Грунтовые воды

Основные особенности грунтовых вод. Грунтовые воды —это воды выдержанного по распространению водоносного горизонта, залегающего на первом от поверхности Земли водоупоре. Водо­носным горизонтом, или водоносным слоем, называется толща рых­лых или трещиноватых горных пород, заполненная гравитацион­ной водой. Водоупором, или водоупорным ложем, — водонепрони­цаемая порода, подстилающая водоносный слой. Расстояние (глубина) от поверхности грунтовых вод до водоупора называется мощностью водоносного горизонта.

Следует заметить, что название «водоупорный слой» или «во­доупорная порода» в большинстве случаев можно употреблять только условно, так как в природе абсолютно водонепроницаемых пород не существует. Практически принято считать породу водо­упорной, если ее водопроницаемость в сотни и тысячи раз меньше водопроницаемости породы, в которой заключен водоносный гори­зонт.

Грунтовые воды характеризуются следующими особенностями.

1. Область их питания, как правило, совпадает с областью рас­ пространения.

2. Уровень воды при достижении его выработками устанавли­ вается на той же глубине, на которой вскрыта вода, т. е. поверх-

77

ность грунтовых вод, сообщаясь с атмосферой, находится только под атмосферным давлением; она носит название свободной по­верхности (см. рис. 33).

3. Грунтовые воды гидравлически связаны с поверхностными водотоками и водоемами — реками, озерами, заболоченными пони­ жениями и т. д.

4. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет атмо­ сферных осадков и конденсации водяных паров из воздуха; неред­ ки случаи, когда грунтовые воды получают питание из рек, оро­ сительных каналов или из более глубоких водоносных гори­ зонтов.

5. Режим грунтовых вод, т. е. изменение их расхода, уровня и химического состава во времени (по отдельным сезонам и в много­ летнем разрезе), вблизи водотоков и водоемов находится под влия­ нием совместного воздействия поверхностных вод и климатических факторов, а в удалении от водотоков и водоемов — под воздейст­ вием только метеорологических факторов.

Вблизи крупных рек годовые амплитуды колебания уровня грунтовых вод достигают 3—4 м. Наиболее высокие уровни грун­товых вод устанавливаются в паводковый период с некоторым за­позданием по отношению к максимальным уровням в реке. Во вре­мя паводков речные воды в течение некоторого времени могут про­сачиваться в породы, слагающие берега, и смешиваться с грунтовыми водами, вследствие чего химический состав последних меняется.

В удалении от рек и озер, на водораздельных пространствах, амплитуды колебания уровня грунтовых вод обычно не превосходят 1—1,5 м, причем эти колебания связаны в основном с инфильтра­цией атмосферных осадков. Кроме того, на режим грунтовых вод во многих случаях оказывают также большое влияние так назы­ваемые искусственные факторы, обусловленные деятельностью че­ловека. К ним относятся, например, эксплуатация грунтовых вод с помощью скважин, шурфов и других типов водозаборных соору­жений, сброс в водоносные горизонты сточных вод промышленных предприятий и населенных пунктов, устройство различных гидротех­нических сооружений и т. д.

Форма поверхности грунтовых вод. Форма поверхности грунто­вых вод определяется водопроницаемостью пород, условиями пита­ния водоносного горизонта, конфигурацией берегов рек, озер, к которым стекают грунтовые_ воды, положением водоупора, мощно­стью водоносного пласта и т. д. О форме их поверхности можно су­дить по карте гидроизогштс. Гидроизогипсами называют линии, сое­диняющие точки с одинаковыми отметками уровней грунтовых вод (рис. 34). Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни в ряде точек на площади распространения водоносного горизонта (в шурфах, скважинах и т. д.), причем замеры производят в течение небольшого отрезка времени. Карту гидроизогипс можно состав­лять по результатам одновременных или близких по времени (один-два дня) замеров или по сезонам года.

78

Кроме карт гидроизогипс, составляются карты одинаковых глу­бин залегания грунтовых вод —карты изобат. Изобатами называют­ся линии, соединяющие точки с одинаковыми глубинами залегания грунтовых вод. Карта изобат дает представление о районах, имею­щих одинаковую глубину залегания подземных вод.

По карте гидроизогипс определяют направление течения грунто­вых вод. Это направление всегда будет перпендикулярно к гидро-

Рис. 34. Карта гидроизогипс

изогипсам, так как грунтовые воды могут передвигаться только от более высоких отметок к более низким. Линии, по которым пере­двигаются подземные воды при установившемся, не изменяющемся вр времени движении, называются линиями тока. v Простейшим способом определения направления потока грунто­вых вод является способ треугольника. Зная глубину уровня воды в трех скважинах, расположенных по углам треугольника, и абсолют­ные или относительные отметки поверхности, можно определить и отметки уровней воды в каждой из этих точек. Допустим, что в точ­ке А отметка поверхности воды равна 36 м, в точке Б — 40 м и в точке В — 34 м (рис. 35). Разделив стороны треугольника на пропор­циональные отрезки, определим отметки уровней в нескольких точ­ках на каждой стороне треугольника и проведем гидроизогипсы,

79

соединив точки с одинаковыми отметками. Как видим на-рис. 35, поток грунтовых вод движется по направлению БВ, т. е. перпендику­лярно гидроизогнпсам.

Уклон потока грунтовых вод ра­вен разности отметок в точках Б и В, деленной на расстояние между ними. Расстояние можно узнать по чертежу, если известен его масштаб. Если расстояние между точками Б и В 80 м, уклон / будет равен:

Очевидно, что чем меньше рас­стояние между гидроизогипсами, тем больше уклон грунтового пото­ка, и наоборот. Очертания гидро-изогипс в плане и степень их сгу­щенности дают, таким образом, представление о потоке. Рассмотрим несколько случаев.

