14.3. Рівняння водного балансу підземних вод

Для будь-якої водозбірної площі можна визначити кількість води, що прибуває і витрачається протягом деякого часу. Співвідношення між ними становить водний баланс, який описують рівнянням Пенка–Оппокова:

P=H+S +ΔR, (122),

де Р – кількість опадів на території за конкретний період, мм та км³; Н – стік з цієї території, мм та км³; S – втрати, мм та км³; ΔR – різниця ретенцій на початок і закінчення балансового періоду, мм і км³.

До втрат належать випаровування, незворотні втрати води на споживання й ті кількості води, які тим чи іншим способом виходять з балансову територію.

Баланси складають для всього водозбірного басейну або його частини на одно- чи багаторічний період. Сума водних балансів окремих басейнів утворюює баланс області, регіону чи держави загалом. Складання водного балансу становить наукову основу планування водного господарства.

Проте рівнянням (122) не враховані всі елементи балансу. До лівої його частини треба додати кількість конденсованої водяної пари в зоні аерації Р_к,, надходження води до балансової території з сусідніх територій Z. У витратну частину рівняння потрібно ввести відплив води поверхневими водотоками Н_п, підземний відтік води з балансової території до сусідніх Н_с, випаровування з вільних водних поверхонь Е_в та внутрішньоґрунтове випаровування в зону аерації й відтак ватмосферу Е_ґ , споживання води рослинністю і транспірацію Т, незворотне споживання води господарством G.

Тоді розширене рівняння водного балансу набуде вигляду

Р_а+Р_к+Z+R₁=H_n+H_c+E_в+Е_ґ+Т+G+R₂ (123),

де ΔR=R₁+R₂.

Частину складників водного балансу можна визначити безпосередніми вимірюваннями, інші – опосередкованими методами. Усіх їх обчислюють на одиницю площі досліджуваної поверхні, в кілометрах кубічних на кілометри квадратні (км³/км²) і міліметрах товщини умовного водяного стовпа. Використовують також об’єми води, віднесені до одиниці поверхні за певний проміжок часу (л/с^.км²). Приклад водного балансу за рівнянням Пенка–Оппокова наведений утаблиці 13.

Таблиця 13.

Приклад водного балансу досліджуваної території

Надходження води				Витрата води
Складники балансу	мм	км3	%	Складники балансу	мм	км3	%
Опади	500	602	98,74	Відплив	157,0	189,0	31,0
Надходження з-поза меж території	6,4	7,7	1,26	Втрати	349,4	420,7	69,0
Разом	506,4	609,7	100,0	Разом	506,4	609,7	100,0

Закономірності формування та генетичні типи режиму ґрунтових вод в різних кліматичних умовах. Штучний гідрогеологічний режим на меліоративних землях. Регіональні особливості водообміну в пустельних і напівпустельних районах, в районах з природно-інтенсивним та природно-низьким дренуванням, в перезволожених районах. Зональність та азональність ґрунтових вод. Окислювально-відновні процеси в ґрунтах та їхній сольовий режим. Закислення і засолення ґрунтів. Формування шарів” калькрет.

Б а л а н с о м пiдземних вод називають спiввiдношення кiлькостi води, яка поповнила запаси пiдземних вод певного об’єму водоносної гiрничої породи, з кiлькiстю води, витраченою з цих запасiв за деякий перiод часу.

Для мелiоративних цiлей найчастiше вивчають баланс грунтових вод, так як саме цi води першi вiд денної поверхнi, i якраз вони в основ­ному зумовлюють водно-повiтряний режим грунтового шару.

Баланс грунтових вод вивчають двома методами: експери-ментальним (при якому кожна складова балансу визначається безпо-середньо вимiрюваннями) i методом, який грунтується на аналiзi коливань рiвнiв водонос­ного горизонту. Баланс грунтових вод визначають на балансових дiлян­ках (площа їхня складає до кiлькох десяткiв гектарiв), якi за своїми гiдрогеологiчними умовами характернi для усього мелiорованого маси­ву.

Основними прихiдними елементами (складовими) балансу грунто-вих вод слiд вважати поступлення за рахунок: а) атмосферних опадiв, якi iнфiльтруються крiзь зону аерацiї; б) фiльтрацiї води з поверхневих водотокiв та водойм; в) штучних заходiв (зрошення тощо); г) підземного притоку; д) підживлювання нижчезалягаючими водоносними горизонтами; е) конденсації пари води в зоні аерації.

