РЕЖИМ И БАЛАНС ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Под режимом подземных вод понимаются закономерные изменения их ресурсов, состава и свойств (включая уровни, расходы, скорости, температуру, химический, газовый и бактериологический состав), происходящие в пространстве и во времени и отражающие процесс их формирования. Режим подземных вод — это кратковременные, сезонные, многолетние и вековые изменения их качественных и количественных показателей.

Выявление основных закономерностей таких изменений и составляет главную задачу режимных гидрогеологических наблюдений. Режим и баланс подземных вод изучаются с использованием данных стационарных гидрогеологических наблюдений при решении любых задач, связанных с оценкой, использованием и регулированием подземных вод.

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ТИПЫ РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Режим подземных вод в зависимости от характера определяющих его явлений и факторов может быть естественным (формируется под влиянием комплекса естественных факторов), нарушенным (определяется главным образом инженерно-хозяйственной деятельностью человека) и смешанным, формирующимся под влиянием комплексного воздействия естественных и искусственных факторов.

Режим подземных вод — это процесс, происходящий в определенных условиях под действием природных и искусственных (созданных человеком) факторов. К природным относят космогенные, климатические (метеорологические), гидрологические, биогенные и эндогенные (землетрясения, вулканические извержения) факторы, к искусственным — обводнение, осушение и орошение территорий, подпор со стороны водохранилищ, кратковременный водоотлив при строительстве, сброс промышленных и бытовых вод, законтурное заводнение, откачки (табл. 9.1).

Все эти факторы проявляются в определенных условиях, к которым относятся тектоническая структура, геологическое строение, литологический состав пород, рельеф, почвы и др. Эти условия изменяются настолько медленно, что при изучении годового, сезон-

Факторы формирования режима подземных вод [21]

Таблица 9.7

Группа

процессов

Факторы

Агенты воздействия

Экзогенные

Природные:

космические

Солнечная активность, приливные силы Луны и других планет

климатические

Атмосферные осадки, влажность, температура

гидрологические

Режим поверхностных вод (моря, озера, реки)

гидрогеологические

Гидрогеологические условия (глубина залегания уровня грунтовых вод, строение зоны аэрации, наличие водонепроницаемых пород)

геологические

Влияние геологического строения территории и рельефа (открытый карст, суффозия), предгорные территории

биогенные

Наличие почвенного покрова, влияние растительности и животных организмов

Эндогенные

Геологические

Влияние геологического строения территории (формы рельефа, тектоническая структура, литологическое строение)

Тектонические

Эпейрогенические колебания земной коры, тектонические движения, вулканическая деятельность, землетрясения

Экзогенные

Искусственные:

гидромелиорация

(орошение)

Подъем уровней грунтовых вод

гидромелиорация

(осушение)

Снижение уровней грунтовых вод

Строительство гидротехнических сооружений

Создание водохранилищ и возникновение подпора грунтовых вод

Водоотлив при строительстве горнорудных сооружений

Понижение уровней подземных вод при откачке

Сброс промышленных и бытовых вод

Подъем уровней грунтовых вод и возможное загрязнение

ного, месячного и суточного режимов их можно считать постоянными.

Естественный и смешанный режимы подземных вод имеются на большей части территории России. Нарушенный режим наблюдается на локальных участках там, где решающим фактором в создании режима подземных вод является инженерная деятельность человека (орошение, осушение, гидротехническое строительство, действие водозаборных и дренажных сооружений и т.п.).

Космогенные факторы. Внеземные факторы оказывают влияние на режим многих процессов, происходящих внутри Земли и на ее поверхности. Это влияние прослеживается и при анализе многолетнего режима подземных вод. Так, 11-летние циклы колебаний их уровня связываются с изменением активности Солнца. В приморских районах прослеживается влияние Луны на режим уровня моря и грунтовых вод (приливы и отливы). В целом влияние космогенных факторов на режим подземных вод изучено пока недостаточно.

Климатические факторы. Материалами исследований подтверждается влияние количества, интенсивности и состава атмосферных осадков на глубину залегания уровня, химический состав и расход (запасы) грунтовых вод. Графики колебаний их уровня для различных районов России хорошо иллюстрируют эти закономерности. Наблюдения, проведенные в областях с сезонным промерзанием почв и подпочв, показали, что изменение мощности зоны аэрации практически не сказывается на начале весеннего подъема уровня грунтовых вод — все зависит от широты, на которой находится район.