При однородных грунтах, гори­зонтальном водоупоре и прямоли­нейном контуре берегов реки поверх­ность грунтовых вод снижается по мере приближения к реке. Гидро-изогипсы в этом случае имеют вид параллельных прямых, сгущающих­ся вблизи реки (рис. 36, Л). Мы рас-

Рис. 35. Определение направления грунтового потока способом треуголь­ника

Рис. 36. Формы поверхности грун­тового потока в однородном по во-допроводимости пласте, располо­женном на горизонтальном водо­упоре

80

сматриваем здесь только небольшой отрезок вдоль реки, в преде­лах которого уровень воды можно считать постоянным и гидро-изогипсы параллельными берегу. Если на пути движения грунто­вых вод инфильтрация атмосферных осадков отсутствует, кривая уровня грунтовых вод АА будет иметь параболическую форму. При наличии инфильтрации она приобретает форму эллипса. При тех же условиях, но при искривленных берегах реки, т. е. на участках излучин (меандр), поверхность грунтовых вод приобретает более сложную форму. В выпуклых (по отношению к берегу) излучинах

Рис. 37. Формы поверхности грунтового потока в разнородных по водопровода мости слоях породы: А — водопроницаемость уменьшается вниз по потоку (К.\<К.ъ)\ Б — водопроницаемость возрастает вниз по потоку (K.i>Ki)', В — водо­проницаемость различна на различных участках (Ki<Kz, Ki>K.i)

грунтовый поток как бы разветвляется, гидроизогипсы располага­ются в плане редко, и перпендикулярные к ним линии тока вееро­образно расходятся (рис. 36, Б). В вогнутых излучинах, где река обычно подмывает берег, гидроизогипсы и линии тока сгущаются (рис. 36, В). В первом случае скорость движения и расход грунто­вых вод на единицу длины потока оказываются меньшими, во вто­ром — большими.

В неоднородных грунтах поверхность грунтовых вод испытывает изгибы при переходе через слои, обладающие различной водопро­ницаемостью. Так, если на пути движения потока сильноводопро­ницаемые породы сменяются слабоводопроницаемыми, поверхность грунтовых вод в последнем слое приобретает большой уклон. В со­ответствии с этим гидроизогипсы располагаются здесь ближе друг к другу (рис. 37, А). Если же грунтовые воды поступают из слабо­водопроницаемого слоя в сильноводопроницаемый, соотношения обратные: поверхность грунтовых вод в пределах сильноводо-

81

проницаемого слоя более пологая и гидроизогипсы располага­ются реже (рис. 37, Б). Водопроницаемость пород может изменяться и на отдельных участках. Это также отчетливо отражается на фор­ме поверхности грунтовых вод и очертании гидроизогипс (рис. 37, В). При негоризонтальном водоупоре поверхность грунтовых вод может иметь различную форму. В частности, при так называемом

прямом уклоне водоупора, совпа­дающем с направлением движения грунтовых вод, поверхность грунто­вых вод можно представить в виде плоскости, параллельной водоупору (рис. 38, А, линия АБ). В этом слу­чае мощность потока будет постоян­ной и одинаковой во всех точках. Движение грунтовых вод при таких условиях называется равномерным. Гидроизогипсы в этом случае имеют вид параллельных прямых, располо­женных на одинаковом расстоянии одна от другой. При том же поло­жении водоупора поверхность грун­товых вод может быть вогнутой или • выпуклой. При этом мощность водо­носного горизонта не остается по­стоянной, а изменяется по пути дви­жения потока. При обратном укло­не водоупора кривая депрессии вы­пуклая (рис. 38, Б).

Движение грунтовых вод, при котором мощность потока изменяет­ся, называется неравномерным. Оно наблюдается как при наклонном, так и при горизонтальном водо-упорах.

При резких изгибах водоупора поверхность грунтовых вод, подобно тому как это происходит в неодно­родных породах, испытывает пере­гибы: на участках, где водоупорное ложе углубляется, поверхность грун­товых вод имеет пологие очертания, а на участках, где водоупорное ло­же поднимается,— более крутые (рис. 38, В).

Рис. 38. Формы поверхности грунтового потока при различ­ных положениях водоупора

Все указанные особенности по­верхности грунтовых вод, определя­ющиеся различными природными условиями, легко объяснить с точки зрения закона фильтрации. Соглас-

82

но основному закону фильтрации (закону Дарси), расход потока грунтовых вод пропорционален коэффициенту фильтрации, гидрав­лическому градиенту (или уклону) и площади сечения потока. Под коэффициентом фильтрации понимают скорость фильтрации при уклоне потока, равном единице, или расход потока через единицу его сечения при уклоне, равном единице. В первом случае его раз­мерность скоростная — см/с, м/с, во втором — объемная — л/сек, М³/с и т. д. В практике гидрогеологических расчетов величину фильтрации выражают как скоростную. Если по пути потока рас­ход сохраняется постоянным, то при изменении коэффициента фильтрации или площади сечения потока обязательно должен из­мениться и гидравлический градиент, т. е. поверхность подземных вод при этом должна стать либо положе, либо круче.

Рис. 39. Соотношение рельефа земной поверхности

с уровнем грунтовых вод: / — песок, 2 — песок водоносный, 3 — глины

Отметим в заключение, что поверхность грунтовых вод по своей конфигурации в общем повторяет поверхность Земли (рис. 39), но, как мы уже указывали выше, водораздельные линии в рельефе по­верхности Земли далеко не всегда совпадают с наиболее повышен­ными точками поверхности грунтовых вод и бассейны поверхност­ного стока могут значительно отличаться по своим размерам от бас­сейнов стока грунтовых вод.

Связь грунтовых вод с поверхностными водотоками и водоема­ми. Грунтовые воды тесно связаны с поверхностными водотоками и водоемами.

