Грунтовые воды

Это воды первого от поверхности Земли выдержанного по площади и постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на нервом от поверхности Земли водоупоре. Грунтовые воды могут залегать как в пластах с поровой пустотностью, так и в трещиноватых породах зоны выветривания. В первом случае они образуют пластовые горизонты, а во втором — зоны трещинно-грунтовых вод (в условиях проявления карста — карстовогрунтовых вод).
Грунтовые воды характеризуются следующими особенностями: 1) это, как правило, безнапорные воды (давление на их поверхности равно атмосферному); на отдельных участках они могут приобретать местный напор; 2) питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, поверхностных вод и конденсации влаги в зоне аэрации; 3) режим грунтовых вод весьма изменчив, поскольку они не перекрыты водоупорами и открыты воздействию климатических факторов (осадков, температуры воздуха, давления и др.) и хозяйственной деятельности человека (мелиорации земель, осушению территорий, сбросу сточных вод и др.); 4) грунтовые воды в зависимости от геоморфологических условий и геологического строения образуют различные формы залегания, среди которых наиболее распространены грунтовые потоки (в долинах рек), грунтовые бассейны (во впадинах, на междуречьях) и их сочетания.
Каждая из перечисленных особенностей грунтовых вод проявляется своеобразно в зависимости от характера пустотности водовмещающих пород, условий аккумуляции и движения вод, скорости передачи напора. Так, трещинно-грунтовые воды скапливаются в зоне выветривания пород складчатого фундамента. Мощность зоны выветривания в зависимости от литологии и возраста пород колеблется от нескольких метров до 100—200 м. Наибольшие ее значения наблюдаются в карбонатных и терригенных породах. С глубиной пустотность пород и степень их обводненности быстро убывают. Движение трещинно-грунтовых вод происходит по наиболее крупным каналам и трещинам. Тонкие трещины и малые поры, часто изолированные друг от друга, служат аккумуляторами вод, сдерживают быструю разгрузку водоносных зон.
Значительной динамичностью обладают карстово-грунтовые воды, которые характеризуются большими скоростями движения, значительными колебаниями уровня воды (до десятков метров), иногда они образуют подземные реки, озера и крупные источники (рис. 9.5).
Поверхность горизонта грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Она может изображаться двумя способами: с помощью карт глубин залегания и гидроизогипс. Исходные данные для построения таких карт получают на основании изучения положения уровня вод в скважинах и колодцах и учета выходов грунтовых вод на поверхность Земли (источников). По карте изоглубин залегания грунтовых вод можно выбрать наиболее благоприятные участки для расположения гидрогеологических скважин, для заложения фундамента при строительстве или дренажной сети с целью осушения верхнего водоносного горизонта. Чаще всего зеркало грунтовых вод изображается на планах или картах с помощью гидроизогипс — линий, соединяющих поверхности грунтовых вод с одинаковыми абсолютными отметками (рис. 9.6).

С помощью карты гидроизогипс можно ответить на следующие вопросы: 1) определить направление движения грунтовых вод; для этого проводится перпендикуляр к гидроизогипсам и направление выбирается от больших отметок к меньшим; 2) установить уклон поверхности грунтовых вод на заданном участке; 3) определить глубину залегания грунтовых вод в любом пункте; для этого необходимо от абсолютной отметки земной поверхности вычесть абсолютную отметку поверхности грунтовых вод; 4) вычислить мощность водоносного горизонта; 5) определить характер взаимосвязи грунтовых вод с поверхностными или с другими водоносными горизонтами.
Разнообразные и интересные задачи, которые возникают при работе с картой гидроизогипс, предлагаются в пособии; для закрепления материала по этой теме необходимо обязательно решить эти задачи.
Поверхность грунтовых вод приближенно повторяет рельеф Земли. На водоразделах глубина залегания грунтовых вод значительно больше, чем в долинах. Особенно велико это различие в горных областях, где речные долины «пропилили» свое ложе на глубину 500—700 м и более. В равнинных областях- превышение водоразделов над долинами значительно меньше: на водоразделах глубина залегания грунтовых вод составляет несколько десятков метров, а в долинах 0—5 м. На склонах и в долинах рек грунтовые воды часто выходят на поверхность, образуя источники.