Основними витратними елементами балансу є витрати на: а) випаровування із зони аерації; б) транспірацію води рослинністю; в) водозабори та дренуючі споруди; г) пiдземний вiдтiк; д) живлення нижче­залягаючих водоносних горизонтiв; е) живлення джерел.

Загальна змiна запасiв води на дослiджуванiй територiї дорiвнює сумi всiх елементiв водного балансу (прихiдних - зi знаком “+”; витратних - зi знаком “-”).

У рівнянні водного балансу (123) загальний відплив поверхневим стоком складається з поверхневого стоку і підземних вод, що витікають з джерел і доповнюють поверхневий стік. Підземний стік часто визначають модулем підземного стоку (дм³/с^.км²). Модуль підземного стоку змінюється вшироких межах залежно від геоморфологічних, геологічних і гідрогеологічних умов. На території масиву Українського щита він змінюється в межах 0,6–0,8 дм³/с^.км², Волинсько-Подільського водонапірного басейну – від 0,6 до 1,64, Дніпровсько-Донецького – 1,6–8,0 дм³/с^.км² (Гидрогеология СССР, 1971).

Підземний стік відбувається постійно, однак нерівномірно в часі. У вологі роки опади переважають над відпливом і випаровуванням, що створює певні запаси води, які накопичуються під землею, що супроводжується підняттям дзеркала ґрунтових вод. У маловодні роки кількість опадів є меншою від випаровування і відпливу, що позначається недобором у водному балансі, який покривається підвищенням дренування підземних вод і зниженням їх дзеркала нижче багаторічного середнього рівня. Такі ж явища спостерігаються і протягом року. Вони створюють проблему кількісної участі підземних вод у водному балансі, яка визначається відношенням величини підземного стоку до кількості опадів. Це відношення називається коефіцієнтом підземного відпливу, який залежно від гідрогеологічних умов коливається в широких межах від перших одиниць до перших десятків відсотків.

Розглядаючи збільшення і зменшення кількості підземних вод на певній території, визначаємо баланс підземних вод, який складається з прихідної і витратної частин. До першої відносяться поповнення запасів підземних вод за рахунок інфільтрації атмосферних опадів та танення снігу, вод поверхневих водотоків і водойм, конденсування водяної пари в зоні аерації, припливу підземних вод із сусідніх ділянок тощо. Витрати води складаються з дренування джерелами і поверхневими водотоками, підземного випаровування до зони аерації і відтак до атмосфери, поглинання води рослинами, відпливу води до сусідніх ділянок, експлуатації водозаборів, кар’єрів, копалень.

З рівняння водного балансу (123) прихід або витрата води ΔR=P–S–H. Це означає, що коли Р–S–H=0, жодних кількісних змін не відбулося. Якщо ΔR матиме додатне значення, це означає, що частина води пішла на поповнення запасів, натомість від’ємне значення цієї величини свідчитиме про те, що випаровування і відплив води превалюють над опадами і запаси води зменшилися.

Найбільші кількості запасів води припадають на її затримання у ґрунтах. Його зміни визначаються змінами позначки дзеркала вод h, яке може збільшуватися (приплив води) або зменшуватися (відплив води) у порівнянні з початковою величиною. Крім позначки рівня підземної води потрібно знати коефіцієнти загальної і молекулярної вологоємності W_з i W_м. Тоді зміна запасів води визначиться, як добуток (W_з–W_м)h.

Крім того певна кількість води міститься в зоні аерації (води, що просочуються, капілярні води, верховодка тощо). Ці зміни позначимо літерою L. Вода також може бути затримана на денній поверхні у вигляді снігу, різних водойм. Ці зміни позначимо літерою F.

Тоді:

ΔR=(W_з–W_м)h+L+F (124)

Звідси баланс змін запасів вод на досліджуваній ділянці визначиться з рівняння:

P–S–H = (W_з –W_м )h + L+F, a

(W_з –W_м)h = H –S– (H+F+L). (125)

Зміни поверхневої ретенції у порівнянні зі зміною ґрунтової ретенції є малими і ними можна знехтувати. Тому остаточно:

(W_з –W_м)h = H – S – H (126),

звідки:

(W_з – W_м) h = P – (H + S + L). (127).

Рівняння (126) і (127) є рівняннями балансу підземних вод. Перше з них охоплює води в зонах аерації і насичення, а друге – тільки води в зоні насичення. З метою визначення змін протягом гідрологічного року слід використовувати середні багаторічні кількості опадів, стоку, випаровування і змін положення дзеркала ґрунтових вод, виражених в міліметрах.