В районах, где атмосферные осадки преобладают над испаре­нием, т. е. в районах с умеренным и сильно влажным климатом, реки обычно питаются грунтовыми водами, которые текут по на­правлению к речным долинам. В этом случае могут наблюдаться различные соотношения грунтовых и речных вод.

1. Водоупорное ложе водоносного горизонта находится выше уровня воды в реке, т. е. водоносный горизонт выклинивается на склоне долины.

2. При глубоком залегании водоупора устанавливается непо­ средственная гидравлическая связь грунтовых вод с речными во­ дами. Поскольку русло рек имеет продольный уклон, гидроизогип-

83

горизонта на пойме с образованием

заболоченности (А — А)

Рис. 41-. Положение гидроизогипс при пи­тании подземных вод открытым водо­током

<сы грунтового потока изгибаются вверх по течению реки; в поверх­ности грунтовых вод здесь образуется своего рода депрессия, .понижение.

3. На пойменных участках вблизи склонов, покрытых слабово­допроницаемым делювием, грунтовые воды, стекающие в реку, час­то вызывают заболачивание поверхности; на некоторой глубине от поверхности грунтовые воды связаны непосредственно с долиной реки (рис. 40). Гидроизогипсы грунтовых вод в пределах долины •совпадают с изолиниями рельефа ее поверхности и не пересекают заболоченность, а примыкают к ней.

Нередко, однако, вода из рек поступает в грунтовый поток. Это характерно, например, для засушливых (пустынных и полупустын­ных) областей. В этом случае поверхность грунтовых вод оказы­вается наклоненной от реки, причем в зависимости от интенсивно­сти испарения она может иметь плоскую или вогнутую форму. Гид­роизогипсы изгибаются вниз по течению реки, т. е. поверхность грунтовых вод вдоль реки как бы образует вал, вытянутое возвы­шение.

Движение воды из реки в грунтовый поток происходит иногда в связи с сооружением водохранилищ. На рис. 41 пунктиром пока­зано положение поверхности грунтовых вод до устройства водохра­нилища на реке А, сплошной линией — после устройства водохра­нилища. Гидроизогипсы грунтовых вод вблизи рек имеют соответ­ственно различные очертания.

Во время паводка при подъеме уровня воды в реке наблюдается подпор грунтовых вод (рис. 42). Как указывалось, речные воды при этом насыщают ближайшие к реке участки берегов, поверхность грунтовых вод а — а и а_{ — а\ приобретает обратный уклон. После спада паводка восстанавливается прежнее положение поверхности грунтовых вод.

При устройстве на реках водохранилищ подпор грунтовых вод носит относительно постоянный характер. При этом в первый пе­риод при заполнении водохранилища и некоторое время после его заполнения происходит движение воды из водохранилища в берега: поверхность грунтовых вод постепенно меняет свое положение. По прошествии некоторого, обычно длительного, времени поверхность грунтовых вод приобретает стационарное положение, и, если от­метки грунтовых вод на удаленных от рек участках в естественных условиях превышают отметки уровня воды в водохранилище, грун­товые воды вновь стекают в водохранилище (рис. 43).

Зональность грунтовых вод. В распределении грунтовых вод, помимо геологических условий, значительную роль играют обще­географические, в том числе климатические. Идеи зональности, впервые сформулированные знаменитым русским почвоведом В. В.. Докучаевым для почвенно-растительного покрова, были раз­виты в дальнейшем в применении к грунтовым водам его учеником П. В. Отоцким. Отмечая зональное изменение грунтовых вод с се­вера на юг, он выделяет: 1) полярно-тундровую область, где грун­товые воды сливаются с поверхностными; 2) область ледниковых

85

отложений, содержащих грунтовые воды; 3) область развития чер­нозема, лёсса и лёссовидных пород с умеренной обводненностью; 4) область маловодную и безводную, где грунтовые воды залегают в коренных породах на глубине более 30 м; 5) горные области с достаточно обильными водами на небольшой глубине.

Позднее В. -И. Ильин, развивая идеи В. В. Докучаева и

грунтовые воды, приуроченные к болотным массивам; 5) аллюви­альные воды областей распространения современного и древнего аллювия и флювиогляциальных отложений; 6) грунтовые воды солончаков (районы Средней Азии и Закавказья).

А. Н. Семихатов и В. И. Духанина выделяют восемь зон на тер­ритории европейской части СССР (рис. 44).

Рис. 44. Схема зональности грунтовых вод на Русской равнине (по А. Н. Семи-

хатову и В. И. Духаниной):

I — надмерзлотные сезонные воды тундры*Севера и неглубокие воды тундры Кольского п-ова, 2 — грунтовые воды ледниковой области со свежим рельефом последнего оледенения, 3 — грунтовые воды зандрово-аллювиальных равнин, развитых вдоль южного края послед­него (вюрмского) оледенения, 4 — грунтовые воды области со сглаженным ледниковым рельефом максимального (днепровского) оледенения, включая днепровский и донской языки оледенения, 5 — грунтовые воды лессовой области, 6 — грунтовые воды областей с маломощ­ным четвертичным покровом (области выхода на поверхность коренных пород), 7 — грунто­вые воды морских и аллювиально-дельтовых равнин Прикаспия (область плавающих прес­ных линз на соленых водах), 8 — грунтовые воды предгорных наклонных равнин Карпат, Крыма, Кавказа, 9 — граница максимального оледенения на Русской равнине

87

Рис. 45 Схема зональности грунтовых вод (по Г Н Каменскому)

' грунтовые воды выщелачивания, 2—'Грунтовые р^"" "мщетачивания с нптерзонатьным! <я, 3 — грунтовые воды континенгл шя, '/ — грунтовые воды выщет

Г. В Каменский составил карту-схему зональности грунтовых вод СССР (рис. 45), из которой видно, чго грунтовые воды выще­лачивания распространены на обширных территориях равнин и горных областей. Грунтовые воды континентального засоления.при­урочены главным образом к юго-восточным районам европейской части СССР, а также к степным районам Западно-Сибирской низ­менности и пустыням Средней Азии.

