Режим подземных вод

Под режимом подземных вод следует понимать изменение их уровня, температуры, химического состава и расхода во времени и в пространстве под влиянием естественных и искусственных фак­торов.

Под естественными факторами, влияющими на режим подзем­ных вод, понимают изменение условий питания и разгрузки подзем­ных вод в зависимости от режима поверхностных вод, а также от количества атмосферных осадков, температуры и давления воздуха. Ряд исследователей связывают изменения в режиме подземных вод с деятельностью солнца и луны.

Искусственные факторы, влияющие на режим подземных вод, связаны с практической деятельностью человека. К ним относятся откачки, подъем горизонта воды в водохранилищах, орошение, осушение и др.

Следует различать суточные, сезонные, годовые и многолетние изменения элементов режима подземных вод.

Суточные колебания уровня изучены наиболее полно; они зави­сят от дефицита влажности в зоне аэрации и равны 0,7—3,2 см. По данным Каменно-Степной режимной станции, наибольший суточ­ный спад уровня подземных вод наблюдался между 11 и 14 ч. По наблюдениям той же станции, сезонные колебания в основном за­висят от осадков и температуры грунтов; отчетливо влияние этих факторов фиксируется весной и осенью. В ряде районов БССР, Московской, Курской и других областях установлено зимнее по­вышение уровней в отдельные годы в период длительных оттепелей. По данным П. А. Киселева (1964) и М. Ф. Козлова (1964), питание подземных вод в районах Белорусского Полесья происходит глав-

168

ным образом в холодную часть гидрологического года, в периоды осенне-зимнего и весеннего подъемов. По данным наблюдений бе­лорусских гидрорежимных постов наибольшие годовые амплитуды колебаний уровней грунтовых вод в Полесье наблюдаются вблизи рек — 0,5—4,0 м. На водораздельных пространствах они колеблют­ся в пределах 0,5—2,0 м. М. Ф. Козлов (1964—1971) указывает на синхронность кривых колебаний уровня грунтовых вод в долине р. Случь с уровнями названной реки.

Годовые колебания уровня подземных вод зависят от величины осадков, их интенсивности, дефицита влаги и температуры грунтов. Годовые амплитуды колебаний в пределах Каменно-Степной стан-

Рис 75 Кривые многолетних уровней воды и осадков в Каменно-Стеи

ной станции

ции составляют 0,78—3,05 м (рис. 75). По данным 60-летних наблю­дений, на станции установлен ряд максимумов и минимумов, повто­ряющихся через 10—13 лет.

Многолетние наблюдения за режимом подземных вод в ряде районов СССР и зарубежных стран (Венгрия, ГДР, Франция и др.) показывают на существование сезонных фаз, годовых и многолет­них циклов, обусловленных изменениями климата. Минимальные уровни воды совпадают с засушливыми годами, максимальные —с влажными.

На болотных массивах характерно повышение уровней весной, в период таяния снега, затем они постепенно снижаются, достигая минимума летом (июль, август, сентябрь). Осенью уровни вновь повышаются (конец сентября и октябрь), максимум наблюдается зимой (на болотах умеренных широт в феврале и начале марта). Амплитуда колебаний уровней болотных вод намного ниже грунто­вых и напорных вод.

Принято различать два типа режима подземных вод: прибреж­ный и водораздельный.

169

На водораздельных пространствах режим подземных вод зави­сит в основном только от климатических факторов; колебания уров­ня поверхностных вод сказываются слабо.

Режим подземных вод в прибрежных речных, морских районах или вблизи водохранилищ находится в прямой связи с режимом поверхностных вод; влияние их сказывается на расстоянии 5—11 км (реки Муррей, Рона, Волга, Днепр, Припять, Нил). Амплитуда колебаний уровня подземных вод в скважине, расположенной в 1 км от Нила, достигала 6,5 м, и падение продолжалось с сентября до июня. По данным М. Ф. Козлова (1964), высокие паводки на Припяти (2,41—2,58) вызывают колебания уровня грунтовых вод на расстоянии до 2000 м. При малых подъемах в той же реке (0,53—0,91) влияние на режим подземных вод распространялось всего на 300—400 м. Как указывает Ф. Дикси (1959), на режим подземных вод оказывают влияние приливно-отливные течения, распространяющиеся до 15 км от берега, а вблизи железнодорож­ных магистралей — проходящие поезда. Такие явления наблюда­ются в Лондоне, Венеции, Бизерте, Касабланке, Афинах и т. д.

В районах с увлажненным климатом амплитуда колебаний уров­ня подземных вод вдали от рек обычно не превышает 0,5—1,0 м и редко достигает 1—1,5 м. Наибольшая амплитуда наблюдается весной в период снеготаяния, наименьшая — зимой. Производитель­ность водоносных пластов, а также химический состав и темпера­тура подземных вод в течение года изменяются мало.

