Питание рек подземными водами. Методики расчета подземного стока

            Упругость водяных паров, насыщающих воздух, как известно, увеличивается с повышением температуры. В зимнее время верхние "слои почвы имеют более низкую температуру, чем нижние, поэтому водяные пары зимой поднимаются снизу вверх, увеличивая влажность почвенного слоя. А. Ф. Лебедев подсчитал, что за холодный период года почва получает дополнительное питание за счет передвижения водяных паров снизу в виде слоя воды высотой до 66-¬80 мм. В теплый летний период передвижение водяных паров происходит сверху вниз, поскольку летом почва получает большое количество солнечной энергии и с поверхности сильно прогревается. В Центральных Каракумах, например, в июле температура поверхности почвы в отдельные дни достигает 700 С.

            К аналогичным выводам пришел Ф. П. Саваренский, проводивший опытные работы в Муганской степи.

            Теория А. Ф. Лебедева, основанная на большом числе хорошо организованных и тщательно проведенных лабораторных и полевых исследований, внесла много нового в вопрос о процессах перемещения и накопления влаги в почвах и горных породах. Однако в выводах А. Ф. Лебедева все же остаются некоторые недоказанные положения.

Кан уже  было отмечено, в настоящее время  в результате длительных исследований и многочисленных наблюдений можно  считать установленным, что основным видом питания подземных вод, находящихся в зоне активного водообмена, является инфильтрация атмосферных осадков.

В районах  с малым количеством атмосферных осадков существенное значение на питание подземных вод может оказывать конденсация.

           О величине конденсационного питания подземных вод имеются ценные сведения в работе В. Н. Чубарова. Тан, для некоторых районов пустыни Каракум в котловинах заросших песков расчетом установлена величина конденсации, равная 17,8 мм в год.

           На участке гидрогеологической станции «Феофания», организованной в лесостепной зоне Украинской ССР, :К. д. Ткаченко при тщательном изучении процесс а конденсации влаги удалось определить раздельно как конденсацию, происходящую за счет паров воды, проникающих из атмосферного воздуха, так и конденсацию формирующегося за счет паров почвенного воздуха. Многочисленными исследованиями в климатических условиях названной станции установлено, что за период с мая по октябрь Конденсация составила 13,56 мм. Эта конденсация происходит только в верхнем слое почвы мощностью 10 см, и она не оказывает существенного влияния на увлажнение почвы.

            В последние годы большинство исследователей конденсационную теорию рассматривают совместно с инфильтрационной, поскольку влага при этих видах питания имеет атмосферный генезис. 
 

2. Инфильтрационная  теория

             Инфильтрационная теория происхождения подземных вод возникла одной из первых.

            Первое ее изложение относится к 1 в. до н. э. (Марк Витрувий Поллио). В XVII-XVIII вв. она была поддержана и научно обоснована П. Перро, э. Мариоттом, Э. Галлеем,  А. Валлисниери, М. В. Ломоносовым и др. Великий русский ученый М. В. Ломоносов (XVIII в.) писал об образовании подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков: « ... что в рудники и жилы воды из гор самих с минералами вытекают, то явствует из § 68 и далее; чтож оная вода верховая от дождей, 'то изведали сами рудокопы, кои уверяют, что в сухие и бездождевые годы минеральные воды в рудниках не так одолевают,. как в дождливые».

           Таким образом, Ломоносов по существу высказал мысль о питании подземных вод за счет поглощения (инфильтрации) атмосферных осадков и увязал это явление с геологическими процессами, протекающими в «слоях земных». Он утверждал, что атмосферная вода <с .. глубоко в Землю проницая, выводит с ключевою водою глубоко потаенные минералы».

       Суть  этой теории заключается в том, что  подземная вода формируется путем  проникновения (инфильтрации) в глубь  Земли дождевых и талых вод. Разнообразие Химического Состава вод объяснялось. растворением и выщелачиванием горных пород.

            В настоящее время инфильтрационная теория признается наиболее достоверной в отношении происхождения и формирования большинства пресных и некоторых типов минеральных вод. 

1.3.Седиментационная теория 

             Эта теория так же, как и инфильтрационная, зародилась в глубокой древности, когда пытались установить прямую связь между водами океанов, морей и подземными водами. Инфильтрационпая теория не могла объяснить происхождения высокоминерализованных вод и рассолов глубоних слоев осадочныIx толщ.

             В первоначальной формулировке по этой теории предполагалось, что высокоминерализованные воды в породах являются остаточными (реликтами) водами древних морей, которые образовались одновременно с отложением осадков в морских бассейнах и сохранившие свой состав в неизменном виде до настоящего времени.

В такой  упрощенной форме происхождения  подземных вод эта теория называлась реликтовой, или погребенной. Подобные представления на происхождение и формирование соленых вод оказались вскоре в явном противоречии с данными геологической :истории формирования осадочных образований, а также и гидрогеологическими и гидрогеохимическими фактами.

