Режим подземных вод

Под режимом подземных вод понимается изменение их со­стояния и поведения во времени и пространстве. Наиболее важными показателями режима являются уровень, расход, гидравлический градиент, температура, газовый и химический состав, минерализа­ция и вязкость подземных вод. Эти показатели изменяются под влиянием природных и техногенных процессов, что соответственно обусловливает существование естественного и нарушенного режима подземных вод. Нередко наблюдаются комбинации названных фак­торов. Так, в частности, выделяется слабонарушенный режим, при котором подземные воды под воздействием техногенных факторов, хотя несколько меняют поведение, но сохраняют основные законо­мерности естественного режима. Возможны и другие комбинации такого взаимодействия.

Разработаны методы определения некоторых гидрогеологи­ческих параметров по результатам изучения режимных показателей.

265

К таким параметрам относятся коэффициент фильтрации, коэффи­циент водоотдачи, коэффициент инфильтрации, годовые амплитуды колебания уровня, минерализации и состава подземных вод. По этим данным могут быть оценены ресурсы подземных вод, приходные и расходные статьи водного баланса, гидродинамические и гидрохи­мические условия водоносных систем.

Изучение режима подземных вод является одной из много­численных ветвей комплексного изучения окружающей среды. В этот комплекс входят разнообразные наблюдения, в том числе за климатическими показателями (состав и температура воздуха, коли­чество выпадающих осадков, испарение и др.), растительностью, почвой, физико-геологическими процессами, гидрогеологическими показателями (уровень, расход, состав поверхностных вод), радио­генной обстановкой и многое другое. Эти исследования проводятся по разным программам: экологическим, санитарно-гигиеническим, природоохранным, недропользования и др. Их цель - обеспечение контроля и качества окружающей среды, оценка ее состояния, про­гнозирование возможных изменений при антропогенных процессах. Все они в совокупности образуют систему мониторинга окружаю­щей среды, которая проводится на четырех уровнях: детальном, ло­кальном, региональном и федеральном.

Детальный мониторинг представляет собой систему наблю­дений и измерений на различного рода объектах (предприятиях, ме­сторождениях, хозяйственных комплексах и т.п.). Локальный мони­торинг как следующая ступень режимных исследований объединяет в систему детальный мониторинг объектов и выводит его на новый уровень, районный, городской. При объединении систем локального мониторинга в региональную обобщают результаты исследований на территории области, нескольких областей, края или федерального округа. Самой высокой ступенью мониторинга является его госу­дарственный уровень. Система регионального мониторинга объеди­няется в государственную сеть, образуя общефедеральный уровень мониторинга. На каждой ступени мониторинга природной среды исследования проводятся по определенной программе с соблюдени­ем регламентируемых требований и правил по изучению пунктов наблюдений, включенных в режимную сеть того или иного уровня.

Мониторинг природной среды дает весьма важную инфор­мацию об условиях формирования ресурсов и состава подземных вод. Для многих ландшафтно-климатических районов получены многолетние ряды таких наблюдений (за 50-70 лет). Корреляцион­ная связь, которая устанавливается между географическими, геоло­гическими и гидрогеологическими показателями, позволяет оцени­вать направленность природных процессов и прогнозировать их из­менения в будущем.

Итак, изучение режима подземных вод позволяет дать инте­гральную характеристику воздействия природной среды на подзем­ную гидросферу. Поэтому изучение поведения и состояния подзем­ной гидросферы на контакте с другими оболочками Земли (атмо-, лито-, био- и наземной гидросферы) решает общие задачи. Главной среди них является установление пространственно-временных зако­номерностей формирования подземных вод. Зная эти закономерно­сти, можно оценивать ресурсы подземных вод, изменения химиче­ского состава и минерализации подземных вод при их движении по пласту, изучать взаимосвязь подземных и поверхностных вод, в том числе морских, общую гидрогеодинамическую обстановку, условия питания и взаимодействия водоносных горизонтов. Обладая этой информацией, можно решать некоторые практические задачи, на­пример, выделять территории, благоприятные для строительства оросительно-мелиоративных систем, водозаборов, размещения шахтных и карьерных полей, а также пригодные для различных ви­дов промышленного, гражданского и другого строительства.

