Водный баланс и режим подземных вод

Водный баланс подземных вод

Водный баланс земной поверхности и подземных вод (вод зоны аэрации и грунтовых вод) необходимо изучать совместно. Рассмотрим часть небольшого речного бассейна. Примем для упрощения задачи, что водообмен подземными водами с соседними бассейнами отсутствует, т.е. поверхностный и подземный водоразделы для рассматриваемого бассейна совпадают. Выделим в нем три взаимосвязанных по вертикали элемента — поверхность, зону аэрации и водоносный горизонт грунтовых вод (рис. 5.6) и напишем для каждого из этих элементов уравнение водного баланса согласно общим положениям, сформулированным в гл. 2.

Рис. 5.6. Схема водного баланса для поверхности речного бассейна, зоны аэрации

и грунтовых вод

Непосредственно для поверхности бассейна уравнение водного баланса будет иметь вид

х = y_пов+ y_инф + z_пов ±∆u_пов, (5.12)

где х — атмосферные осадки на поверхности бассейна; у_пов— поверхностный (склоновый) сток; у_инф— вода, поступившая в зону аэрации в процессе инфильтрации; z_пов — испарение непосредственно с поверхности почвы и смоченных водой растений, с участков, залитых водой, и т.д.; ±∆u_пов — изменение содержания (запасов) воды в неровностях поверхности бассейна, например в водных объектах на этой поверхности.

Для зоны аэрации получим уравнение водного баланса в таком виде:

y_инф + z_гр.в = y_почв+ y_{пит.гр.в} + z_тр + z_з.а ±∆u_з.а, (5.13)

где y_инф — поступление воды в процессе инфильтрации с поверхности (см. предыдущее уравнение); y_почв— сток в почвенном слое (так называемый «почвенный», или «подповерхностный», сток); y_{пит.гр.в} — вода, поступающая из зоны аэрации в грунтовые воды и участвующая в их питании; z_тр— поглощение воды из зоны аэрации корневой системой растений (десукция) и затрачиваемой впоследствии на транспирацию, а частично на увеличение биомассы растений; z_з.а — подземное испарение воды из зоны аэрации и потери ее в атмосферу; z_гр.в — испарение воды с поверхности грунтовых вод (эта вода идет на пополнение содержания вод в зоне аэрации); ±∆u_з.а — изменение содержания (запасов) воды в зоне аэрации (включая почву), выражающееся в изменении влажности грунтов.

Для водоносного горизонта грунтовых вод уравнение водного баланса имеет вид

y_{пит.гр.в} = y_гр.в + z_гр.в ±y_гл ±∆u_гр.в, (5.14)

где y_{пит.гр.в} — питание грунтовых вод из зоны аэрации (см. предыдущее уравнение); y_гр.в — сток грунтовых вод; z_гр.в— испарение с поверхности грунтовых вод; ±y_гл — питание грунтовых вод из глубинных напорных горизонтов или разгрузка грунтовых вод в эти глубинные горизонты; ±∆u_гр.в — изменение содержания (запасов) воды в водоносном горизонте грунтовых вод, выражающееся в изменении уровня грунтовых вод.

Суммирование трех приведенных выше уравнений (5.12) — (5.14) даст уравнение водного баланса для рассматриваемой части речного бассейна:

x = y + z ±y_гл ±∆u, (5.15)

где

y = y_пов + y_почв + y_гр.в, (5.16)

z = z_пов + z_{тр +} z_з.а, (5.17)

±∆u = ±∆u_пов ± ∆u_з.а ±∆u_гр.в , (5.18)

В уравнении (5.16) суммируется весь сток, поступающий в рекупо поверхности (по склону), в почве и с грунтовыми водами (разгрузка грунтовых вод в реку). Уравнение (5.17) суммирует расходование воды на испарение, а (5.18) — изменение запасов воды в рассматриваемой части бассейна. Уравнение баланса речного бассейна будет рассмотрено также в разд. 6.6.

Уравнения (5.12) — (5.18) должны быть отнесены к какому-либо интервалу времени ∆t, а их члены могут быть представлены либо в единицах слоя (тогда ±∆u_гр.в — величина изменения уровня грунтовых вод), либо в объемных единицах.

Исследование роли зоны аэрации и грунтовых вод в формировании водного баланса речных бассейнов в различных природных условиях показало: 1) значение зоны аэрации в вертикальном водообмене в речном бассейне весьма велико; 2) в речном стоке существенная доля приходится на подземную составляющую; 3) в величине испарения основная роль принадлежит транспирации.

Водный режим зоны аэрации

Водный режим зоны аэрации в основном определяется режимом поступления в нее инфильтрующихся вод после дождей или снеготаяния. Изменение содержания воды в зоне аэрации зависит от соотношения составляющих уравнения водного баланса (5.13).