Условия питания грунтовых вод определяют их режим, т. е. изменение запасов, уровня, состава и свойств грунтовых вод во времени под действием природных и искусственных (нарушенных) факторов. Г.Н. Каменский выделил четыре основных типа естественного режима: 1) водораздельный, формирующийся под влиянием инфильтрации атмосферных осадков, испарения и подземного стока; 2) прибрежный, возникающий под воздействием колебания уровня рек, озер и морей; 3) предгорный, образующийся под влиянием подземного и поверхностного стока с горных массивов; 4) мерзлотный, характеризующийся частичным или полным промерзанием надмерзлотных (грунтовых) вод в зимний период.
Искусственный (нарушенный) режим грунтовых вод накладывается на естественный и формируемый под влиянием разного рода антропогенных факторов, приводящих к осушению, обводнению или загрязнению водоносных горизонтов.
На рис. 9.7 на примере режима водораздельного типа показано изменение соотношения основных элементов баланса грунтовых вод в течение года. Наиболее интенсивно инфильтрация происходит в осенний и весенний периоды и уменьшается зимой при промерзании почвенного слоя и летом в связи с интенсивным испарением и транспирацией (участок а). С увеличением мощности зоны аэрации (участок б) испарение практически прекращается, а инфильтрация до грунтовых вод происходит круглогодично.

Примером прибрежного режима служат аллювиальные воды. К характерным для них можно отнести следующие особенности.
1. Тесную связь режима аллювиальных и речных вод. Чаще всего аллювиальные воды питают речные, но в период подъема уровня воды в реках может создаваться обратное движение; образуется зона подпора, распространяющаяся на расстояние нескольких километров от реки, где грунтовые воды некоторое время двигаются от русла реки к водоразделу. Уровень грунтовых вод повторяет колебания уровня воды в реке. С удалением от реки колебания уровня грунтовых вод запаздывают по сравнению с рекой, а их амплитуда уменьшается.
В определенных условиях грунтовые воды получают питание за счет речных вод. Подобные условия могут возникать в предгорных областях, в так называемых конусах выноса. В пустынных и полупустынных районах часто наблюдается отрыв уровня грунтовых вод от ложа реки. В этой обстановке речные воды являются, по существу, единственным источником питания грунтовых вод. На участках вновь создаваемых оросительных каналов происходит постепенное повышение уровня грунтовых вод, их растекание от русла канала.
2. Близкое, как правило, залегание аллювиальных вод к поверхности. Глубина их залегания обычно не превышает нескольких метров. Исключение представляют аллювиальные воды районов пустынь и полупустынь, где они могут залегать на глубине 20—40 м.
3. Гидрокарбонатный кальциевый состав и минерализация до 0,3—0,5 г/л наблюдаются в водах преобладающего большинства аллювиальных потоков.
4. Широкое использование аллювиальных вод для водоснабжения. Особенно большое практическое значение имеют так называемые инфильтрационные водозаборы — скважины, располагающиеся на расстоянии 100—150 м от берега реки, вызывающие интенсивное подпитывание грунтовых вод речными, искусственно увеличивающие эксплуатационные запасы аллювиальных вод.
На режиме грунтовых вод морских побережий сказывается воздействие моря. Это воздействие осуществляется разными путями: приходящими со стороны моря атмосферными осадками, обогащенными солями морского происхождения; сгонно-нагонными и приливо-отливными явлениями; внедрением соленых морских вод в береговую зону при эксплуатации пресных грунтовых вод. Так, например, наибольшее содержание хлор-иона в атмосферных водах наблюдается на морском побережье. С удалением от моря его содержание быстро падает.
Ветры, возникающие в прибереговой полосе, могут вызывать подъем уровня воды в море, загонять большие массы морских вод в русла рек, переносить морские брызги и соли на значительные расстояния от моря. В некоторых приморских реках в периоды сильных ветров со стороны моря соленые воды проникают по долинам рек на расстояние 5—7 км от устья и создают участки устойчивого засоления вод и пород. Приливно-отливные явления сказываются наиболее сильно в открытых морях. Подъемы уровня морских вод достигают в среднем 2—3 м, а в отдельных случаях До 9 м (Охотское море). В береговой зоне затопления обычно распространены соленые воды.