Специализированные исследования и прогноз режима под­земных вод используются для решения многообразных приклад­ных проблем:

• подсчет режимных и балансовых показателей при выборе оптимальных условий работы водозаборных и осушительных со­оружений;

• обоснование водохозяйственных мероприятий по борьбе с засолением и заболачиванием почв на участках оросительных и осушительных систем;

• прогнозирование водопритоков в горные выработки с уче­том режимообразующих факторов;

• изучение режима подземных вод в прибереговой зоне рек и водохранилищ в связи с возможностью подтопления зданий и со­оружений, образования оползней и карста;

• изучение режима подземных вод в районах загрязнения и истощения водоносных горизонтов при эксплуатации месторожде­ний пресных, минеральных и термальных вод;

• изучение режима подземных вод и криогенных процессов в районах развития многолетней мерзлоты в связи с хозяйственным освоением этих территорий.

Изучение режима подземных вод общего направления соот­ветствует региональному и федеральному уровню исследований, а специализированного назначения - их детальному и локальному уровням. Этим самым регламентируется и масштаб проведения та­ких работ. Решение общих задач требует обычно проведения иссле­дований в масштабе 1:200 ООО и мельче, а специализированных за­дач - в масштабе 1: 50 ООО и крупнее.

Режимообразующие факторы. А.А. Коноплянцев и С.М. Се­менов [20] выделяют шесть групп режимообразующих факторов: геологическую, космогенную, климатическую, биологическую, гидрологическую и искусственную. При оценке роли указанных факторов важное значение имеет длительность и интенсивность их воздействия.

Влияние геологического фактора следует рассматривать комплексно: в геолого-структурном аспекте, с точки зрения про­цессов тектонических движений, уплотнения пород при литоге­незе, изменения гравитационного поля. Быстрее всего реагируют подземные воды на физико-геологические процессы: карстовые, суффозионные, оползневые, вулканические, неотектонические, сейсмические. Космический фактор относится к числу длитель­но и ритмически действующих. Его участие в режимообразова- нии связано с движением Земли по гелиоцентрической и галак­тической орбитам. Эти движения регулируют многие процессы на поверхности Земли и в ее недрах. Их проявление имеет се­зонный, многолетний и многовековой характер. Влияние клима­тического фактора на режим подземных вод особенно заметно. Оно сказывается, прежде всего, на водном и тепловом балансе в

верхних водоносных горизонтах. Биогенный фактор связан с уча­стием живых организмов в жизни подземных вод. Его влияние про­является в почвообразовательных процессах и в различных формах деятельности живой природы. Гидрологический фактор действует на участках контакта поверхностной и подземной гидросфер. Моря, озе­ра, водохранилища, реки обычно гидрологически связаны с подзем­ными водами и взаимно влияют на режим друг друга. Хотя воздейст­вие искусственного фактора на режим подземных вод началось срав­нительно недавно - в антропогене, оно становится все более обшир­ным и глубоким. Заметим также, что антропогенная нагрузка отличается разнообразием видов ее проявления, которое может быть механическим, физическим, химическим, биологическим и т.п.

Как было указано выше, большинство из перечисленных ре­жимообразующих факторов оценивается при изучении мониторинга окружающей среды. Функционирующая сеть наблюдений разных уровней дает важную пространственно-временную информацию ре­жимообразующих факторов. Благодаря ей создается более или менее ясное представление об условиях формирования режима подземных вод и, что еще очень важно, о причинах и циклах его проявления. При изучении режима подземных вод наибольшее внимание уделя­ется кратковременно возникающим циклам (эпизодическим, сезон­ным, годовым и многолетним). Например, устанавливается связь между началом таяния снегового покрова и подъемом уровня грун­товых вод, между наводнениями в реках и образованием зоны под­пора подземных вод, между началом устойчивой отрицательной температуры воздуха и образованием сезонной мерзлоты.

