Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек.

НЕКОТОРЫЕ ПРИРОДНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Взаимодействие поверхностных и подземных вод играет очень важную роль в гидрологических процессах на планете. Существо этого взаимодействия заключается в обмене поверхностных (океаны, моря, озера, водохранилища, реки, каналы) и подземных вод (на­порных и безнапорных) водой, теплотой, растворенными в воде веществами.

Обмен подземных вод и вод океанов и морей изучен еще очень слабо. Известны лишь приближенные цифры поступления в океан подземных вод и растворенных в них солей (см. гл. 3). В среднем ^в океан ежегодно поступает 2,2 тыс. км³ не дренируемых реками подземных вод.

Лучше изучено взаимодействие подземных вод и водных объек­тов суши (работы Б. И. Куделина, О. В. Попова и др.). Рассмотрим это взаимодействие на примере речных и грунтовых вод (рис. 5.8). Закономерности такого взаимодействия справедливы и для других водных объектов суши, например озер и водохранилищ.

а — постоянная односторонняя гидравлическая связь (река в течение всего года питает грунтовые воды); 6—постоянная двусторонняя гидравлическая связь (река питает грунтовые воды в половодье и дренирует их в межень); в—временная гидравлическая связь; г—отсутствие гидравлической связи; /—водоупорный пласт; 2—уровень грунтовых вод; 5—направление движения грунтовых вод; 4— уровень воды в реке в половодье; 5— уровень воды в реке в межень; 6— источники (родники)

Выделяют три типа взаимодействия речных и грунтовых вод: наличие постоянной гидравлической связи, наличие временной гидрав­лической связи и отсутствие гидравлической связи. Первый тип включает два подтипа: наличие одно- и двусторонней постоянной гидравлической связи. Характер связи речных и грунтовых вод за­висит от соотношения высоты стояния уровня в реке в половодье и межень, с одной стороны, и положения кровли водоупорного пласта (водоупора) и уровня находящихся над ним грунтовых вод — с другой.

При очень низком положении водоупора и уровня грунтовых вод река в течение всего года через берега и дно питает подрусло- вые и прибрежные грунтовые воды (рис. 5.8, а), т. е. постоянно теряет воду на питание грунтовых вод. Это явление особенно ха­рактерно для закарстованных пород или крупнопористых грунтов в аридных и горных районах. Гидрогеологи называют этот вид вза­имодействия речных и грунтовых вод «подпертой фильтрацией» (В. А. Всеволожский, 1991). Кроме того, иногда выделяют случай, когда основной водоупор находится очень глубоко, а русло реки подстилают слабоводопроницаемые породы. В этом случае фильт­рация речных вод происходит практически вертикально вниз, об­ходя область слабоводопроницаемых пород («свободная фильтра­ция» по В. А. Всеволожскому, 1991).

При более высоком положении водоупора река питает грунто­вые воды лишь в половодье; в межень река, наоборот, дренирует грунтовые воды и ими питается (рис. 5.8, б). На спаде половодья и в межень часть накопленной в грунте воды возвращается в русло реки. Такое явление называется береговым регулированием речного стока или периодическим питанием подземных вод (В. А. Всеволож­ский, 1991).

При еще более высоком положении водоупора река, так же как и в предыдущем случае, в половодье питает грунтовые воды, а в ме­жень грунтовые воды питают реку. Однако в межень происходит разрыв кривой депрессии грунтовых вод и понизившегося уровня в реке — на склонах русла возникают мочажины и начинают дей­ствовать родники или ключи (рис. 5.8, в), дебиты которых не зависят от изменения уровня воды в реке.

Наконец, при очень высоком положении водоупора как в по­ловодье, так и в межень грунтовые воды и река не имеют между собой гидравлической связи (рис. 5.8, г).

Таким образом, характер и величина подземного питания рек (и озер) зависят от гидрогеологического строения прилегающей к водному объекту территории и от режима уровней воды в водном объекте.

В целом же подземные воды являются одним из важнейших видов питания рек (см. разд. 6.3). По водно-балансовым оценкам для всего земного шара на долю подземного питания рек приходит­ся около 30 % речного стока. При величине речного стока, посту­пающего в океан, 41,7 тыс. км³ в год на долю подземного питания приходится, таким образом, 12,5 тыс. км³ воды в год. Важно также отметить, что роль подземного питания в режиме рек особенно возрастает в межень, когда питание других видов (талое, дождевое) существенно сокращается или вовсе прекращается.

