2. Грунтовые воды

Грунтовыми водами, или грунтовым водоносным горизонтом, называется первый от поверхности земли постоянно существующий регионально распространенный водоносный горизонт со свободным уровнем. Понятия "постоянно существующий" и "регионально распространенный" подчеркивают различие между грунтовыми водами и верховодкой, которая также фиксируется как первый от поверхности водоносный горизонт. В отличие от верховодки существование грунтового водоносного горизонта обычно связано с наличием регионально (в пределах всего рассматриваемого района или значительной его части) распространенного пласта слабопроницаемых пород (см. гл. 6). Понятия "свободный уровень", "свободная поверхность" подчеркивают тот факт, что верхней границей грунтового водоносного горизонта является свободный уровень подземных вод (см. рис. 7.1). При вскрытии водоносного горизонта в этом случае отсутствует избыточное давление воды на его кровле (Р= Р,1Ш) и уровень воды устанавливается на отметке вскрытия верхней границы горизонта.

В связи с этим грунтовые воды не совсем верно называются также безнапорными . На участках, где в верхней части водоносного горизонта распространены линзы слабопроницаемых пород, или покровные слабопроницаемые отложения, собственно водоносный горизонт фиксируется горными выработками ниже их подошвы. На таких участках наблюдается избыточное гидростатическое давление, под действием которого уровень воды устанавливается выше кровли водоносного горизонта. В этом случае подземные воды называются водами с местным напором, или субнапорными.

В пределах платформенных территорий гумидной зоны грунтовый водоносный горизонт залегает на глубинах до 10—15 м и формируется преимущественно в рыхлых отложениях четвертичного и неоген-четвертичного возраста. В аридной и полуаридной зонах с глубинами залегания грунтовых вод до 50 м и более, а также на участках с отсутствием или малой мощностью четвертичных отложений грунтовые воды могут быть связаны с отложениями любого возраста и состава. В массивах древних кристаллических пород и в горно-складчатых областях (кроме межгорных впадин и участков распространения рыхлых отложений значительной мощности) горизонт грунтовых вод связан, как правило,

с верхней трещиноватой зоной горных пород (литифицированные осадочные, магматические, метаморфические породы). Для этих районов при интенсивной эрозионной расчлененности рельефа (горно-складчатые области) характерны максимальные глубины залегания грунтовых вод (до 200—250 м, возможно, больше).

Зональность грунтовых вод

Учение о зональности грунтовых вод разработано российскими гидрогеологами И.В. Гармоновым, И.К. Зайцевым, B.C. Ильиным, Г.Н. Каменским, O.K. Ланге и другими. Согласно этому учению, под зональностью понимаются закономерности пространственного (площадного) изменения условий формирования и типа грунтовых вод, определяемые воздействием природных факторов, связанных с проявлением широтной климатической зональности. Впервые представления о такой зональности были высказаны В.В. Докучаевым, который считал, что грунтовые воды, являющиеся элементом ландшафта, неизбежно должны быть определенным образом связаны с широтной климатической зональностью, а также с зональностью рельефа, почвенного покрова, растительности и т.д. В 1922 г. B.C. Ильиным была составлена первая карта-схема зональности грунтовых вод европейской части России, Белоруссии и Украины, на которой в направлении с севера на юг этой территории выделены субширотные зоны: I) грунтовых вод типа тундровых; 2) "высоких" грунтовых вод севера; 3) грунтовых вод неглубоких оврагов; 4) глубоких оврагов; 5) овражно-балочной сети; 6) балок причерноморского типа; 7) балок прикаспийского типа; 8) азональные типы грунтовых вод

При выделении указанных зон и азональных типов грунтовых вод B.C. Ильиным учитывалась обшеприродная широтная зональность климатических условий территории, строение рельефа, геолого-литологические условия верхней части разреза и др. Однако собственно название выделяемых зон и положение их границ определялись на основе учета ландшафтно-геоморфологических условий рассматриваемой территории. Выделенные зоны в целом охватывают обширные территории, в пределах которых возможны различия в грунтовых водах. Однако в каждой зоне могут быть выделены общие (общезональные) закономерности условий залегания и типы грунтовых вод, характеристика которых приведена в табл. 7.6. Тем самым отнесение грунтовых вод к определенной зоне сразу дает представление об основных (наиболее общих) закономерностях их формирования, что определяет безусловное научное и практическое значение учения об их зональности, в частности и карты-схемы B.C. Ильина, со времени составления которой прошло более полувека.