Наличие тесной корреляционной связи между различными компонентами режима подземных вод и действием режимообра­зующих факторов является основой для прогнозирования поведения подземных вод и расчета соответствующих параметров. Подземные воды подчиняются не только циклическим закономерностям, но и влиянию географической зональности, которая проявляется сле­дующим образом:

• в разновременности наступления в различных ландшафтно­климатических зонах положения характерных уровней грунтовых вод, связанных с периодами их питания и разгрузки;

• в зависимости годовой амплитуды колебаний уровня грун­товых вод от климатических условий, мощной сезонной аэрации и водопроницаемости пород;

• в зависимости времени начала весеннего подъема уровня грунтовых вод от наступления периода устойчивых и положитель­ных температур воздуха и таяния снежного покрова.

Пространственные изменения особенностей режима грунто­вых вод зависят не только от влияния географической зональности, но также и от высотной поясности, структурно-гидрогеологических условий, расчлененности рельефа и других факторов.

Главными единицами режима подземных вод по классифи­кации, предложенной А.А.Коноплянцевым и С.М.Семеновым [20], являются типы, режимы подземных вод и провинции их распростра­нения. Их выделяют на основании закономерностей изменения на изучаемых территориях теплового и радиационного балансов, кото­рые контролируют сезонные и среднегодовые температуры воздуха, а, следовательно, и промерзание зоны аэрации и условия питания грунтовых вод. Тип режима устанавливается по особенностям пита­ния грунтовых вод:

• кратковременного, преимущественно летнего питания, по­скольку он формируется в условиях многолетней мерзлоты, остров­ной, таликовой и сплошной;

• сезонное питание, в основном в весенний и осенний пе­риоды (зимой в верхней части разреза образуется зона сезонной мерзлоты);

• круглогодичное, преимущественно зимнее питание, на­блюдаемое в районах теплого климата (Средняя Азия, Закавказье).

По степени интенсивности и особенностям водного питания каждый тип делится на четыре подтипа режима: обильного, умерен­ного (или переменного), скудного (или недостаточного) и гидроло­гического. Если первые три подтипа формируются под влиянием климатического фактора (соотношение выпадающих осадков и ис­парения), то гидрологический тип зависит не только от атмосфер­ных процессов, но и от питания из водотоков и водоемов.

В каждом подтипе выделяются классы режима по степени дренированное™ водоносных систем: слабо дренированный, дрени­

рованный и сильно дренированный. Наиболее важное значение для определения класса режима имеет степень расчлененности рельефа.

Режим напорных вод. Связь напорных вод с земной по­верхностью затруднена, поэтому воздействие климата и поверхно­стных вод проявляется в сглаженном виде и обычно сдвинуто во времени. Влияние сезонных изменений на режим напорных вод бы­стро затухает с глубиной. Слой постоянных годовых температур располагается на глубине 7-15 м. Сезонные колебания уровня под­земных вод, изменения химического состава наблюдаются в области питания напорного водоносного горизонта. Интегральной характе­ристикой связей напорного водоносного горизонта с земной поверх­ностью может служить степень его дренированности. По этому по­казателю напорные водоносные горизонты инфильтрационного типа (см. рис.34) делятся на хорошо проточные, проточные и слабо про­точные. Количественно мера проточности водоносной системы мо­жет быть установлена с помощью действительной скорости движе­ния подземных вод или продолжительности цикла водообмена.

Ранее в нашем изложении материал систематизировался с учетом структурно-гидрогеологических условий. Однако в иерархии показателей, характеризующих режим подземных вод, структурно­гидрогеологические условия не считаются ведущими. Главное вни­мание уделяется гидрогеологическим компонентам, испытывающим сильное воздействие режимообразующих факторов. Такими компо­нентами являются воды зоны аэрации и грунтовые воды, которые распространены во всех типах гидрогеологических структур суши.

3. ИСТОЧНИКИ

Источником называется естественный выход подземных вод на земную поверхность. Частичной альтернативой этого термина могут быть термины родник, который используется для характери­стики выхода пресных вод, и ключ - фонтанирующий восходящий выход холодных подземных вод.

