Питание рек подземными водами. Методики расчета подземного стока

      Размеры артезианских бассейнов бывают весьма значительными – до сотен и  даже тысячи километров. Области питания  таких бассейнов зачастую значительно  удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.

      Артезианские  воды характеризуются постоянством дебита и хорошим качеством, что  немаловажно для её практического использования.

Подробнее на каждом из типов подземных остановимся ниже. 

1. Верховодка

           Верховодкой называются подземные воды, залегающие в породах зоны аэрации на линзах водоупорных пластов на сравнительно небольшой глубине от поверхности земли и имеющие в плане ограниченное распространение. Верховодка обычно насыщает различные пористые четвертичного возраста породы - пески, покровные суглинки, лёссы и др. Следует добавить, что верховодка встречается также и в верхней части :коры выветривания скальных пород. Кроме того, верховодка распространена в районах многолетней мерзлоты, где она в зимнее время полностью

перемерзает. Мощность пород, насыщенных верховодкой, обычно невелика (в среднем 0,4-1,0 М), местами она достигает 2-5 м. Водоупором для верховодки служат нередко линзы морены и выклинивающиеся водонепроницаемые или слабопроницаемые пласты другого генезиса, на  

Рис. 61. Линза марены с верховодкой: 1 - песок; 2 – песок водоносный;, 3-суглинок с валунами; 4 - глина  

неровной  поверхности которой она получает наибольшее развитие (рис. 1)

В однородных легкопроницаемых и невлагоемких породах (крупнозернистых песках, трещиноватых породах) условия для формирования верховодки неблагоприятны. В глинах верховодка также обычно не образуется. Обусловлено это тем, что вследствие набухания коллоидов верхний слой глин небольшой толщины сравнительно быстро насыщается водой и становится непроницаемым для дальнейшей инфильтрации воды с поверхности.

       Заметное  влияние на формирование верховодки оказывает характер рельефа. Так, на склонах, особенно на крутых, где благоприятны условия для поверхностного стока и неудовлетворительны для инфильтрации, верховодка не формируется или образуется маломощный слой верховодки на короткое время. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водоразделах и степных пространствах с местными понижениями (западинами), :куда стекают дождевые воды и где задерживаются талые снеговые воды. Иногда воды верховодки обнаруживаются на речных террасах. Так, в бассейне одной из рек на второй террасе в тонкозернистом илистом песке наблюдалось сезонное скопление подземных вод, которые в мелких колодцах в засушливое время года иссякали.

На территориях  городов и крупных промышленных площадках образованию верховодки  способствуют также многочисленные понижения, ямы, старые котлованы, оставшиеся от прежних строительных работ и засыпанные отвалами строительного грунта. Иногда на территориях городов верховодка наблюдается в так называемых «культурных» слоях, подстилаемых влажными песками.

       Режим верховодки всецело зависит от количества инфильтрующихся атмосферных осадков, а на территориях городов и  промышленных площадках - и от так  называемых «хозяйственных вод». С  речными водами верховодка, как правило, не имеет гидравлической связи. Но вследствие невыдержанного (прерывистого) залегания моренных суглинков и наличия размывов (гидрогеологических окон) среди моренного поля верховодка местами может иметь в ременную гидравлическую связь с грунтовыми водами.

       Продолжительность существования верховодки зависит от размеров и мощности подстилающих полупроницаемых влагоемких пород и условий питания. При небольших размерах и малой мощности относительного водоупора верховодка существует сравнительно недолго. За этот короткий срок воды верховодки фильтруются через полупроницаемые породы линзы и стекают за ее пределы в краевых частях. С увеличением размеров и мощности линзы сроки существования верховодки возрастают. При неглубоком залегании верховодки от поверхности земли значительная часть ее вод может быть израсходована на испарение (см, рис. 1).

       Ввиду не значительной мощности водонасыщенных слоев и зависимости от местных условий питания верховодка, как правило, образует лишь временное скопление воды, которое исчезает в засушливое время года или с устранением искусственного источника питания. Поэтому вода верховодки используется лишь для водоснабжения отдельных хозяйств в сельской местности и иногда для сезонного водоснабжения мелких предприятий. Колодцы, вскрывшие верховодку, обнаруживают наибольшую водообильность -весной, после снеготаяния, или в осеннее время, в период обильного выпадения осадков.

       Качество  вод верховодки различно. В районах  избыточного увлажнения эти воды слабо минерализованы (гидрокарбонатные кальциевые), в районах засушливых (чаще в южных) - сильно минерализованы и относятся к хлоридному тому натриевому типу. На территориях городов и населенных пунктов воды верховодки вследствие неглубокого залегания от поверхности подвержены сильному загрязнению.

       При строительных работах наличие верховодки является неблагоприятным фактором. В последние годы на территориях некоторых городов и промышленных площадках для устранения вредного влияния верховодки применяется дренаж, который устраивается не только вокруг отдельных зданий, но и на значительных территориях, примыкающих к промышленным площадкам. 

2. Грунтовые воды

       Еще в 1900 г. С. Н. Никитин в своей работе «Грунтовые и артезианские воды Русской равнины» дал вполне четкое определение грунтовых вод. Согласно этому определению, к грунтовым водам следует относить воду, « ... образованную за счет поглощенных атмосферных осадков в первом от поверхности водоносном горизонте, расположенном в подпочве или в более глубоких коренных породах на первом от поверхности водонепроницаемом слое, воду, оставшуюся свободной, за удовлетворением наименьшей влагоемкости водоносной породы».