В горных районах колебания уровня подземных вод и измене­ние производительности водоносных пластов в течение года прояв­ляются весьма резко.

В засушливых областях, как и в увлажненных, режим подзем­ных вод находится- в зависимости от метеорологических факторов. Различие в режиме этих областей заключается в том, что в засуш­ливых областях годовая амплитуда колебаний уровня подземных вод достигает 6—8 м при значительном снижении производитель­ности водоносного пласта.

Например, по данным наблюдений за режимом грунтовых вод, проведенных нами в окрестностях Тегерана (Иран) в 1936—1958 гг., годовая амплитуда колебаний в колодцах достигала 10 м. В Саха­ре, где за год выпадает не более 80—100 мм осадков, уровень воды в колодцах, заложенных в дюнах, снижается в течение года на 10—12 м. В долине Санта-Клара (Калифорния) по данным 30-лет­них наблюдений за уровнем подземных вод в скважинах, эксплуа­тирующих аллювиальный водоносный горизонт, амплитуда колеба­ний уровня находилась в пределах 5—10 м. В таких районах при низких уровнях отмечается более высокая минерализация подзем­ных вод.

М. Ф. Козлов и П. А. Киселев отмечают, что в южных районах Белоруссии в многолетнем ходе колебаний уровня грунтовых вод в пределах поймы, I и II надпойменных террас довольно часто вы­деляются сезонные фазы и годичные циклы, связанные с изменения­ми климата.

170

В формировании режима подземных вод в засушливых районах большое значение имеет испарение с поверхности грунтовых вод и транспирация. По данным Д. М. Каца, величина испарения прунто-вых вод с различных глубин по Бухарскому оазису (Узбекская ССР) характеризуется следующими данными:

Глубина уровня, м. . . 0,90 1,35 1,90 2,35 2,77 Испарение за год, мм 385,7 275,0 147,1 89,6 46,5

По данным того же автора, транспирация хлопчатника и одно­летней люцерны за вегетационный период в том же оазисе состав­ляла:

' Глубина уровня воды, м 1,0 1,5 2,0 3,0

Транспирация в год, мм:

хлопчатник 877 639 238 88

люцерна 1430 880 — —

Особенно велика транспирация у древесных насаждений, кото­рые высаживаются вдоль оросительных каналов для уменьшения влияния потерь воды из каналов на подъем уровня грунтовых вод.

В. А. Ковда выделяет почвенное испарение на глубине. По его данным, испарение подземных вод практически прекращается на глубине 3—4 м в районах Средней Азии и 1,5—2 м в Сибири. Ис­парение на глубине происходит крайне медленно.

В }словиях хлопкопроизводящих районов Средней Азии на ре­жим подземных вод оказывает большое влияние полив, в результа­те которого через почвенный слой фильтруется большое количество воды. Постоянный подземный сток фильтрационных вод, устанав­ливающийся при этом, рядом исследователей называется фильтра-ционно-стоковым. Если подземный сток фильтрационных вод отсут­ствует, режим называется фильтрационно-аккумулятивным. Подъем уровня грунтовых вод при поливе тем значительнее, чем ближе к поверхности Земли они залегают и чем больше норма полива. В табл. 8 приведены данные Н. А. Кенесарина по подъему, у ровня грунтовых вод (в см) в Голодной степи. Они указывают на важ­ность рационализации методов полива, которая позволит избежать излишнего подъема уровней подземных вод.

Ирригационные мероприятия влияют на химический состав под­земных вод (гидрохимический режим). В вегетационный период наблюдается снижение минерализации, которая вновь увеличивает­ся после прекращения полива в результате испарения подземных вод. По данным Д. М. Каца, сезонные и многолетние изменения ми­нерализации уменьшаются с глубиной. На глубинах свыше 10 м изменения незначительные.

Сезонные колебания уровня грунтовых вод на поливных масси­вах, прилегающих к Сырдарье, достигают 1—2,5 м при начальной глубине их залегания 5—6 м.

В районах многолетней и сезонной мерзлоты режим подземных вод связан с оттаиванием и замерзанием пород. При суровых зи­мах очень часто источники промерзают полностью, и приходится

171

ТАБЛИЦА 8

Глубина	Величина полива, мэ/га
залегания
грунтовых
вод перед
поливом, м	800	900	1000	1100	1200	1400	1500
2,0	48	50		60	63	73
2,4	—	40	—	47	—	—	64
2,8	—	35	—	41		—	54
3,0	26	27	32	36	38	44	51
3,2	10		25	27	33		—
3,4	— w	15	.		30	40	—
3,6		—	—	20	—	—	36
3,8		5	8	10	— .	26	28
4,0	~~~	— к	—			13	12

ориентироваться на воды таликов, которые получают питание из более глубоких водоносных горизонтов (межмерзлотные или под-мерзлотные воды), режим которых более постоянен.