Гидрологические факторы оказывают решающее влияние на режим подземных вод на территориях, расположенных вблизи поверхностных водоемов и водотоков. Режим грунтовых вод определяется режимом поверхностных вод в реках, озерах. Гидравлическая связь между поверхностными и грунтовыми водами может быть различной. В одних случаях грунтовые воды могут питать поверхностные, а в других — пополняться за их счет. Первый вариант типичен для избыточно влажной, влажной и недостаточно влажной зон в период меженного уровня в реках и водоемах.

Геологические факторы — это относительно быстро протекающие геологические процессы, которые могут резко изменить условия залегания подземных вод и повлиять на их режим. К таким процессам относятся прежде всего эндогенные процессы — землетрясения и вулканические извержения. В результате землетрясений происходит резкое изменение уровней и расходов воды в сква

жинах и родниках, появляются новые и исчезают существовавшие до землетрясения родники.

Растительность (особенно лесная), животные и микроорганизмы также оказывают влияние на режим грунтовых вод. Растительность поглощает значительное количество подземной воды, а испаряет ее через листья. В то же время лесная подстилка задерживает влагу, способствует медленной инфильтрации и препятствует плоскостному смыву, является регулятором водного режима, защищает поля от ветровой и водной эрозии, роста оврагов, движения песков. Особенно велика роль древесной растительности в предохранении степей от периодических засух и эрозии.

Отмеченные выше факторы проявляются в определенных условиях. К ним относятся рельеф, геологические условия и почвы.

Рельеф. Глубина залегания уровня подземных вод и скорость водообмена в основном определяются рельефом. Для расчлененной и гипсометрически приподнятой территории при прочих равных условиях характерны большие скорости водообмена и условия, благоприятные для формирования пресных вод. В условиях мелкобугристого рельефа на равнинах скорости водообмена и глубина уровня подземных вод меньше. Здесь формируются более минерализованные воды.

Геологические условия. К ним относятся тектонические структуры, геологическое строение и состав горных пород. Тектоника в значительной степени определяет направление и скорость передвижения подземных вод. В платформенных областях они зависят от мощности, состава и условий залегания осадочного чехла.

В горно-складчатых областях с наличием разрывных дислокаций (разломов) наблюдаются гидравлическая связь между водоносными горизонтами и большие скорости водообмена, чем на платформенных территориях. В таких областях в пределах синклиналей и моноклиналей формируются напорные воды. При этом углы наклона горных пород в десятки раз превышают соответствующие углы в осадочном чехле платформ, где они составляют не более 2°.

Литологический состав горных пород оказывает большое влияние на качество подземных вод и условия водообмена между водоносными горизонтами. Их влияние на состав подземных вод хорошо видно при наличии растворимых в воде пород (известняков, гипса, каменной соли) или растворимых минералов (галита, гипса, доломита, кальцита) в составе нерастворимых пород. По составу подземные воды могут быть хлоридными натриевыми (галит), сульфат

ными кальциевыми (гипс), гидрокарбонатными магниево-кальциевыми (доломит) или гидрокарбонатными кальциевыми.

Наличие водонепроницаемых пород способствует изоляции водоносных горизонтов. К таким породам, например, можно отнести суглинки или глины, неслоистые с включением обломков скальных и полускальных пород (морена).

Почвы оказывают влияние на режим верховодки и грунтовых вод. Так, в избыточно влажной зоне грунтовые воды обычно весьма пресные, богатые органическими кислотами, кислые, агрессивные. Почвы здесь нередко торфяные, содержащие закисные соединения железа, метан и сероводород. В недостаточно влажной и сухой зонах распространены сероземы. Здесь преобладают процессы испарения, ведущие к засолению, поэтому распространены солончаковые и солонцовые почвы. Грунтовые воды при инфильтрации через зону аэрации обогащаются хорошо растворимыми солями (хлоридами и сульфатами).

Изучение режима подземных вод позволяет определять:

  • • необходимые для прогнозов режима связи и зависимости элементов режима от природных и искусственных факторов или их совокупности;
  • • отдельные элементы водного баланса, используемые при обосновании водохозяйственных мероприятий и в расчетах водных балансов;
  • • характер и степень влияния инженерной деятельности человека на подземные воды и связанные с изменением их режима явления и процессы (для обоснования наиболее рациональных путей управления режимом подземных вод, их использования, охраны и регулирования).

Под балансом подземных вод понимают соотношение между их поступлением (приходная часть) и расходованием (расходная часть) в количественном выражении (в мм или м3/га) на той или иной площади за определенный период.

