Воды зоны аэрации

Как было указано выше, зоной аэрации, т.е. зоной неполного насыщения, называется верхняя часть разреза земной коры, огра­ниченная сверху поверхностью земли и снизу свободной поверх­ностью подземных вод первого водоносного горизонта. Мощность этой зоны изменяется практически от 0 до 200—250 м и более (см. гл. 2).

В соответствии с ее названием (зона неполного насыщения) свободное пространство в минеральном скелете пород зоны аэра­ции заполнено частично водой (связанные воды, капиллярные, свободные гравитационные, вода в виде пара, лед) и частично га­зами преимущественно атмосферного происхождения. При этом влажность пород зоны аэрации в плане (от участка к участку), в разрезе и во времени (по сезонам года и в годы различной водно­сти) может меняться чрезвычайно сильно: в общем случае от уровня, соответствующего максимальной молекулярной влагоем­кости (в условиях аридной зоны влажность пород зоны аэрации может быть и меньше значения в\_П|), до значений, соответствую­щих полному насыщению (И^,.,^.)-

Уровень влажности пород зоны аэрации и его изменения в разрезе определяются в первую очередь степенью увлажнения по­верхности земли (периоды выпадения атмосферных осадков, ве­сеннее снеготаяние, орошение и др.) и проницаемостью пород зоны аэрации, определяющей условия просачивания воды через поверхность земли и скорость ее перераспределения в разрезе. В свою очередь проницаемость, соотношение различных видов воды и, следовательно, влажность пород в решающей степени оп­ределяются также составом пород зоны аэрации (галечники, пес­ки, супеси, суглинки, трещиноватые или закарстованные породы, слоистый разрез зоны аэрации и др.).

При этом экспериментально установлено, что при нисходя­щем движении (просачивании) свободных гравитационных вод через ненасыщенные породы зоны аэрации их проницаемость су­щественно зависит от влажности и может быть выражена следую­щим соотношением:

K = K^W\ (7.1)

где Аф — коэффициент фильтрации при полном насыщении И^_пкс; W = И^//И^/_Ш]._с — относительная влажность пород зоны аэрации: п = 3—4 (Шестаков, 198 Г).

В условиях зоны аэрации, сложенной относительно слабопро­ницаемыми породами (супеси, суглинки), ее проницаемость и условия движения подземных вод в той или иной мере могут определяться скважностью, формирующейся в связи с развитием корневой системы растений и деятельностью животных (И.С. Паш- ковский и др.).

В ненасыщенных породах зоны аэрации движение подземных вод может осуществляться движением парообразной, рыхлосвя­занной воды и другими путями. Однако с точки зрения взаимо­действия подземных вод зоны полного насыщения с поверхностью

земли в качестве основных видов движения воды через зону аэра­ции обычно рассматривается вертикальный влагоперенос, осу­ществляющийся под действием гравитационных и капиллярно­сорбционных сил (Шестаков, Кац, 1981).

Одним видом такого вертикального влагонереноса является нисходящее движение свободных гравитационных вод (просачива­ние) от поверхности земли до уровня первого водоносного гори­зонта, формирующее инфнльтрационное питание подземных вод. Другим — подъем подземных вод по системе капилляров от уров­ня водоносного горизонта до поверхности земли с последующим испарением (разгрузка грунтовых вод испарением — см. ниже).

По условиям залегания и особенностям водного режима в раз­резе зоны аэрации обычно выделяют три характерных горизонта подземных вод: воды почвенного слоя, верховодку и воды капил­лярной каймы (рис. 7.1).