Различают три основных типа водного режима зоны аэрации. Для их характеристики рассмотрим уравнение водного баланса зоны аэрации (5.13) для многолетнего периода, когда ∆u_з.а = 0. При промывном типе водного режима величина инфильтрации у_инф превышает потери на десукцию корневой системой растений z_три подземное испарение z_з.а уравнении (5.13) y_инф > z_тр+ z_з.а. Излишки воды идут на формирование почвенного стока у_почви питание грунтовых вод у_пит._гр._в. При компенсированном типе водного режима у_инф~ z_тр+ z_з.а.Испарительный (или выпотный) тип режима характеризуется преобладанием транспирации и подземного испарения над инфильтрацией: у_инф < z_тр+ z_з.а. В этом случае недостаток воды возмещается испарением грунтовых вод. Поскольку грунтовые воды обычно имеют повышенную минерализацию, их испарение приводит к накоплению солей в почве и к ее засолению. Одновременно с этим увеличивается и минерализация грунтовых вод.

Режим грунтовых вод

Под режимом грунтовых вод понимаются закономерные пространственно-временные изменения их запасов и характеристик, включая изменения уровня, температуры и химического состава.

На режим грунтовых вод влияют прежде всего климатические факторы, определяющие питание грунтовых вод дождевыми и талыми водами. Режим грунтовых вод зависит и от гидрологических факторов — режима связанных с грунтовыми водами водотоков и водоемов. Важную роль играют геологические условия и водно-физические свойства грунтов.

Режим уровня грунтовых водопределяется в конечном счете изменением составляющих уравнения водного баланса грунтовых вод (5.14). Изменение запасов грунтовых вод ±∆u_гр.в выразим через изменение их уровня ±∆Н. Сток грунтовых вод у_гр.в представим как разность расходов притока и оттока грунтовых вод (соответственно Q_пр и Q_отт), отнесенных к площади водоносного горизонта F (м²). Тогда для интервала времени ∆t уравнение водного баланса или уравнение для расчета изменения уровня грунтовых вод (5.14) будет выглядеть (в величинах слоя) следующим образом:

а∆Н= (Q_пр – Q_отт)∆t/F+ + z_гр.в ±у_гл,(5.19)

где y_{пит.гр.в} — питание грунтовых вод из зоны аэрации; а — величина, характеризующая водоотдачу грунта —при снижении уровня грунтовых вод (а = m), либо дефицит влажности (недостаток насыщения) — при повышении уровня грунтовых вод и аккумуляции вод в грунте (a = d)(см. разд. 5.2.3); при этом mи а должны быть выражены не в процентах, а в долях единицы.

Из уравнения (5.19) следует, что уровень грунтовых вод должен реагировать, прежде всего, на изменение их питания, т. е. поступления вод из зоны аэрации, и изменение режима притока — оттока грунтовых вод, часто связанного с режимом поверхностных вод (рек и озер). Среди факторов расходования грунтовых вод, определяющие природные факторы испытывают многолетние, сезонные и суточные колебания, соответствующие изменения имеет и уровень грунтовых вод.

Многолетние колебания уровня грунтовых вод в основном обусловлены изменениями атмосферных осадков и испарения. Наиболее важны сезонные колебания уровня грунтовых вод. Они имеют четко выраженный зональный характер, что объясняется особенностями питания и расходования грунтовых вод в различных географических зонах.

На территории бывшего СССР были выделены три провинции по режиму грунтовых вод (работы В.С. Ковалевского). Для каждой провинции характерен свой тип режима уровня грунтовых вод и других характеристик.

В провинции кратковременного летнего питания, относящейся в основном к зоне многолетнемерзлых грунтов, грунтовые воды находятся в жидком состоянии лишь в летне-осеннее время. Максимальный уровень связан с талым и дождевым питанием и обычно приходится на май — июнь (а при продолжительных летних дождях — на более позднее время).

Водный режим грунтовых вод в провинции сезонного, преимущественно весеннего и осеннего питания, охватывающей большую часть территории бывшего СССР, характеризуется зимним промерзанием зоны аэрации и максимумами уровня в периоды повышенного питания талыми водами в весеннее время и дождевыми — в осеннее время. Летние дождевые осадки в основном расходуются на испарение. Минимальные уровни грунтовых вод наблюдаются в предвесеннее время. Необходимо отметить важную закономерность: чем больше толщина зоны аэрации и чем грунты менее водопроницаемы в этой зоне, тем на более поздние сроки сдвигаются максимальные уровни грунтовых вод. Так, например, в Подмосковье при изменении глубины залегания грунтовых вод от 1 до 10 м запаздывание повышения уровня увеличивается до двух месяцев.

В провинции круглогодичного, преимущественно зимне-весеннего питания, относящейся к южным и западным районам бывшего СССР, где зона аэрации обычно не промерзает, максимальные уровни грунтовых вод наблюдаются в феврале — апреле, минимальные — в летне-осеннее время.

Суточные колебания уровня неглубоко залегающих грунтовых вод есть реакция на суточные колебания испарения и транспирации. Днем уровень грунтовых вод несколько понижается, ночью — повышается.