С деятельностью подземных вод на поверхности речного бас­сейна и в грунтах верхней части земной коры связаны специфиче­ские физико-географические явления: оползни, суффозия, карст, заболачивание, мерзлотно-гидрогеологические процессы.

Оползни представляют собой смещения вниз по склону масс рыхлой породы под действием силы тяжести, особенно при насы­щении рыхлого материала водой и при чередовании водоупорных и водоносных слоев. Если вниз по склону смещается маломощный слой почвы или грунта, насыщенный талыми или грунтовыми во­дами, то такое явление называют оплывиной.

Суффозией принято называть вынос взвешенных веществ пото­ками грунтовых вод. Суффозия ведет к образованию подземных пустот и последующему оседанию вышележащих осадочных толщ с формированием на поверхности замкнутых понижений — блю­дец, воронок, западин.

Карст — это природное явление, связанное с растворением во­дами (как поверхностными, так и подземными) горных пород, а также и комплекс форм рельефа, образующихся в областях рас­пространения растворимых пород (известняков, доломитов, гипсов, каменной соли и др.). К карстовому рельефу относятся как отри­цательные поверхностные формы — поноры, воронки, кот­ловины, колодцы, так и подземные формы — пещеры, по­лости, ходы.

К числу мерзлотно-гидрогеологических явлений относятся бугры пучения, наледи, термокарст, термоэрозия и термоабразия. Буг­ры пучения — это выпуклые формы рельефа, возникающие в области многолетнемерзлых или сезонномерзлых пород в резуль­тате ледообразования в грунтах. К буграм пучения относят, напри­мер, булгунняхи (пинго) и гидролакколиты.

Наледи подземных вод —это массивы льда, образую­щиеся при намораживании излившихся на поверхность земли грун­товых вод. В области многолетнемерзлых пород различают наледи надмерзлотных, подмерзлотных и межмерзлотных вод, а в области сезонномерзлых или кратковременномерзлых пород — так называе­мые ключевые и грунтовые наледи. Наиболее крупные наледи зани­мают десятки квадратных километров при толщине льда до 12 м.

Термокарст — это образование просадочных форм рельефа в результате вытаивания подземного льда или оттаивания мерзлого грунта. Термоэрозия — это разрушение мерзлых пород на бе­регах рек при тепловом воздействии текущих вод. Термоабра­зия — процесс разрушения берегов морей, озер, водохранилищ, сло­женных льдом или многолетнемерзлыми грунтами, с участием тер­мического воздействия воды и воздуха.

Интересным и важным проявлением воздействия подземных вод на ландшафты являются источники {родники) — места естествен­ной разгрузки грунтовых вод на земную поверхность. Различают несколько типов такой разгрузки (В. А. Всеволожский, 1991). Кон­тактовые выходы грунтовых вод (источники) образуются в тех случаях, когда эрозионные врезы вскрывают место контакта уровня грунтовых вод с подстилающими слабопроницаемыми породами. Такие случаи были уже представлены на рис. 5.8, б и 5.8, в. Здесь речное русло вскрывало место контакта уровня грунтовых вод и водо- упора. Но эрозионный врез может быть представлен не только речным руслом, но и любыми достаточно глубокими оврагами, балками и т. д. (рис. 5.9, а). Депрессионные выходы грунтовых вод (источники) могут быть приурочены к понижениям земной поверх-

Рис. 5.9. Основные схемы формирования естественных выходов грунтовых вод (источников или родников) на земную поверхность (по В. А. Всеволожскому):

а — контактовый; б— депрессионный; в — экранированный. Условные обо­значения см. на рис. 5.8

ности, вскрывающим кривую депрессии грунтовых вод (рис. 5.9, б). Третий тип разгрузки грунтовых вод на земную поверхность — эк­ранированный (рис. 5.9, в). В этом случае источники формируются в местах, где поток грунтовых вод достигает границы распростра­нения слабоводопроницаемых пород («экрана»).

О заболачивании, связанном с влиянием подземных вод, будет сказано в гл. 9.