Рис 4b Воды аллювиальных отложений

f — коренные породы, 2 — аллювиальные отложе ния, 3 — река

О. К- Ланге на территории СССР выделяет три провинции грун­товых вод. Первая характеризуется отрицательными среднегодовы­ми температурами и охватывает область многолетней мерзлоты. Вторая отличается высокой влажностью воздуха. В ней преобла­дают процессы инфильтрации атмосферных осадков и подземного стока над испарением грунтовых вод, поэтому грунтовые воды сла­бо минерализованы, в их составе доминируют би­карбонаты кальция. Про­винция охватывает почти всю европейскую часть СССР, южную часть За­падно-Сибирской низмен­ности и северную окраину Казахской ССР. Третья провинция, занимающая юг Советского Союза, ха­рактеризуется высокой су-. хостью воздуха, интенсив­ным испарением грунтовых вод и значительным их осолонением.

Грунтовые воды каждой из провинций зональны. Так, в провин­ции многолетней мерзлоты выделяется зона сплошной мерзлоты с сезоннопромерзающими грунтовыми водами и зона таликовой и островной мерзлоты с полупромерзающими и непромерзающими водами Провинция влажных областей подразделяется на зоны из­быточного, неустойчивого увлажнения и т. д.

Грунтовые воды в аллювиальных отложениях. Наиболее широко распространены грунтовые воды аллювиальных отложений — отло­жений террас, пойм и русловой части рек (рис. 46). Поскольку ско­рость и мощность водных потоков, отложивших эти породы, а так­же состав и свойства материнских пород были неодинаковыми, ал­лювиальные отложения отличаются неоднородностью как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Обычно ниж­няя часть аллювиальной толщи представлена более крупным ма­териалом, а верхняя — более мелким. В образованиях рек с малым уклоном преобладает глинистый материал; горные реки отклады­вают более крупный материал, чем реки равнинные.

При изучении грунтовых вод аллювиальных отложений необхо­димо учитывать связь этих вод с открытыми водотоками.

Большинство рек европейской части СССР, как отмечалось вы­ше, питается грунтовыми водами. Исключением являются периоды паводков, когда поверхностные речные воды подпирают уровень

89

грунтовых вод и питают воды не только аллювиальных, но и ко­ренных отложений. В районах Средней Азии и Закавказья, харак­теризующихся жарким климатом, нередко грунтовые воды питают­ся водами открытых водотоков.

В тех случаях, когда грунтовые воды стекают в реки или, как говорят, водоносные горизонты дренируются долинами рек, пита­ние грунтовых вод происходит за счет атмосферных осадков, про­сачивающихся в породы, и конденсационных вод.

При определенных геологических условиях в долинах рек грун­товые воды в аллювиальных отложениях могут получать питание также за счет подземных вод из коренных пород, образующих ложе долины. При этом грунтовые воды в аллювиальных отложениях и подземные воды в коренных породах могут быть или непосредст-

Рис. 47. Соотношение аллювиального водоносного горизон­та с напорными водами трещиноватых пород:

1 — древний и современный аллювий, 2 — ледниковые песчаные ог-ложения, 3 — известняки верхнего девона, 4 — глина среднего де­вона, 5 — сетчатые фильтры (стрелками показана величина напора подземных вод); АБ — статический уровень грунтовых вод

венно связаны между собой, или разделены слабо проницаемым" глинистым слоем.

На рис. 47 схематически показано соотношение уровня грунто­вых вод с напорными уровнями в более глубоком водоносном го-, ризонте, из которого вода поступает в аллювий (снизу вверх).

Водоносные горизонты в аллювиальных отложениях во многих случаях имеют большую мощность. Например, в долинах крупных рек аллювиальные отложения иногда заполняют древние переуглуб­ленные долины (по отношению к отметкам дна современной доли­ны), в которых циркулируют мощные потоки подземных вод. Та­кие погребенные долины выявлены в низовьях Амударьи, Чирчика, Ангрена и ряде районов Центрального Казахстана, в центральных и западных районах Русской платформы, в Северной Африке, Ира­не, Чили и других странах. На руднике Ланги-Логан (Австралия) из одной шахты, заложенной в древнем аллювии, откачивается свыше 9000 м³ воды в сутки. Водой из древнеаллювиальных отло­жений снабжается столица Индии Дели. При глубине скважин 100—150 м дебит каждой из них достигает 2000—2500 м³/сут при понижении уровня 10—12 м.

Аллювиальные песчано-глинистые отложения долины Сан-Хоа­кин (штат Калифорния) содержат грунтовые воды, которые широ-

90

ко используются для орошения. В результате откачки 3,6 м³/с под­земной воды и снижения напора в водоносном пласте произошло оседание поверхности Земли на 0,5—0,8 м на площади около 3000 км². Аналогичное положение имеет место на территории г. Мехико, где в результате откачки 812160 м³ воды в сутки из древ-неаллювиальных отложений осадки поверхности достигли 5—7 м.