       Таким образом, к грунтовым водам относятся  воды первого от поверхности водоносного  горизонта, залегающие на выдержанном  водонепроницаемом пласте. Сверху грунтовые  воды обычно не перекрываются водонепроницаемыми породами, а водопроницаемый пласт они заполняют не на полную мощность, поэтому поверхность грунтовых вод является свободной, ненапорной. При вскрытии грунтовых ВОД буровой скважиной или колодцем их уровень устанавливается на той глубине, на которой они были встречены.

            На отдельных участках, где имеется локальное водоупорное перекрытие, грунтовые воды приобретают местный небольшой напор, величина которого определяется положением уровня грунтовых вод на примыкающих участках, не имеющих водоупорного перекрытия. Области питания и распространения грунтовых вод, как правило, совпадают.

Постоянно существующие грунтовые воды имеют  широкое, почти повсеместное распространение  в природе; распространены они преимущественно в отложениях четвертичного возраста и существуют в том или ином районе длительное время. Условия залегания грунтовых вод разнообразны и определяются физико-географическими, геолого-литологическими, геоморфологическими и многими другими местными факторами.

              Грунтовые воды чувствительны ко всем изменениям, происходящим в атмосфере. В зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания: в сухое время и засушливые годы он понижается, в дождливое время и влажные ГОАЫ повышается. Уровень грунтовых вод зависит также от атмосферного давления. С течением времени изменяются качественный состав и температура грунтовых вод.

             Грунтовые воды легкодоступны для использования. Наиболее широко распространена эксплуатация их неглубокими копаными колодцами в сельских местностях. Но, залегая на незначительной глубине, грунтовые воды подвержены загрязнению.

             Поверхность грунтовых вод носит название зеркала, или скатерти, грунтовых вод. Относительно однородные по литологическим особенностям и водным свойствам пласты горных пород, содержащие грунтовые воды, называются водоносным горизонтом или водоносным пластом. Водонепроницаемую породу, подстилающую водоносный пласт, принято называть водоупорным, или водоупорным ложем. Мощность водоносного горизонта (h) определяется расстоянием по вертикали от уровня грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта.

             К особому типу подземных вод относят межпластовые ненапорные воды, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми пластами. Водопроницаемый пласт эти воды насыщают не полностью. На отдельных -ограниченных по размерам участках они могут полностью заполнять водой водопроницаемый пласт и даже иметь местный напор. Эти воды образуют как потоки так и бассейны подземных вод и гидравлически связаны с грунтовыми водами.(Рис.2)

Рис.2. Схема  залегании потока межпластовых напорных вод

1 - пески; 2 - песок водоносный; 3 - глина; 4 - уровень межпластовых вод 
 

3. Артезианские воды

       Артезианскими называют подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах (комплексах), перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами, и обладающие напором, который обусловливает подъем уровня воды над их кровлей при вскрытии воды скважинами или другого вида выработками. При благоприятных геоструктурных и гидрогеологических условиях скважины дают фонтанирующую воду.

       Артезианские  воды получили свое название от провинции  Артуа в Южной Франции (древнее  латинское название - Артезия), где в ХII в. (1126 г.) впервые в Европе был пройден колодец, вскрывший самоизливающуюся воду [13]. Такие колодцы получили название артезианских. Затем артезианскими стали называть подземные воды и водоносные горизонты, в которых вода находится под избыточным давлением и при ИХ вскрытии изливается на поверхность.

       В Древней Руси широко применялось  бурение скважин для до¬бычи  рассолов. Так, в духовной великого князя Ивана Калиты (1338 г.) упоминается  о «соляных колодезях» Соль-Галицка. Другие исторические записи указывают, что «водяные колодезю>, дающие пресную воду, существовали начиная с XVI в.

       В дальнейшем по мере накопления материалов обнаружилось что не везде и далеко не всегда водоносный горизонт, в котором вода находится под гидростатическим давлением, дает самоизливающуюся воду. Кроме того, раньше артезианские воды связывали с мульдообразными геологическими структурами типа Парижского бассейна. Впоследствии выяснилось, что условия залегания артезианских вод являются. более разнообразными и сложными.

       Артезианские  воды широко распространены в пределах синеклиз, впадин, мульд, краевых и предгорных прогибов моноклинальных структур, а также в межгорных впадинах, синклинальных прогибах, грабенах и в зонах тектонических разломов. Они обычно вскрываются в породах дочетвертичного возраста, реже встречаются и в четвертичных отложениях.

В таком  широком понимании артезианские воды рассматривают большинство  исследователей (Г. Н. Наменский, А. М. Овчинников,_ Г. В. Богомолов, А. А. Карцев, П. П. Климентов идр.). В настоящее время нередко как синонимы используются термины «артезианский» и «напорный».

Характерными  особенностями артезианских вод  являются следующие:

            1) они залегают обычно глубже горизонта грунтовых вод в водоносных горизонтах и комплексах, подстилаемых и перекрытых водоупорными (или относительно водоупорными) пластами;

       2) область питания и создания  напора артезианских вод и  область их распространения не  совпадают и часто удалены  один от другого на большие  расстояния;

            3) при вскрытии артезианского водоносного горизонта скважиной вода в последней поднимается выше кровли горизонта, Т. е. появление воды в скважине всегда отмечается глубже по сравнению с установившимся уровнем;

             4) режим артезианских вод является более стабильным по сравнению с грунтовыми водами; на их режим физико-географические факторы оказывают меньшее влияние, чем на грунтовые воды; пьезометрический уровень мало подвержен месячным и сезонным колебаниям; температура вод с глубиной, как правило, возрастает;

             5) артезианские водоносные горизонты обладают упругим режимом, который своеобразно проявляется при их эксплуатации  .