В соответствии со схемой B.C. Ильина, в пределах европейской части России с севера на юг (от зоны к зоне) происходит постепенное увеличение глубины залегания грунтовых вод, уменьшение в соответствии с сокращением степени увлажнения (К) средних

годовых величин инфильтрационного питания, увеличение минерализации грунтовых вод и соответственное изменение их химического состава (см. табл. 7.6). Одним из важнейших зональных показателей является глубина залегания грунтовых вод, определяемая интенсивностью увлажнения (величины питания грунтовых вод), степенью и глубиной эрозионной расчлененности рельефа, а также строением верхней части

гидрогеологического разреза. Цифры, приведенные в табл. 7.6,

характеризуют средние глубины залегания грунтовых вод в центральных

частях междуречных пространств на определенном удалении

от крутых склонов, уступов речных террас, заболоченных понижений

(южные зоны), где глубины могут существенно отличаться.

В свою очередь глубина залегания грунтовых вод в центральных

частях междуречных пространств определяет, при прочих равных

условиях, величины инфильтрационного питания, расстояние до

основных дрен (длину путей фильтрации), особенности режима

грунтовых вод и др.

Зональные изменения минерализации (и химического состава)

грунтовых вод также определяются степенью увлажнения территории

(величины питания), глубиной их залегания и литоло-

го-геохимическим комплексом пород зоны аэрации и грунтового

горизонта. Как было сказано выше, формирование в пределах

"южных" зон сульфатных и сульфатно-хлоридных вод с минера-

лизацией до 3,0—5,0 г/л связано с наличием (сохранением) в породах

зоны аэрации относительно более растворимых соединений

(NaCl. CaS04 и др.), что объясняется значительной мощностью

зоны аэрации и малыми величинами инфильтрационного питания.

В пределах зоны прикаспийских балок (частично в зонах овраж-

но-балочной сети и причерноморских балок) резкое увеличение

минерализации и преимущественно хлоридный состав грунтовых

вод характерны для пониженных участков рельефа с неглубоким

(до 2—3 м) залеганием их уровня, где основным видом разгрузки

является испарение.

В северных более увлажненных территориях породы зоны аэрации

находятся на карбонатной стадии выщелачивания, так как в

связи с интенсивным водообменом (большие величины питания)

здесь отсутствуют условия для сохранения легкорастворимых соединений

в верхней части гидрогеологического разреза.

В схеме зональности, предложенной B.C. Ильиным, одновременно

с зональными выделены еще шесть типов (областей) азональных

грунтовых вод, условия формирования которых наряду с

зональными факторами (климат, рельеф) в решающей степени

определяются особенностями геологического строения, гидрографией

и др. К азональным типам грунтовых вод B.C. Ильиным

отнесены: трещинные воды кристаллических массивов и горно-

складчатых областей, трещинно-карстовые воды, воды аллювиальных

отложений, конечно-моренных образований, воды болот

и солончаков. Для каждого из этих типов в связи с проявлением

различных природных факторов (состав пород и строение зоны

аэрации, глубина залегания грунтовых вод, связь с поверхностными

водами и др.) характерны различные условия залегания, формирования

гидродинамического режима, минерализации и химического

состава грунтовых вод.

Схема зональности B.C. Ильина (1922) на уровне современных

требований гидрогеологической науки и состояния изученности

грунтовых вод имеет ряд серьезных недостатков. В названии выделенных

зон не отражены особенности геолого-гидрогеологических

условий территории, хотя они в некоторой мерс учитываются

при определении положения зональных границ; на территории

ряда зон могут быть выделены значительные по площади участки

с особыми условиями формирования и типами грунтовых вод,

которые не отражены в принятом масштабе схемы или вообще не

учитываются (например, при выделении азональных типов грунтовых

вод).