Последний этап формирования подземных вод перед выхо­дом их на земную поверхность зависит от особенностей водоносных систем. Источник замыкает водосборную площадь, с которой вода

стекает к месту его выхода. Выработано понятие о минимальных размерах водосборной площади, необходимых для образования ис­точника. Чем больше эта площадь, тем более стабильны показатели, характеризующие этот источник. Иными словами, площадь водо­сбора источника регулирует возможность существования временно действующего или постоянно функционирующего источника. Весь­ма важное значение для образования источника имеет степень рас­члененности рельефа или глубина вреза эрозионной сети. В связи с этим часто используется понятие базиса дренирования водоносных систем, которое соответствует положению ложа реки, озера, водо­хранилища, моря. Если водоносные системы находятся выше вреза реки, уровня озера, водохранилища, моря, происходит свободная разгрузка подземных вод, их вытекание на поверхность в виде ис­точников; если разгрузка происходит ниже вреза поверхностных вод, следует говорить о скрытом, или субаквальном, дренировании водоносных систем.

Показателем степени дренированности территории (см. гл.З), является плотность гидрографической сети, заболоченность и озер- ность территории. Из сказанного следует, что образование источни­ков есть результат сочетания аридносги — гумидности климата и сте­пени расчлененности рельефа. Меньше всего глубина вреза эрозион­ной сети в Западной Сибири (30-40 м). На Восточно-Европейской равнине она увеличивается до 100-150 м, а в Восточной Сибири даже до 200 м и более. Поскольку глубина вреза речной сети является про­дуктом неотектонических движений, можно говорить о связи степени дренированности водоносных горизонтов не только с климатически­ми, но и неотектоническими процессами. Минимальная площадь, не­обходимая для образования источника, является вторичной по отно­шению к первым двум факторам (климату и расчлененности рельефа). Так, для образования постоянно действующего источника в условиях гумидного климата минимальная водосборная площадь должна быть не менее 0,5-3 км² для среднегорных районов, 3-5 км² для низкогор­ных районов и 5-10 км² для равнинных районов. В аридных областях водосборная площадь источников значительно выше. Например, один постоянно действующий источник в условиях Центрального Казах­стана приходится на 200-300 км².

Структурно-гидрогеологическая обстановка играет важ­ную роль в формировании источников. Она определяет особенно­сти строения разреза и закономерности распределения движения подземных вод в зоне аэрации и верхних водоносных горизонтах (см. гл.4). Переслаивание водоносных и водоупорных пород, их ве­щественный состав и фильтрационные свойства, наличие тектониче­ских нарушений, баражей и «гидрогеологических окон» обусловли­вают характер водоносности и тип источника.

Для каждой водоносной системы, которая замыкается источ­ником, можно выделить область питания, область движения, об­ласть, зону или очаг разгрузки. Для грунтовых вод и верховодки об­ласти питания и движения обычно совпадают. При параллельно­струйном, а тем более веерообразном (растекающемся в разные сто­роны) движении вод возникает пластовая или рассеянная их раз­грузка. В том случае, если линии тока сходятся в одну точку по ходу движения подземного потока, возрастает его расход и в очаге раз­грузки образуется сосредоточенный источник. Этому может способ­ствовать наличие тектонического нарушения, карстового канала или зоны повышенной проводимости. Специфические гидродинамиче­ские условия возникают на участках разгрузки напорных водонос­ных систем, где имеются своеобразные «гидрогеологические окна», благоприятствующие образованию восходящих и даже фонтани­рующих источников.

Химический состав вод источников из скважин, пробурен­ных на тот же водоносный горизонт, несколько различается. В ис­точник сливаются воды верхней, наиболее промытой части водо­носного горизонта. При откачках из скважин в депрессионную во­ронку попадают воды и из более глубоких частей водоносного гори­зонта. Поэтому воды источников менее минерализованы, чем воды скважин. Обратим внимание еще на одно обстоятельство. В очагах разгрузки подземных вод резкая смена гидродинамической и гидро­химической обстановок приводит к появлению гидрохимических барьеров (окислительному, сорбционному, температурному, газово­му и др.). Эти процессы способствуют осаждению из воды тонких взвесей и растворенных минеральных веществ. По этой причине на участках разгрузки подземных вод нередко наблюдаются различные

минеральные образования: гейзериты, травертины, туфы, натеки и другие отложения.

Классификация источников. В справочной литературе приводится много вариантов классификаций источников по различ­ным признакам (В.М. Максимов, Д.И. Пересунько [42], М.Е. Аль- товский [1]). Рассмотрим некоторые из них.