На режиме напорных (артезианских) вод атмосферные осадки сказываются постепенно, иногда через несколько лет, поскольку об­ласть питания водоносного горизонта не совпадает с площадью его распространения. Напорный водоносный горизонт заметно реаги­рует на изменение барометрического давления. Как правило, уро­вень воды в скважинах при изменении давления изменяется на не­сколько десятков сантиметров: при увеличении давления понижает­ся, при уменьшении — повышается. Во время Ташкентского (1967) и Чилийского (1971) землетрясений было зарегистрировано замет­ное поднятие уровней воды в глубоких скважинах. В районе г. Ка­сабланка (Чили) расход источников в этот период увеличился.

Режим подземных вод может резко измениться под влиянием ис­кусственных факторов — водозаборов, разработки полезных иско­паемых (уровни снижаются за год не менее чем на 1,5—2 м и даже более). В районах Курской Магнитной Аномалии (КМА), где ведет­ся разработка железных руд в открытых глубоких карьерах, уро­вень подземных вод сильно упал в скважинах и колодцах, получаю­щих воду из четвертичных и более глубоких водоносных горизонтов. В Московском, Парижском и Лондонском артезианских бассейнах уровни напорных вод снизились в результате длительной эксплуа­тации на 75—80 м от первоначального.

Изменение режима подземных вод, в частности колебания их уровня, имеет большое практическое значение: при подъеме уровня может произойти подтопление зданий, заболачивание территорий, а в засушливых районах, где подземные воды залегают на неболь­шой глубине (1,5 м), накопление солей в почве с образованием со­лонцов или солончаков.

Для оценки режима подземных вод во времени Г. Н. Каменский на основе теории неустановившегося движения вывел уравнение,

172

выражающее зависимость изменения уровня воды в любом сечении п потока за время А/ от мощности пласта Я, коэффициента филь­трации К, недостатка насыщения в слое над капиллярной зоной ц и величины инфильтрации сверху W в двух соседних сечениях, от­стоящих одно от другого на расстоянии Ах (рис. 76).

Рис. 76. Схема депрессионной поверхности подземных вод для уравнения Г. Н. Кайенскою

Уравнение Г. Н. Каменского для водоносных горизонтов значи­тельной мощности имеет следующий вид:

(V-l)

где H_nt8+i— искомый уровень грунтовых вод в среднем сечении п в конечный момент времени (5 + 1); Я_п+1,д и Я_п_1,₈ известные уров­ни грунтовых вод в смежных сечениях (п—1 и п + 1) в начальный момент времени (S).

Величина инфильтрационного питания грунтовых вод может быть определена по результатам наблюдений в трех скважинах, рас­положенных по падению подземного потока при помощи формулы Г. Н. Каменского (рис. 77):

(V-2)

Существуют и' другие методы количественной оценки режима и баланса подземных вод. Подробно они излагаются в курсах динами­ки подземных вод и специальной гидрогеологии.

В настоящее время во многих странах и в наиболее широких масштабах в СССР режим и баланс подземных вод и инфильтрация исследуются на специально созданных государственных или ведом­ственных станциях, расположенных в различных природных усло­виях.

173

Рис. 77. Схема определения инфильтрацион-ного питания (W)

В Венгрии наблюдения за режимом подземных вод проводятся в 2200 скважинах 2 раза в неделю., В настоящее время по стране составлена карта глубин залегания грунтовых вод в масштабе 1 :400 000 на основе замеров уровней воды в 750000 скважин и ко­лодцев. Имеющиеся материалы по низменности страны показывают, что на более 50% ее территории глубины грунтовых вод до 3 м. В Венгрии для многих районов, важных в промышленном и сельско­хозяйственном отношени­ях, составляются ежеме­сячные информационные карты глубин залегания грунтовых вод, гидрохи­мические карты в масшта­бах 1 :200000 и мельче с выделением отдельных компонентов: хлора, суль­фатов, общей жесткости. Наблюдения за режимом подземных вод в Венгер­ской Народной Республи­ке поставлены образцово;

они постоянно находятся

в поле зрения Института водных ресурсов. Аналогичные карты со­ставлены и опубликованы в ФРГ по бассейну Рейна, а также кар­стовым районам юга Франции, Греции и Испании.

На основании результатов работы станций СССР и других стран выявлен ряд особенностей режима и баланса подземных вод, кото­рые учитываются при хозяйственном освоении территорий в раз­личных странах.