Дальнейшее развитие представлений B.C. Ильина о зональности

грунтовых вод выполнено O.K. Ланге, составившим первую

схему зональности грунтовых вод территории России и сопре-

дельных государств в 1947 г. (рис. 7.9). На основании особенностей

климатических условий территории O.K. Ланге выделены три

провинции зональных грунтовых вод: провинция вечной мерзлоты

с отрицательными среднегодовыми температурами; провинция с

высокой влажностью воздуха, положительными среднегодовыми

температурами и небольшой амплитудой суточных, сезонных и

годовых колебаний температуры; провинция с высокой сухостью

воздуха и большими амплитудами колебаний температуры. В пределах

каждой провинции выделение зон (полос — по O.K. Ланге)

осуществляется по различным принципам; типы азональных грунтовых

вод в целом соответствуют схеме B.C. Ильина.

На основе других принципов разработаны схемы зональности

грунтовых вод И.В. Гармонова (1948) и Г.Н.Каменского (1949),

которые учитывали главным образом распространение грунтовых

вод определенного химического состава и представление о генетических

типах грунтовых вод (основных процессах формирования

химического состава грунтовых вод). Так, И.В. Гармоновым

на территории европейской части России было выделено четыре

зоны грунтовых вод с севера на юг: I) гидрокарбонатно-кремне-

земистых вод; 2) гидрокарбонатно-кальциевых вод; 3) гидрокар-

бонатно-калыдиевых, сульфатных и хлоридных вод с подзоной

континентального засоления; 4) гидрокарбонатно-кальциевых вод

горных областей Крыма и Кавказа. Г.Н. Каменским на территории

России выделены также четыре зоны: I) фунтовые воды зоны выщелачивания;

2) зоны выщелачивания с участками вод континентального

засоления; 3) грунтовые воды зоны континентального

засоления; 4) зона выщелачивания горных районов.

На основе определенного сочетания принципов, предложенных

O.K. Ланге, И.В. Гармоновым и Г.Н. Каменским, составлена схема

зональности грунтовых вод И.К.Зайцева и М.П. Распопова (1958),

на которой выделены две провинции грунтовых вод: устойчивой

многолетней мерзлоты и отсутствия многолетней мерзлоты. В пределах

первой провинции зоны (пояса — по И.К. Зайцеву и М.П. Рас-

попову) выделены на основе типа распространения многолетне-

мерзлых пород и их мощности, в пределах второй — на основе

типа процессов формирования химического состава (выщелачивание,

вынос солей и соленакопление) с дальнейшим подразделением

по типу химического состава и величине минерализации

грунтовых вод.

На основе использования собственно геолого-гидрогеологических

принципов районирования составлена схема зональности

грунтовых вод А.Н. Семихатова и В.И. Духаниной (1958), на которой

положение границ выделенных зон определяется главным

образом распространением основных литогенетических типов

четвертичных отложений. Тип, возраст и мощность четвертичных

отложений обусловливают строение верхней части гидрогеологического

разреза, тип пород, с которыми связаны грунтовые воды,

рельеф территории, т.е. факторы, решающим образом влияющие

на условия залегания и формирования грунтовых вод.

На территории европейской части России этими авторами выделено

восемь зон грунтовых вод (рис. 7.Ю). Каждая зона характеризуется

определенными глубинами залегания, минерализацией

и химическим составом грунтовых вод.

Анализ существующих схем зональности грунтовых вод показывает,

что принципы составления этих схем до настоящего времени

разработаны еще недостаточно, и схемы зональности не дают

полного представления об особенностях условий залегания, формирования

и типах грунтовых вод. Это определяет необходимость

дальнейшей разработки проблемы формирования природной зональности

грунтовых вод, обоснования принципов составления

схем зональности, зональных характеристик видов и величин питания

и разгрузки грунтовых вод, особенностей их режима и других