Режим температуры грунтовых водформируется под влиянием ряда факторов, из которых главные — это колебания температуры воздуха и температуры инфильтрующихся вод.

С глубиной многолетние, сезонные и суточные колебания температуры грунтовых вод быстро затухают. Положение зоны с постоянной температурой грунтовых вод наиболее высоко у экватора (всего несколько метров), что объясняется небольшой величиной сезонных колебаний температуры воздуха на поверхности земли (до 10—15 °С); наиболее глубоко (до 41 м) зона постоянной температуры расположена в условиях резко континентального климата. Температура воды в верхней части упомянутой зоны в пределах бывшего СССР изменяется в меридиональном направлении (с севера на юг) от нуля до 20 °С и примерно соответствует средней многолетней температуре воздуха на поверхности земли, обычно превышая ее всего на 1—3 °С. На больших глубинах температура постепенно увеличивается с глубиной в соответствии с характерным для данного района так называемым геотермическим градиентом.

Наиболее типичны сезонные колебания температуры грунтовых вод. Типы этих колебаний хорошо соответствуют типам водного режима грунтовых вод.

В провинции кратковременного летнего питания в многомерзлотных грунтах температура грунтовых вод даже в летние месяцы редко достигает 8—10 °С. Зимой грунтовые воды деятельного слоя промерзают. В провинции сезонного питания четко выражен и сезонный ход температуры грунтовых вод, осложненный ее понижением в периоды инфильтрации талых вод. Колебания температуры грунтовых вод в этой провинции чаще всего наблюдаются в пределах от 2—5 до 10—12 °С, реже — до 16—20 °С. В провинции круглогодичного питания температура грунтовых вод обычно колеблется в пределах от 10 до 20—25 °С, а в наиболее теплых районах, как, например, в Таджикистане,—от 15—16 до 33—36 °С.

Гидрохимический режим грунтовых вод(изменение их минерализации и химического состава) также связан с водным режимом и характером питания и разгрузки грунтовых вод. Наиболее важное значение имеют разбавление грунтовых вод пресными дождевыми и талыми водами и интенсивность испарения воды.

В провинции кратковременного летнего питания минимальная минерализация грунтовых вод, иногда 5—30 мг/л, отмечается в весеннее и летнее время в результате разбавления грунтовых вод талыми водами. Максимальная концентрация солей (до 1 г/л и более) в грунтовых водах (там, где они не промерзают) наблюдается в предвесеннее время. Наиболее характерные ионы в грунтовых водах НСО₃^- и Са²⁺.

В провинциях сезонного и круглогодичного питания наблюдаются два типа гидрохимического режима подземных вод. Первый из них характеризуется весенним разбавлением грунтовых вод талыми и дождевыми водами. Минимальная минерализация грунтовых вод совпадает с максимальными уровнями. Максимальная минерализация в провинции сезонного питания наблюдается в предвесеннее и летнее время, в провинции круглогодичного питания — в летне-осеннее время и, как правило, совпадает с минимальными уровнями грунтовых вод. В северных районах России и странах Балтии в условиях избыточного увлажнения минерализазция грунтовых вод колеблется в течение года в среднем от 10 до 400 мг/л. В пределах средней полосы Европейской территории России в условиях умеренного и недостаточного увлажнения сезонные колебания минерализации возрастают по направлению с севера на юг, от 20 до 1000 мг/л и иногда до 2 г/л. В южных районах России сезонные колебания минерализации могут быть еще больше (в Прикаспии от 0,2 до 11 г/л, в Средней Азии от 0,1 до 6 г/л). По направлению с севера на юг содержание ионов SО₄^2- и Na⁺ в солевом составе грунтовых вод постепенно возрастает.

Второй тип гидрохимического режима грунтовых вод характеризуется преобладанием испарения над питанием грунтовых вод, их выпариванием и снижением уровня. Эти процессы сопровождаются накоплением солей в зоне аэрации и увеличением минерализации грунтовых вод. В периоды зимнего или весеннего питания грунтовых вод инфильтрующиеся воды частично растворяют эти соли и еще более увеличивают минерализацию грунтовых вод. В отличие от предыдущего типа в данном случае максимальная минерализация грунтовых вод наблюдается при максимальных уровнях, а минимальная минерализация — при минимальных уровнях грунтовых вод. В солевом составе преобладают ионы Cl^-, SO₄^2-, Na⁺, Mg²⁺.

Наконец, при больших глубинах залегания уровня (более 10 м) отмечается особый тип гидрохимического режима грунтовых вод, характеризующийся незначительными сезонными колебаниями минерализации.

Во всех провинциях с глубиной сезонные изменения минерализации и солевого состава грунтовых вод затухают.

Специфические колебания уровня, температуры и химического состава испытывают грунтовые воды, находящиеся вблизи рек, озер и водохранилищ и связанные с ними гидравлически (см. разд. 5.6). Для режима уровня грунтовых вод в этих случаях характерны, например, колебания, сопутствующие изменениям уровня воды в водотоке или водоеме.