По времени действия. Источники подразделяются на постоян­ные и временно существующие. Постоянно действующие источники функционируют в течение многих лет и на одном месте. Их режим мо­жет испытывать сезонные колебания, но значительные размеры облас­ти питания позволяют им сохраняться длительное время. Поэтому де­биты постоянно действующих источников значительно выше, чем вре­менно существующих. Последние обычно возникают в периоды ин­фильтрационного питания, затем их возможности постепенно иссякают, и через какой-то период (1-3 месяца) они пересыхают.

По приуроченности к определенным типам водоносных систем. Источники могут быть образованы верховодкой, грунто­выми водами, трещинно-грунтовыми водами, карстовыми водами, артезианскими водами, водами многолетней мерзлоты, трещинно­жильными водами и водами зон тектонических нарушений, а также водами современных вулканогенов (см. гл.4).

1. Верховодка. Источники, питающиеся верховодкой, ха­рактеризуются резкими колебаниями дебита, температуры, хими­ческого состава. Время их существования после прекращения ат­мосферного питания невелико (до нескольких десятков дней). Чаще всего источники этого типа наблюдаются в горных районах, где их питают приповерхностные воды, называемые горной вер­ховодкой.

2. Грунтовые воды. С ними связано образование нисходя­щих источников, изменение их основных параметров подвержено сезонным колебаниям. В рассматриваемой группе источников раз­личают эрозионные (рис.62), контактовые (рис.63, а), выклинива­ния (рис.63, б) и переливающиеся, или экранированные (рис.64). Эрозионные источники образуются в результате вскрытия водонос­ного горизонта эрозионно-абразионными процессами. Контактовые источники выходят по контакту водоносных и водоупорных пород

на склонах и уступах рельефа. Источники выклинивания образуются на участках фациального замещения водоносных пород водоупор­ными в местах выклинивания водоносных горизонтов. Переливаю­щиеся источники имеют восходящее движение на участках выхода водоносного горизонта на поверхность. Роль водоупорной покрыш­ки, обусловливающей восходящий характер вод источника, выпол­няют аллювиально-делювиальные отложения, тектонические сбросы или фациальные замещения пород.

Рис.64. Переливающиеся родники (по М.Е.Альтовскому)

промерзают, образуя бугры пучения и малые наледи. Наибольшее протаивание подрусловых и подозерных таликов происходит в сен­тябре. Это время наибольшей активности надмерзлотных источни­ков. В холодный период года эти талики, как правило, промерзают, и деятельность источников прекращается.

Межмерзлотные воды встречаются в разрезе, сложенном так называемой слоистой мерзлотой. Межмерзлотные воды относятся к напорным, а источники, образующиеся при их разгрузке, - к восхо­дящим и постоянно действующим. В зимний период на месте их вы­хода возникают наледи. Также восходящими и постоянно дейст­вующими являются источники, питаемые подмерзлотными водами. Эти источники способствуют появлению крупных наледей. Под­мерзлотные источники установлены в долинах крупных рек (Ниж­няя и Подкаменная Тунгуска), их воды имеют высокую минерализа­цию и нередко отрицательную температуру.

7. Трещинно-жильные воды. В глубоких тектонических зо­нах возможно развитие циркуляционных систем, в которых одни трещины выполняют роль поглощающих, а другие - выводящих (рис.68). При проникновении инфильтрационных вод на глубину нескольких километров растет температура их минерализации, они обогащаются минеральными солями, газами и микрокомпонентами.

количество источников минеральных и термальных вод. Чаще всего встречаются восходящие источники, но нередко и нисходящие. Осо­бый интерес среди источников районов современного вулканизма представляют гейзеры. Впервые они были обнаружены в Исландии. В нашей стране они встречены на Камчатке. Фонтанирование гейзе­ра происходит с определенной периодичностью (несколько часов, суток). Механизм действия гейзера следующий. В канале гейзера инфильтрационная вода образует столб, который давит на воду, ско­пившуюся ранее и имеющую температуру около 100 °С. Какое-то время эта вода не вскипает, потому что ей нужно набрать еще неко­торое количество тепла. Наконец, перегретая вода бурно вскипает и фонтаном выбрасывается на поверхность. Продолжительность из­вержения горячей воды, как и подготовки к фонтанированию, у ка­ждого гейзера разная.