.Ш.цн, ^'³'

1111 |з [A/'U I] HI5 Иб

Рис. 7.1. Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:

1 — породы зоны аэрации, 2 — грунтового водоносного горизонта, 3 — слабо­проницаемые породы, 4 — почвенный слой, 5 — уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 — верховодка

Горизонт почвенных вод формируется в самой верхней части разреза вблизи от поверхности земли, мощность его чаще всего изменяется от первых десятков сантиметров до 1 — 1,5 м, реже бо­лее. Степень насыщения почвенного слоя и режим почвенной влаги определяются многими факторами (выпадение жидких ат­мосферных осадков, снеготаяние, орошение, таяние сезонно- или многолетнемерзлых пород, конденсация, испарение и транспира­ция и др.), в целом весьма изменчивыми. Переувлажненные почвы обычно формируются на участках неглубокого залегания грунто­

вых вод (горизонтов верховодки), где уровень капиллярной каймы постоянно находится в пределах почвенного слоя (см. рис. 7.1).

В связи с микроагрегатной структурой почв, высоким содер­жанием органики и другими факторами в почвенном слое фор­мируются преимущественно прочносвязанные, рыхлосвязанные и капиллярные воды; в периоды интенсивного увлажнения почвен­ного слоя — свободные гравитационные воды. Основным видом движения почвенных вод является вертикальный влагоперенос под действием капиллярно-сорбционных и гравитационных сил (инфильтрация, испарение). В значительной степени режим го­ризонта почвенных вод определяется также расходом воды через корневую, систему растений с последующей транспирацией (в за­висимости от наличия и вида растительности, сезонов года и др.).

Верховодкой называются локально распространенные и, как правило, непостоянно существующие (сезоны основного увлажне­ния, многоводные годы и т.д.) скопления свободных гравитацион­ных вод, формирующиеся на пространственно невыдержанных “водоупорах” в породах зоны аэрации, выше уровня грунтового водоносного горизонта (см. рис. 7.1). Подобные водоупоры могут быть связаны с невыдержанными относительно маломощными прослоями и линзами слабопроницаемых пород (глины, суглин­ки), горизонтами погребенных почв, породами сезонномерзлого слоя (СМС) и др. Формирование верховодки наиболее типично для территорий со значительной мощностью зоны аэрации (цент­ральные части междуречных пространств, предгорные равнины, аридные районы с глубоким залеганием уровня грунтовых вод). При этом наиболее благоприятные условия образования вер­ховодки характерны для участков с относительно интенсивным инфильтрационным питанием, связанных с микропонижениями рельефа, орошаемыми массивами, участками сброса или склади­рования жидких промышленных отходов и т.д.

В зависимости от источников питания (инфильтрация, конден­сация, орошение, сброс промышленных отходов и др.) водный ре­жим и периоды существования горизонтов верховодки могут быть различными. Истощение запасов воды в горизонтах верховодки (разгрузка) связано с фильтрацией в нижележащие породы зоны аэрации (при сезонном прекращении питания), испарением и транспирацией, в ряде случаев — с интенсивным отбором воды. В зависимости от климатических условий местности, состава по­род почвенного слоя и зоны аэрации, источников питания и ус­ловий разгрузки химический состав и минерализация воды могут быть различными.

В районах распространения ММП в ряде случаев к верховодке относят также воды сезонноталого слоя (СТС). Однако условия формирования вод СТС резко отличаются от условий существо­вания типичной верховодки (см. гл. 13).

Воды капиллярной каймы связаны непосредственно со свобод­ной поверхностью первого водоносного горизонта (см. рис. 7.1). Мощность капиллярной каймы (высота подъема относительно уровня грунтовых вод) определяется гранулометрическим составом пород зоны аэрации (см. гл. 3) и может быть различной табл. 7.1). Перемещение вод капиллярной каймы в породах зоны аэрации определяется в основном изменением глубины залегания свобод­ного уровня грунтовых вод в связи с сезонными и многолетними изменениями величин питания и разгрузки.

Таблица 7. /

Предельная высота капиллярного поднятия

(Гоунтоведение, / 983)

Наличие капиллярной каймы, ее мощность и положение отно­сительно поверхности земли имеют существенное значение для формирования водного режима (влажности) пород зоны аэрации и почвенного слоя, водоснабжения корневой системы растений и, следовательно, условий разгрузки грунтовых вод путем испаре­ния и транспирации.