Подрусловый поток подземных вод в долине р. Нил является одним из самых мощных на земном шаре. Водоносный горизонт заключен в песчано-гравелисто-галечниковых отложениях, мощно­стью 300 м и шириной 10 км. Сверху водоносный горизонт перекрыт толщей глин (10—12 м), снизу подстилается глинами третичного возраста. В русле Нила покрывающие глины размыты. В верхней части потока с февраля по август отбирается около 1000 млн. м³ воды для орошения свыше 100000 га земли, в средней части доли­ны — около 500 млн. м³ воды для орошения еще 80 000 га. В ни­зовьях Нила, по данным египетских специалистов, в реку посту­пает из грунтового потока ежегодно не менее 500 млн. м³ воды. Таким образом, на протяжении 900 км из грунтового потока расхо­дуется около 2000 млн. м³ воды в сутки. В потоке наблюдается из­менение режима. Во время паводков на Ниле подземная вода" пи­тается речными водами. После спада воды в реке подземные воды питают ее. В межень (июль) общий расход подземного потока в долине Нила египетскими специалистами оценивается в 9000 млн. м³ в год.

Аллювиальные воды р. Мексики используются для водоснабже­ния столицы (около 1 500000 м³ в сутки). Большое количество во­ды из аллювия получают Будапешт, Берлин, Дрезден, Прага, Па­риж и другие города.

Воды аллювиальных отложений Инда, Чинаба и других рек ши­роко используются для водоснабжения в Пакистане. Водоносный горизонт представлен разнозернистыми песками с гравием. Макси­мальная мощность аллювия более 600 м. К бортам долины она уменьшается до 100—150 м. Уровни воды в скважинах устанавли­ваются на 3—4 м от поверхности Земли, но выше уреза меженного уровня рек на 2—3 м. На глубине 70—75 и 275—300 м встречаются два глинистых пласта мощностью от 4 до 7 м. Глинистые пласты в толще аллювиальных отложений в горизонтальном направлении не выдержаны, в связи с чем вся толща аллювиальных отложений представляет единый водоносный горизонт с наличием в ряде уча­стков местных водоупоров. Водоотдача песков достигает 18% при их пористости-до 34—40%. Дебиты отдельных скважин при глуби­не 200—300 м и диаметре фильтра 8 дюймов до 50 л/с, при пони­жении уровня откачкой до 4,5—6 м от статического. До глубины 200—300 м воды пресные, глубже — соленые.

Подземные воды аллювиальных отложений используются интен­сивно для водоснабжения и орошения земель в Центральной доли­не Калифорнии, которая представляет собой аллювиальную равни­ну шириной более 60 км и длиной более 500 км. По структурному положению это закрытый бассейн, подземный и поверхностный сток

91

из которого установлен только в районе залива Сан-Франциско, Водоносный горизонт мощностью до 250 м и более заключен в пес-чано-гравелистых отложениях с глинистыми прослойками на раз­личных глубинах. Уровни подземных вод в скважинах находятся на глубине 3—5 м от поверхности Земли. Дебит скважин 12—15 л/с при понижении уровня откачкой до 5—6 м от статического. Сред­няя глубина скважин 100—150 м. Воды в основном пресные, в от­дельных скважинах с повышенным содержанием бора (0,003). В приморской дельте рек Сакраменто и Сан-Хоакин в подземной воде наблюдается повышенное содержание хлоридов (более 150 мг/л).

Подземные воды из аллювиальных отложений используются также в долине Санта-Клара, находящейся в засушливой зоне Калифорнии. Более 50 лет назад скважины здесь давали самоиз­ливающуюся воду с дебитом на уровне земли до 20—30 л/с, при пьезометрическом напоре выше поверхности до 15—20 м. За пе­риод с 1913 по 1963 г. уровень подземных вод в скважинах в сред­нем снизился на 30 м и более. За это время из водоносного гори­зонта изъято свыше 12 млрд. м³ воды.

В северной части Чили скважины из аллювиальных отложений имеют дебит до 60 л/с при понижении уровня до 6—8 м.

Аллювиальные воды для водоснабжения широко используются на территории СССР в долинах крупных рек — Волги, Днепра, Оки, Северной Двины, Печоры и др

Грунтовые воды в ледниковых отложениях. Ледниковые отло­жения широко распространены в СССР. Они представлены собст­венно ледниковыми образованиями — моренными суглинками и глинами, флювиогляциальными отложениями, состоящими преиму­щественно из песков.

Моренные суглинки и глины практически относятся к водо­упорным породам, но обычно они включают большое количество линз и прослоев песка и супесей, которые нередко оказываются во­доносными. Отдельные разновозрастные толщи моренных суглин­ков и глин часто разделены флювиогляциальными отложениями, развитыми на довольно значительных площадях. Иногда такие от­ложения подстилают моренные суглинки и глины.

Водообильность линз и прослоев песков, залегающих среди мо­ренных суглинков и глин, а также межморенных и подморенных флювиогляциальных отложений сильно изменяется в связи с тем, что эти отложения имеют весьма непостоянный литологический состав и часто выклиниваются, замещаясь неводоносными суглин­ками и глинами. Этим обьясняется разная глубина залегания грун­товых вод в буровых или копаных колодцах, расположенных на рас­стоянии 30—40 м друг от друга, в областях развития моренных отложений.

На рис. 48 показана схема расположения водоносных слоев в моренных и межморенных отложениях.

Наибольшие запасы грунтовых вод сосредоточены во флювио­гляциальных отложениях типа озов — вытянутых песчаных гряд,

92

и особенно в зандрах — мощных песчаных толщах, развитых в--краевой части моренных отложений и образующих обширные «зандровые поля». В них имеются постоянные потоки грунтовых вод, часто используемые для водоснабжения. Из такого рода грун­тового потока в зандровых песках получают воду при помощи ко­паных или буровых колодцев в центральной и западной частях Русской платформы.