По генезису. По происхождению источники разделяются на естественные и искусственные. Наиболее широко распространены естественные выходы подземных вод на земную поверхность. Ис­кусственные выходы образуются в результате инженерно-хозяйст­венной деятельности человека. Примерами таких водопроявлений могут быть источники, образовавшиеся в нижней части бьефа пло­тин, возникшие на полях орошения, участках сброса дренажных вод, прорыва водопроводной сети, в местах устройства баражных соору­жений и т.д.

По величине дебита. Диапазон колебаний дебита источни­ков, известный в мировой практике, огромен: от долей кубических сантиметров до десятков кубических метров в секунду, т.е. макси­мальный дебит, по крайней мере, в 10 млрд раз больше минимально­го. Гигантские выходы подземных вод на земную поверхность (бо­лее 1 м³/с) наблюдаются в закарстованных массивах и молодых вул- каногенах. Крупные источники с дебитом 10-100 л/с характерны для горных областей. Этому способствует сильно расчлененный рельеф, особенно глубокие эрозионные врезы и уступы. Нередко источники с такой производительностью встречаются и в равнинных областях, у подножья речных и морских террас.

В практике гидрогеологических обследований расход есте­ственных водопроявлений, как правило, изменяется в диапазоне

0,1 -2,3 л/с. Статистически это примерно 70-80 % от числа наблю­даемых родников; они обычно являются репрезентативными, т.е. характеризуют определенную гидрогеологическую обстановку, лег­ко опробуются, а результаты их опробования хорошо интерпрети­руются. Слабые проявления подземных вод на земной поверхности, т.е. рассеянные выходы, мочажины, заболачивания, переувлажнения почв, фиксируются как места разгрузки подземных вод и практиче­ского значения не имеют.

Режим источников. Под режимом источника понимается изменение его параметров во времени. Дебит, температура, химиче­ский состав, минерализация, газонасыщенность - эти данные позво­ляют оценивать баланс и ресурсы подземных вод, условия питания и разгрузки водоносного горизонта, устанавливать роль различных режимообразующих факторов. По отношению минимального дебита к максимальному Е.М. Альтовский [1] выделяет пять

групп источников:

QmrJСтах 1 : I 1: 1-1:2 1:2-1:10 I : 10-1:30 1:30-1:100

Источники Весьма Постоянные Переменные Весьма пе- Исключительно постоянные ременные переменные

Наблюдения за дебитом источников дополняют результа­тами исследований химического и газового состава вод, минера­лизации и температуры, которые позволяют установить зависи­мость этих показателей вод от воздействия атмосферных факторов (осадков, температуры и др.). На основании такого комплексного обследования источники делят на категории постоянно дейст­вующих, сезонно зависящих и ритмически функционирующих.

В головке источника часто наблюдаются его отложения, представляющие собой охры, натеки, налеты, туфы, соли, грязи. Их изучение дает представление о химическом и температурном режи­ме вод источника. В некоторых случаях с их помощью можно опре­делять генезис источников, а иногда устанавливать практическую ценность его отложений.

Задание для самопроверки

20. Какие практические задачи можно решать с помощью специализированных и режимных наблюдений?

21. Назовите и охарактеризуйте основные режимообразую­щие факторы.

22. Каковы виды и причины цикличности режима подзем­ных вод?

23. Как проявляется географическая зональность режима подземных вод?

24. Назовите основные типы и режимы подземных вод и объ­ясните, по какому принципу их выделяют.

25. По какому признаку выделяют классы режима грунто­вых вод?

26. Для чего изучается проточность артезианских систем и как количественно ее установить?

27. Что такое источник? Какие альтернативные названия мо­гут у него быть?

28. Каковы наиболее важные факторы образования ис­точников?

29. По каким признакам могут классифицироваться источники?

30. Каков механизм действия гейзера?

31. Какие виды источников Вы видели, находясь в геологи­ческом маршруте, на прогулке, вблизи дачи и других местах?

32. Что Вы знаете об отложениях источников, как Вы можете это интерпретировать?