Изучение элементов водного баланса и выявление его основных факторов создает основу для управления режимом подземных вод. В свою очередь, анализ режима подземных вод позволяет количественно определять элементы водного баланса (инфильтрацию, испарение, подземный сток) и составлять точные водно-балансовые расчеты.

Задачи изучения режима и баланса подземных вод чрезвычайно многообразны. Без знания условий формирования подземных вод, их режима и баланса невозможно эффективное и научно обоснованное решение ни одной гидрогеологической задачи.

Только стационарные гидрогеологические исследования режима и баланса подземных вод позволяют: дать количественную характеристику процессов их формирования, выявить основные закономерности пространственно-временного изменения их количества, качества и свойств, применить эти закономерности для наиболее рационального использования и охраны подземных вод, разработать мероприятия по борьбе с их вредным воздействием и способы управления их режимом.

Данные режимных наблюдений являются основой для гидрогеологического обоснования и инженерных прогнозов всех видов инженерной деятельности, связанных с использованием и регулированием подземных вод (водоснабжения, орошения, осушения, дренажа, гидротехнического строительства, разработки месторождений полезных ископаемых и т.д.). В России действует государственная опорная сеть наблюдательных пунктов, включающая около 100 режимных станций и свыше 25 тыс. наблюдательных пунктов. Кроме того, режимные наблюдения осуществляют многие ведомства и организации на массивах орошения и осушения, в пределах эксплуатируемых месторождений минеральных вод, твердых полезных, ископаемых, нефти, газа, на действующих водозаборных и гидротехнических сооружениях и т.д.

По мере роста гидрогеологической изученности территории России, дальнейшего развития сети режимных наблюдений и совершенствования методов обработки и использования исходной информации значение стационарных гидрогеологических исследований будет постоянно возрастать, и они станут одним из главных видов полевых гидрогеологических исследований, обосновывающих решение разнообразных народнохозяйственных задач.

Специализированная сеть наблюдательных пунктов необходима для исследования режима и прогнозирования его изменений в связи с решением конкретных вопросов:

  • • в орошаемой зоне — для обоснования мероприятий по борьбе с засолением и заболачиванием земель, составления прогноза режима подземных вод и разработки рекомендаций по регулированию водного и солевого балансов;
  • • на заболоченных землях и землях, к ним прилегающих, — для обоснования мероприятий по осушению;
  • • в зоне влияния крупных водохранилищ и каналов — для предупреждения мелиоративного состояния земель, связанного с подтоплением и переработкой берегов водохранилищ;
  • • в районах крупных водозаборов — для оценки эксплуатационных запасов подземных вод;
  • • в районах использования минеральных и промышленных вод — для разработки мероприятий по охране этих вод от загрязнения и истощения;
  • • в пределах крупных городов, в районах сброса промышленных и бытовых вод в поглощающие водоносные горизонты — для разработки мероприятий по охране окружающей среды от загрязнения;
  • • в районах добычи полезных ископаемых с помощью шахт и карьеров — для оценки и прогнозирования водопритока при осушении подземных выработок;
  • • при поисках и разведке полезных ископаемых с помощью подземных вод — как индикатора для обнаружения отдельных видов месторождений;
  • • в районах лесных насаждений и лесных полос — для оценки изменения их экологического состояния;
  • • в районах развития многолетнемерзлых пород — для исследования режима вод многолетней мерзлоты.

Закономерности изменения основных показателей и параметров

режима определяются режимообразующими факторами. Так, грунтовые воды, находящиеся обычно вблизи поверхности земли, характеризуются более интенсивными колебаниями показателей режима (главным образом уровня), поскольку они тесно связаны с климатическими факторами и поверхностными водами.

Напорные воды, залегающие ниже грунтовых вод, обычно имеют связь с поверхностными водами и атмосферой только в областях питания и разгрузки. Режим их мало подвержен влиянию климатических и гидрологических факторов. В естественном многолетнем режиме напорных вод проявляются вековые изменения режимообразующих факторов.

Существуют различные классификации режима подземных вод, разработкой которых занимались многие ученые и исследователи: М.Е. Альтовский, Г.Н. Каменский, В.С. Ковалевский, А.А. Коноп- лянцев, М.М. Крылов и др. В основу классификаций были положены различные принципы. Наиболее обоснованным представляется генетический принцип выделения типов режима по количественному соотношению главных факторов.