            Среди русских и советских геологов и гидрогеологов в отношении возможности сохранения вод древних морей в осадочных толщах и участии их в формировании соленых вод и рассолов существуют' различные ТОЧJ(И зрения. Большинство исследователей (Н. И. Андрусов, В. И. Вернадский, А. д. Архангельский, Н. :К. Игнатович, А. Н. Бунеев, Г. Н. Каменский, К. И. Маков, А. М. Овчинников и• др.) считают вполне возможным сохранение в определенных естественных условиях на больших глубинах измененных при высоких давлениях и температурах соленых вод морского генезиса. Они полагают, что в при родных условиях широко распространены воды морского генезиса, образовавшиеся одновременно с осадконакоплением (сингенетические) или проникшие в ранее сформировавшиеся осадки из морских бассейнов (эпигенетические) и подвергшиеся глубокой метаморфизации в процессе диагенеза осадков. Подобные взгляды исследователей положили начало историко-геологическому направлению в выяснении происхождения соленых вод и рассолов. глубокозалегающих осадочных толщ.

             Другие концепции формирования соленых вод и рассолов в толщах земной коры в той или иной степени допускают или даже полностью отрицают участие вод морского генезиса в их формировании. Из них необходимо отметить гипотезы внутрипластового испарения (В. А. Сулин, М. Е. Альтовский И др.), фильтрационного эффекта (Д. С. Лоржинский И др.), гравитационной дифференциации ионов (1\. В. Филатов), трансляционного передвижения ионов (о. я. Самойлов, Д. С. Соколов) и молекулярно-диффузионного массопереноса (С. и. Смирнов).

             Гипотезы внутрипластового испарения и гравитационной дифференциации ионов подверглись резкой критике и в настоящее .время Считаются несостоятельными. Гипотеза формирования соленых вод в результате фильтрационного эффекта пока не имеет твердого обоснования.

Гипотезы  трансляционного движения молекул  воды и ионов и особенно молекулярно-диффузионного  массопереноса в формировании солености  подземных вод и гидрогеохимической зональности .артезианских бассейнов  заслуживают внимания и дальнейшего изучения. 
 

1.4.Ювенильная  теория 

              Ювенильная означает юная.  Так называют воду, выделяющуюся из магмы и до своего появления на поверхности Земли еще не участвовавшую в общем круговороте воды. Как уже отмечалось, на ранних этапах образования Земли и гидросферы вода явилась результатом дегазации мантии.              Таким образом, по генезису, основываясь на гипотезе А.П. Виноградова, все воды на Земле являются ювенильными. Однако такое предположение оказалось возможным высказать только в наше время, когда накоплен огромный исследовательский материал. Тем не менее даже в настоящее время этот вопрос нельзя считать окончательно решенным.

В XVI в. Агрикола высказал мысль, что в земной коре могут сгущаться пары воды, идущие снизу с больших глубин. Это предположение в то время не получило развития и поддержки.

              В 1902 г. известный австрийский геолог Э. 3юсс выступил с ювенильной теорией происхождения подземных вод. Согласно его последним взглядам образование многих минеральных вод, особенно горячих и газирующих, происходит за счет выделения паров из магмы, которые, конденсируясь в более холодных сферах, поднимаются по глубоким тектоническим трещинам и разломам и появляются на поверхности в виде минеральных источников.

             Детальное изучение минеральных и термальных вод (высоко-температурных) источников, проведенное Н. Н. Славяновым, А. М. Овчинниковым, С. и. Набоко и другими исследователями, не подтверждает, однако, ювенильного происхождения глубоких подземных вод. Напротив, многие данные указывают на то, что глубокие термальные и минеральные воды нередко тесно связаны с водами верхней зоны земной коры и имеют атмосферный или морской генезис.

В настоящее  время большинство исследователей не отрицают возможность образования  какого-то количества ювенильной воды в магматических очагах. Однако доля их в общем балансе подземных вод, по-видимому, незначительна.

Ф. П. Саваренский указывает на другие возможные источники образования подземных вод. Известно, что довольно многие минералы и горные породы содержат в своем составе химически связанную гидратную кристаллизационную воду.

Горные  породы и минералы, содержащие химически связанную воду, при изменении физико-химических условий равновесия могут выделить часть воды. Так, горные породы и минералы выделяют воду при тектоническом погружении. При обратном процессе, т. е. при поднятии горных пород в верхние зоны земной коры или, например, при вынесении минеральных соединений на поверхность подземными водами, образуются другие минералы, содержащие химически связанную воду. Следовательно, в недрах земли подземная вода может переходить в связанную воду, которая при соответствующих условиях вновь станет капельно-жидкой и поступит в общий круговорот воды. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Классификация  подземных вод 

      По  условиям залегания выделяют три  типа подземных вод: верховодку, грунтовые  и напорные, или артезианские.

      Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения и  дебита. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами. Верховодка занимает ограниченные территории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.

      К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя. Почвенные воды представлены почти связанной водой. Капельно-жидкая вода в почвах присутствует только в период избыточного увлажнения.

      Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте  ниже верховодки. Обычно они приурочены к выдержанному водонепроницаемому пласту и характеризуются более  или менее постоянным дебитом. Грунтовые  воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше. Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа.

      Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Как отмечалось выше, на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.

      Грунтовые воды, накапливающиеся в аллювиальных отложениях – один из источников водоснабжения. Они используются как питьевая вода, для полива. Выходы подземных вод  на поверхность называются родниками, или ключами.

      Напорные, или артезианские воды. Напорными  называют такие воды, которые находятся  в водоносном слое, заключенном между  водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное  разностью уровней в месте  питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши, или мульды, заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.