В области распространения ледниковых отложений на террито­рии европейской части СССР наблюдаются древние долины, вы­полненные мощными песчаными и песчано-галечниковыми отло­жениями. Некоторые из этих долин имеют доледниковый возраст и глубоко врезаются в толщу коренных отложений. Такие погребен­ные долины имеются, например, на территории Москвы. Они про-

Рис 48 Схема расположения водоносных горизонтов в ледниковых отло­жениях*

1 ~ конечная морена, 2 — донная морена, 3 — зандровые пески, 4 — межморенпые

пески, 5 — песчаные породы с прослойками глины, зале! ающие среди моренных от

ложений, 6 — направление движения подземных вод, 7 — источники

резают толщу юрских отложений и врезаются в известняки карбо­на, вследствие чего устанавливается гидравлическая связь между водами, заключенными в известняках карбона, и грунтовыми вода­ми флювиогляциальных отложений. Последние загрязняются по­верхностными водами.

Древние долины имеются в бассейнах рек Днепра, Немана, Бу­га, Западной Двины и Припяти.

Мощными коллекторами доброкачественных подземных вод час­то являются ледниковые долины (древние «ложбины стока») меж­ду грядами конечных морен, заполненные песками. Они прослежи­ваются в ГДР и ФРГ, Польше, Прибалтийских республиках и Белоруссии. В отложениях этих долин содержатся большие количе­ства подземных вод, используемых для водоснабжения городов и промышленных предприятий. Более 50% потребляемой воды в Бе­лоруссии и Прибалтийских республиках добывается из ледниковых отложений.

Грунтовые воды степных и пустынных областей. Грунтовые во­ды степных областей весьма разнообразны как по глубине залега­ния, так и по химическому составу. Это зависит от характера релье­фа, типа пород и климатических особенностей района. В степных районах, сложенных лёссовидными породами, грунтовые воды

93

распространены спорадически и, как правило, приурочены к пони­жениям, где весной и летом скапливаются атмосферные воды. В не­которых степных областях на юго-востоке Советского Союза грун­товые воды имеют характер замкнутых бассейнов.

Грунтовые воды степных областей большей частью сильно ми­нерализованы. Лишь в предгорьях, окаймляющих степи, воды прес­ные. Для степей юго-восточных районов Советского Союза (При­каспийская низменность) В. А. Приклонский установил следующую закономерность в изменении минерализации грунтовых вод: в зоне предгорий — воды слабоминерализованные, сульфатные, в средней части низменности — хлоридные, залегающие на глубине до 5 м. В пустынных областях, для которых характерны резко конти­нентальный климат, незначительное количество атмосферных осад­ков (150—200 мм/год) и сильное испарение (1500—2500 мм/год), грунтовые воды обладают весьма пестрым химическим составом и залегают на различной глубине. Реки, протекающие по пустынным районам, имеют значительный расход воды только в верховьях. Протекая через песчаные или другие фильтрующие воду породы, они теряют ее, поэтому в низовьях рек часто наблюдаются сухие русла. В таких случаях растворенные в воде соли не уносятся рекой в море, а накапливаются в бессточных бассейнах.

При высоком стоянии подземных вод в пустынных районах про­исходит их испарение и создаются благоприятные условия для об­разования солончаков.

Пояс пустынь и полупустынь занимает на земном шаре около 35 млн. км², из них 25 млн. км² приходится на долю Африки и Азии. Площадь знаменитой пустыни Сахары в Африке около 7—• 8 млн. км². Грунтовые воды в Сахаре заключены в мощной толще дюнных отложений, в которых пройдены колодцы глубиной от 20 до 35 м и более. Преимущественно по линиям расположения грун­товых колодцев проходят караванные пути В ряде районов песча­ные дюны питаются напорными водами, дающими у основания дюн восходящие источники пресной воды.

На территории Советского Союза пустыни и полупустыни зани­мают около 12% всей поверхности. В Узбекистане, Кара-Калпакии и южной части Казахстана расположены пустыни Каракумы, Кы-зылкум, Муюнкум, Сары-Ишикотрау и Бетпак-Дала.

Условия накопления грунтовых вод в пустынных местностях весьма разнообразны. В небольших количествах пресные грунтовые воды встречаются в песчаных дюнах, из которых они эксплуатиру­ются с помощью копаных колодцев. Участки с пресными водами являются своеобразными оазисами среди сильно засоленных вод песчаных пустынь. Кроме того, в пустынных районах местное на­селение широко использует такыры, занимающие большие прост­ранства среди песков. Во время дождей на этих глинистых участках скапливаются поверхностные воды, которые население отводит в специально устроенные ямы или подземные амбары. Такие устрой­ства широко практикуются в ряде районов Средней Азии СССР, в Северной Африке и Индостане (рис. 49).

S4

Д. И. Яковлев, В. Н. Кунин, У. М. Ахмедсафин и др., изучавшие советские пустыни и полупустыни, указывают на то, что равнинные площади, сложенные континентальными образованиями, заключа­ют в себе не только грунтовые воды, но и напорные воды хорошего качества, уже вскрытые в ряде районов скважинами.

Подземные воды в аллювиальных отложениях имеют широкое распространение и по долинам рек засушливых зон СССР. В Турк­мении они приурочены к отложениям Каракумской свиты Пра-Амударьи. По данным В. Н. Кунина (1963), мощность песчано-гли-нистых пород в центральной части низменных Каракумов более 500 м, а в районе Приузбойских Каракумов — до 120 м. В зоне пи­тания подземные воды Каракумской свиты слабоминерализованные

Рис. 49. Подземный амбар для сбора талых и ливневых вод в такырах: А — план, Б — разрез

(Мургаб, Теджен, предгорья Копетдага). По мере движения под­земного потока минерализация вод возрастает от 20 до 60 г/л и бо­лее. В последние годы в разных местах Приузбойских Каракумов обнаружены линзы пресных вод, окруженные по сторонам соленой водой. Одной из таких линз пресных подземных вод является Яс-ханская, занимающая центральную часть Приузбойских Караку­мов. Площадь ее более 2000 км². Минерализация воды в пределах линзы не более 1 г/л. Мощность пресных безнапорных вод в пре­делах линзы значительная. Скважина, прошедшая в зоне пресных вод более 70—78 м, из нее не вышла. Разгрузка пресных вод линзы происходит в русло Узбоя.