Питание подземных вод зависит от величины инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод, подземного бокового притока, а иногда притока снизу, т.е. перетекания из напорного водоносного горизонта. Расходование воды из водоносного горизонта происходит при испарении и транспирации воды растениями, а также вследствие подземного оттока. Воздействие режимообразу

ющих факторов в определенных естественных или измененных человеком условиях приводит к характерному для каждой территории соотношению процессов питания и расходования подземных вод.

Естественные типы режима. Применительно в основном к грунтовым водам в зависимости от главного фактора выделяют следующие типы режима: климатический; гидрологический; гидрогеологический; предгорный, карстовый или поглощения; напорного питания; смешанный.

Климатический тип режима. Главными факторами климатического режима являются атмосферные осадки, температура и дефицит влажности воздуха. Наблюдается он на участках, удаленных от водотоков и водоемов, при небольшой глубине залегания уровня грунтовых вод. Первый подтип характерен для районов многолетней мерзлоты, где влага в деятельном слое только летом на краткий срок становится жидкой и приобретает подвижность. Воды пресные и ультрапресные. Второй подтип имеет наибольшее распространение и наблюдается на территории южнее зоны многолетней мерзлоты, в зоне сезонного промерзания, в районах избыточного, неустойчивого и частично недостаточного увлажнения.

Гидрологический тип режима (по Г.Н. Каменскому, прибрежный). Такой тип режима характерен для участков, прилегающих к водотокам и водоемам (озерам, рекам, морям). Колебания уровня грунтовых вод следуют иногда с некоторым отставанием за колебаниями уровней воды в водотоках. В период паводков на реке происходят подпор и питание грунтовых вод речными водами. В межень грунтовые воды обычно питают реки.

Гидрогеологический тип режима (по М.М. Крылову, стоковый). Распространен на участках, удаленных от водотоков и водоемов, с глубоким залеганием уровня грунтовых вод (более 8 м), в пределах недостаточно влажной и сухой зон при условии, что зона аэрации сложена слабопроницаемыми породами (лёссы, суглинки, супеси). Он характерен и для напорных, и межпластовых ненапорных вод.

Предгорный, карстовый, или режим поглощения (по Г.Н. Каменскому), распространен в районах с открытым карстом, в пределах конусов выноса и предгорных равнин, с преобладающими в разрезе гравийно-галечниковыми отложениями. Неравномерное поглощение атмосферных осадков и поверхностных вод в сочетании с интенсивным подземным стоком приводит здесь к резким колебаниям уровня грунтовых вод (амплитуда составляет 5—10 м, а иногда и больше).

Режим напорного питания наблюдается на участках, где главным фактором режима является питание грунтовых вод снизу, за счет

напорных вод. Режим грунтовых вод в основном следует режиму подстилающего горизонта напорных вод.

Смешанный тип режима имеет место на участках, где на режим подземных вод в равной степени влияют несколько отмеченных выше природных факторов.

Особенности режима напорных вод. В горизонтах напорных вод проявляется так называемый упругий режим, при котором на пьезометрический уровень оказывает влияние изменение упругости воды и пористости водоносной породы. Упругий режим может быть обусловлен естественными и искусственными факторами. К первым можно отнести изменение атмосферного давления и уровня грунтовых вод в области питания, морские приливы и отливы, землетрясения. Искусственным фактором является водозабор из водоносного горизонта.

Нарушенные типы режима. Естественные типы режима грунтовых вод могут нарушаться при вмешательстве человека в природную среду в связи с орошением полей; осушением заболоченных земель; отбором подземных вод для питьевого, технического и сельскохозяйственного водоснабжения; строительством инженерных, в том числе гидротехнических, сооружений; осушением территории при разработке полезных ископаемых с помощью шахт или карьеров.

Инженерно-строительная деятельность человека и другие техногенные причины изменяют естественные режимообразующие факторы и способствуют возникновению новых — так формируется искусственный (или нарушенный) режим подземных вод.

Деятельность человека может проявляться в повышении и в понижении уровня подземных вод, в изменении их химического состава, расхода и температуры. Основное внимание при инженерногеологических исследованиях уделяется изучению уровенного режима подземных вод. Повышению уровня подземных вод способствуют строительство водохранилищ и других искусственных водоемов, орошение, утечка воды из подземных сетей водонесущих коммуникаций, промышленных бассейнов, водохранилищ и т.д. Под влиянием искусственных (антропогенных) факторов уровни подземных вод могут подниматься на 10—15 м и более. Особенно значительно обводняющее действие крупных водохранилищ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >