2.5. Подземный сток

Подземные воды могут иметь свободную поверхность (безнапорные воды) или находиться под гидростатическим давлением (напорные воды). В зоне аэрации находятся безнапорные воды: почвенные (накапливающиеся в почвенном слое), верховодка (формирующиеся на местных слабоводопроницаемых прослоях), грунтовые (залегающие на первом от поверхности выдержанном водоупорном слое), изредка – межпластовые (залегающие между водоупорными слоями); в зоне насыщения – напорные межпластовые (артезианские) воды. Наибольшую роль в питании рек имеют грунтовые и межпластовые воды. Возможны различные типовые ситуации (рис.6). Если река врезана в водоупорные породы, ее питание осуществляется в основном грунтовыми водами, гидравлически не связанными с рекой (рис.6,а). На гидрографе эта ситуация отражается пиком, несколько смещенным по отношению к пику расхода. Если река врезана в водопроницаемые породы, возникает подпорный тип питания, при котором в межень грунтовые воды питают реку, а в половодье – река питает подземные воды (б). На гидрографе подземное питание при прохождении пика расхода равно нулю. Если река прорезает толщу чередования водопроницаемых и водоупорных пород, она питается как грунтовыми, так и межпластовыми безнапорными водами (а+б). Наконец, если река получает питание за счет безнапорных и напорных вод (а+б+в), на гидрографе выделяется три составляющие, причем питание из напорных горизонтов имеет минимум после прохождения пика расхода.

Почвенная влага тесно связана с погодными условиями: во влажные сезоны происходит ее накопление, в сухие – испарение и транспирация. На 24% площади суши (льды, постоянные снега, вечная мерзлота) почвенная влага отсутствует; на 21% (аридные и полуаридные районы) – наблюдается в короткие периоды; на 55% - существует постоянно. В среднем влажность почвы в двухметровом слое составляет 10%, что соответствует общим запасам влаги в почве 16500 км³. Почвенные воды характеризуются промывным, непромывным и выпотным типами режима, выделяемыми по соотношению х_г (годовая сумма осадков) и z_г (годовая величина испаряемости) и глубине залегания грунтовых вод. Промывной тип режима характерен для областей, где х_г >z_г. Почва ежегодно подвергается сплошному промачиванию, просачивающаяся влага достигает уровня грунтовых вод, ее избыток удаляется с подземным стоком. Непромывной тип режима характерен для областей, где х_г « z_г , но грунтовые воды залегают глубоко. В почве часто наблюдается дефицит влажности, наименьший – весной и наибольший – осенью, ежегодна она промывается, а обмен влагой между атмосферой и грунтовыми водами осуществляется через слой с очень низкой влажностью, близкой к влажности устойчивого завядания растений (мертвый горизонт). Выпотной тип режима характерен для областей, где х_г « z_и, но грунтовые воды залегают неглубоко (капиллярная кайма находится в нижней части почвенной толщи). В этом случае мертвый горизонт отсутствует, и корни растений отсасывают влагу из капиллярной каймы, где формируется соленосный горизонт. Подтипы и классы водного режима почв выделяются по источникам и степени увлажнения.

Верховодка, имеющая относительно небольшое площадное распространение, мощность и запасы, характеризуется неустойчивым режимом с резкими изменениями уровня воды на протяжении года, сезона (вплоть до полного пересыхания в теплый период) и даже суток.

Грунтовые воды испытывают годовые, сезонные и суточные колебания. Принято выделять три типа их режима: летнего, сезонного и круглогодичного питания. Летнее (мерзлотное) питание отличается кратковременностью вследствие промерзания грунтовых вод в условиях сурового климата и развития многолетней мерзлоты. Сезонное питание характерно для территорий континентального климата с продолжительной и холодной зимой, когда инфильтрация отсутствует. Грунтовый сток осуществляется на протяжении всего года, потери на испарение происходят в теплый сезон. Поэтому в колебаниях уровня прослеживаются два максимума (весна и осень) и два минимума (лето и зима). По мере перехода от зоны избыточного увлажнения к зонам переменного и недостаточного увлажнения время наступления максимумов смещается: весеннего – на более ранние, осеннего – на более поздние сроки. Круглогодичное питание характерно для территорий с мягкой непродолжительной зимой, в течение которой инфильтрация не прерывается, но потери на испарение невелики. Поэтому уровень грунтовых вод с осени повышается, достигает максимума в середине зимы, а затем понижается с минимумом в середине лета. Закономерности уровенного режима грунтовых вод могут изменяться в зависимости от глубины их залегания и геологических условий.

Температура грунтовых вод испытывает влияние температуры воздуха, причем суточные ее колебания проникают до глубины 1-2 м, а сезонные – до глубины слоя с постоянной температурой. Минерализация грунтовых вод изменяется в широких пределах: от 0,1 до 10-20 г/л; она снижается в период усиленного питания и повышается при снижении уровня грунтовых вод.

Режим межпластовых напорных вод определяется в основном геологическими причинами (строением водонапорных систем, соотношением областей питания и разгрузки и пр.) и в слабой мере отражает только вековые или многолетние климатические изменения.

Ежегодно возобновляемые естественные ресурсы подземных вод зон активного (до местных базисов эрозии) и сравнительно активного (до поверхности Мирового океана) водообмена приблизительно равны подземному стоку в реки (13000 км³ в год).30,7% запасов приходится на Южную Америку, 28,2% - на Азию, 16,4% - на Северную Америку, 12,0% - на Африку, 8,4% - на Европу, 4,3% - на Австралию и Океанию.