Аналогичные линзы пресных вод установлены в районе Чильма-медкумов (к северу от хребта Большой Балхан), Черкезли, в пре­делах Верхнеузбойского коридора, а также в междуречье Аму-Дарья— Мургаб и др. Статические запасы подземных вод в районе Ясханской линзы, по данным В. Н. Кунина, составляют 8,8 км³, Чильмамедкумов (минерализация 2 г/л)—около 4 км³; в районе Черкезли—1,8 км³, Верхнеузбойской линзе (минерализация до

95

3 г/л) —до 2 км³; в районе междуречья Амударья — Мургаб запа­сы подземных вод пока не установлены.

О происхождении пресных линз высказывались различные точ­ки зрения: реликтовые воды, воды конденсационные, инфильтраци-•онного питания, воды, поступающие из глубоких горизонтов. Одна­ко ни одна из них пока не подтверждена надежными фактическими материалами. По аналогии с подобными линзами в районах Туни­са, Алжира нам представляется, что их питание в основном проис­ходит по зоне тектонических нарушений из более глубоких водонос­ных горизонтов. На то, что питание пресных линз происходит из удаленных районов и с постоянным питанием, указывает незначи­тельная амплитуда колебаний уровней воды в скважинах (0,2— 0,7 м), заложенных в зоне распространения пресных вод. Выясне­ние источников питания вод пресных линз имеет не только теоре­тическое, но и огромное практическое значение. Не выяснив до конца этот вопрос, можно поставить в тяжелое положение водоза­боры, базирующиеся на этих водных источниках.

Грунтовые воды в степных и пустынных областях в определен­ной мере пополняются также за счет конденсации водяных паров из воздуха и паводковых вод, поступающих с возвышенных участ­ков. Эти воды, стекая по понижениям, пополняют также и открытые водотоки, уменьшая общую минерализацию воды в них. Мнение о пополнении подземных вод в пустынных зонах за счет конденса­ции разделяется большинством гидрогеологов.

В некоторых низменностях юго-восточных районов СССР грун­товые воды находятся ниже уровня воды в открытых водотоках. В этих случаях речные воды фильтруются из рек и опресняют грун--товые воды прилегающей территории.

О наличии подземных вод в засушливых областях можно судить по характеру растительности. Данные о связи растительности с подземными водами имеются в трудах ученых разных стран. Ши­рокие исследования в этом направлении начались в последние 20—25 лет в связи с изучением водоносности в засушливых рай­онах.

Проблема «Гидрогеологическая роль растительности», как одна из актуальных, обсуждалась на Международном симпозиуме, соз­ванном ЮНЕСКО в 1959 г.

На территории СССР такие работы были проведены П. В. Отоц-ким (1901), Ф. П. Саваренским (1922), Г. Н. Высоцким (1927), М. П. Петровым (1933), И. А. Максимовым (1926—1944), С. В. Викторовым и Е. А. Востоковой (1959—1960) и др. исследо­вателями. В США многочисленные наблюдения в этом направ­лении были проведены О. Е. Мейнцером в 1927 г.

У. М. Ахмедсафин (1947) указывает, что многие древесные и кустарниковые растения засушливых областей, получая влагу из глубоких водоносных горизонтов, могут развиваться независимо от поверхностного увлажнения, имеющего в пустыне часто временный характер. Это в первую очередь широко распространенные в пус­тынных районах черный саксаул, тополь, джида, джузгун, чер-

96

кез, чий, верблюжья колючка и др. Глубина проникновения корней растений достигает 2—8 м.

В западных Штатах Америки корни растений из группы фреа-тофитес получают влагу с глубины 20—30 м.

Черный саксаул хорошо развивается на песках при глубине грунтовых вод 4_—12 м. При больших глубинах (район р. Чу) он становится похожим на мелкий кустарник, образующий небольшие изолированные группы. При близком залегании подземных вод сак­саул сильно вытягивается вверх, резко уменьшается его древесная масса. Он хорошо развивается как на солоноватых, так и на соле­ных водах.

Мескитовое дерево, распространенное в западных Штатах Аме­рики, наиболее хорошо растет при глубине залегания подземных вод до 3 м.

Установление закономерностей в развитии растительности в за­висимости от степени водоносности имеет большое значение, так как может быть использовано при поисках подземных вод в пусты­нях и полупустынях.

В питании грунтовых вод орошаемых районов большое участие принимают оросительные воды. В некоторых районах Узбекистана, по данным Д. М. Кац, в 1944—1955 гг. атмосферные осадки не при­нимали участия в питании грунтовых вод, в то время как иррига­ционное питание составило около 445 мм в год, причем на долю по­терь из каналов приходилось 62—77%. В связи с резким преобла­данием ирригационного питания над атмосферным режим и химизм грунтовых вод в орошаемых районах приобретает специфические черты. При избыточном орошении земель уровень грунтовых вод в степных районах сильно повышается, и в результате их последую­щего испарения создаются благоприятные условия для засоления верхних слоев почвы и образования солончаков. Вследствие этого значительные территории становятся часто непригодными для сель­скохозяйственного использования. В Пакистане засоленные земли широко распространены по долинам рек Синда и Инда. В 1962 г. площадь засоленных почв здесь достигала более 1,2 млн. га. Боль­шие площади засоленных земель имеются и в Индии. В СССР в Та-лимаринском массиве (Узбекская ССР), при оросительных нормах 10—15 тыс. м³/га уровень подземных вод с 1949 г. поднялся на 10 м и сейчас находится на глубине 2—3 м от поверхности Земли.

