участки рельефа или мульдообразная форма геологической структуры, способствующие сбору воды с больших площадей на относительно небольшой террито­рии. и 3) хорошие климатические и геоморфологические условия питания водоносных горизонтов. Благоприятное сочетание перечис­ленных факторов характерно для аллювиальных отложений, кону­сов выноса, предгорных равнин, трещинных пород и зон нарушений горных областей, песчаных дюн. песков морских побережий, закарстованных пород и т.д. Именно в этих отложениях и формируются наиболее крупные запасы и ресурсы высококачественных грунто­вых вод, используемых в питьевых целяхзоны: а) высокогорные и горно-луговые; б) горно-лесные и горно­таежные; в) горно-степные. Каждая из отаеченньгх зон характеризу­ется, как уже сказано выше, особым составом грунтовых вод, а макрозона - закономерным изменением геохимических типов воды.

Геологииеские условия накопления ресурсов грунтовых вод. Как уже отмечалось, грунтовые воды развиты повсеместно, но запасы их распределены крайне неравномерно. Требуется сочетание опреде ленных геологических, климатических, геоморфологических усло­вий, чтобы сформировались значительные их запасы или ресурсы. Отсюда возникает задача выявления геологических обстановок. благоприятствующих формированию таких водных ресурсов, кото­рые бы позволили их промышленное использование.

Три главных фактора благоприятствуют выполнению заданно­го условия: 1) высокая пористость или трещиноватость водовме- щающих пород; 2) пониженные участки рельефа или мульдооб- разная форма геологической структуры, способствующие сбору воды с больших плошадей на относительно небольшой террито­рии. и 3) хорошие климатические и геоморфологические условия питания водоносных горизонтов. Благоприятное сочетание перечис­ленных факторов характерно для аллювиальных отложений, кону­сов выноса, предгорных равнин, трещинных пород и зон нарушений горных областей, песчаных дюн, песков морских побережий, закар- стоваыных пород и т.д. Именно в этих отложениях и формируются наиболее крупные запасы и ресурсы высококачественных грунто­вых вод, используемых в питьевых целях.