Грунтовые воды межгорных котловин. Межгорные котловины, выполненные комплексом песчано-галечных и глинистых аллюви­альных и пролювиальных образований, богаты грунтовыми водами, которые весьма своеобразно в них распределяются.

Весьма характерным примером межгорной котловины может служить Ферганская котловина в Узбекской ССР. Она описана в работах О. К. Ланге, Г. Н. Каменского и др. исследователей. Кот­ловина окружена со всех сторон горными хребтами и имеет выход только на юго-запад. В ней сливаются две крупные реки — Кара-Дарья и Нарын, дающие начало Сырдарье. Окружающие котлови­ну горы на участках, прилегающих к котловине, сложены мезозой-

4 Богомолов Г. В.

97

скими и третичными отложениями, а далее — палеозойскими поро­дами. Сама котловина выполнена четвертичными континентальными отложениями мощностью свыше 120—200 м, представленными га­лечниками, песками, лёссовидными суглинками. Последние слага­ют центральную равнинную часть котловины. По данным О. К Ланге, характерными образованиями для Ферганской котло­вины являются конусы выносов горных рек. В верхних частях кону­сов выноса грунтовые воды залегают довольно глубоко. Здесь про­исходит частичная инфильтрация речных вод в галечники. По на­правлению к центру котловины обломочный материал галечников постепенно становится более мелкозернистым и переходит в пески. Вместе с тем поверхность в том же направлении понижается, а

Рис 50 Грунтовые воды в конусах вы­носа предгорий Ферганы (по О. К. Лан­ге):

1—лессовые суглинки, 2 — галечники, 3 — уро­вень грунтовых вод

грунтовые воды все более и более приближаются к по­верхности (рис. 50). Нако­нец, на полосе перехода от конусов выноса к равнинной пониженной части котлови­ны появляются выходы ис­точников. Местами неглубо­кие грунтовые воды стекают в арыки (зауры), отводящие воду на орошаемые поля Арыки, несущие грунтовую воду, носят название «кара-су» (темная вода), в отли-

чие от арыков с мутной водой, питающихся из рек.

В центральной равнинной части Ферганской котловины развиты пролювиальные и аллювиальные лёссовидные суглинки, мощность которых увеличивается по направлению к центру котловины. Грун­товые воды в суглинках находятся на небольшой глубине, всего лишь в нескольких метрах от поверхности, а в пониженных мес­тах— на глубине 1 м. Вследствие постоянно протекающих процес­сов засоления грунтовые воды сильно минерализованы (сухой оста­ток достигает 90 г/л).

В галечниках центральных частей котловины, залегающих под суглинками, заключен другой, более глубокий водоносный горизонт с напорной водой. В западной части Ферганской котловины имеют­ся скважины, дающие из галечников фонтанирующую воду хоро­шего качества с дебитом до 172 м³/ч.

Группа источников, выходящих по периферии конусов выноса и питающих арыки, используется для ирригационных систем Фер­ганского оазиса с общей орошаемой площадью свыше 600 тыс га. Суммарный расход источников, по О. К. Ланге, 32 м³/с '.

С грунтовыми водами межгорных котловин сходны по своему характеру грунтовые воды отложений горных склонов. В ряде райо­нов здесь развиты мощные толщи крупнообломочного материала

98

Подробно о водах Ферганской котловины см стр 124

(галечники, крупнозернистые песни), который по направлению к долине сменяется мелкозернистыми и глинистыми породами. Глу­бина залегания грунтовых вод в отложениях горных склонов по на­правлению к пониженным участкам уменьшается. В пониженных элементах рельефа воды выклиниваются на поверхность в виде ис­точников или выводятся кяризами (горизонтальная галерея с выхо­дом на поверхность). При соответствующих геологических и текто­нических условиях предгорных склонов грунтовые воды со свобод­ной поверхностью могут переходить в напорные. Это наблюдается, например, в районе г. Алма-Ата, Баку, где их мощность до несколь­ких сот метров. В таких районах годичные колебания температур прослеживаются на глубинах более 600—700 м.

Мощные запасы подземных вод, циркулирующие в грубозерни­стых отложениях горных склонов, в широких масштабах исполь­зуются кяризами и скважинами для орошения и водоснабжения в Туркменской ССР, Закавказье, странах Ближнего Востока (Иран) и Юго-Восточной Азии (Пакистан). В Иране число кяризных систем достигает 300, а общая их протяженность свыше 15 тыс. км. В Па­кистане суммарная длина кяризов превышает 5000 км. Расход под­земной воды во всех «яризных системах Ирана 560 м³/с. Макси­мальная глубина отдельных колодцев (через которые подается грунт при проходке кяризов) в некоторых районах Ирана (Сабзе-вар) доходит до 250 м. Подземной водой, добываемой из кяризов, в Иране в настоящее время орошается до 50% земель и снабжается 18 тыс. населенных пунктов.

Огромные количества подземных вод, заключенных в отложе­ниях горных склонов, используются скважинами и колодцами в рай­онах городов Тегеран, Ардебиль, Казвин, Решт, Тавриз, Кучан, Мешхед, Кум и др. (Иран), а также в Дели (Индия), Пешеваре, Кветте (Пакистан), Сантьяго (Чили), Стокгольм (Швеция), Жене­ва, Берн, Цюрих (Швейцария), Фрейбург, Карлсруэ (ФРГ), Рим (Италия). Дебиты скважин при глубине 100—120 м достигают 60— 80 м³/ч из одной скважины, при понижении уровня откалкой на 6—10 м.

В Туркменской ССР кяризные системы в настоящее время до­полняются скважинами, с помощью которых добывается большое количество подземных вод для крупных городов, промышленных предприятий и сельского хозяйства.