Между пресными грунтовыми водами, стекающими с суши, и солеными морскими водами создается сложное взаимодействие. В упрощенном виде (без учета смешения вод и диффузии) можно наметить плоскость соприкосновения пресных и соленых вод (на самом деле зону), которая обычно наклонена в сторону суши (рис. 9.8). Разница в плотности вод пресных (1,000) и соленых морского происхождения (1,024) приводит к тому, что для «плавания» более легких пресных вод на тяжелых соленых необходимо некоторое превышение уровня вод над уровнем моря. Чем выше уровень пресных вод, тем больше их мощность. Особенно наглядно видно это взаимодействие на островах, окруженных морем. Для уравновешивания тяжелой морской воды необходимо, чтобы уровень пресных подземных вод превышал уровень моря. По соотношению плотностей пресной и морской воды легко подсчитать, что глубина до уровня соленых вод H=43h, где h — абсолютная отметка уровня пресных вод (рис. 9.8), т. е., чем выше абсолютная отметка уровня грунтовых вод, тем больше мощность зоны пресных вод. При эксплуатации грунтовых вод в прибрежной зоне уровень пресных вод быстро снижается и водозаборная скважина начинает подсасывать соленые воды. В ряде случаев в результате интенсивной откачки подземных вод образуются обширные депрессионные воронки, в которые внедряются воды морского происхождения.
Ранее рассматривалась зональность грунтовых вод, вызванная воздействием физико-географических факторов — климата, рельефа, почв, растительности. В горных районах отмечается особый вид зональности — высотная поясность, характеризующаяся различными условиями формирования грунтовых вод в разных высотных зонах.
В горных районах ландшафтные зоны закономерно сменяются по высоте, что соответственно отражается на условиях питания и разгрузки грунтовых вод. Так, например, на приводораздельных участках происходит просачивание атмосферных вод и образование временно существующих потоков грунтовых вод. На склонах грунтовые воды аккумулируются в зонах выветривания, которые дренируются на участках уступов рельефа и особенно интенсивно, у подножия склонов. Это видно на примере центрального вулканического нагорья Армении. Модуль родникового стока в приводораздельной области (отметки рельефа более 3,3 км) составляет лишь 0,1 л/(с*км2). На склонах на отметках 2,8—3,3 км он возрастает до 1,2 л/(с*км2), на отметках 2,3—1,3 км равен 5,4—12,4 л/(с*км2) и у подножия, где отметки снижаются до 0,85 км, увеличивается до 13,6 л/(с*км2). В долинах рек формируются мощные потоки грунтовых вод, имеющие тесную гидравлическую связь с поверхностными водотоками. Во многих межгорных впадинах потоки грунтовых вод сочетаются с бассейнами таких вод.
Мерзлотный режим грунтовых вод характерен для областей развития многолетней мерзлоты. Особенности сезонно-промерзающих надмерзлотных вод, приуроченных к СТС, рассмотрены в предыдущем разделе. Кроме них выделяются также надмерзлотные воды сезоннополупромерзающие и сезонно-непромерзающие, показанные на рис. 9.9. Такие воды характерны для таликов, образующихся под озерами, речными руслами, на участках выхода термальных вод, в районах деградации многолетней мерзлоты, на морских побережьях, где формируются криопэги морского генезиса.

Питание надмерзлотных вод сезоннополупромерзающих и сезоннонепромерзающих преимущественно атмосферное, хотя в отдельных случаях оно может происходить за счет речных, озерных, морских, термальных и других вод. Замерзание верхней части надмерзлотных вод в зимний период приводит к тому, что воды становятся напорными, но полного промерзания водоносного горизонта не происходит.
Грунтовые воды довольно часто выходят на поверхность, образуя источники. Источники грунтовых вод являются нисходящими. Они выходят на склонах и в уступах террас, по контакту водоносных и водоупорных пород, на участках выклинивания водоносных горизонтов, в непосредственной близости от поверхностных водотоков и водоемов. Дебит, температура, состав вод источников подвержены сезонным колебаниям. Особенно резкие их изменения характерны для карстовых вод. С этими водами связано образование крупнейших источников мира: Рас-эль-Аин, или «Царь источников» (Турция), с дебитом более 40 м3/с, Тимаво — 26 м3/с, Красный ключ (Башкирия) — 12—15 м3/с и др.
Грунтовые воды широко используются для водоснабжения, особенно для удовлетворения потребностей небольших населенных пунктов. Они обладают рядом ценных качеств: близко залегают от поверхности Земли, во многих районах страны являются маломинерализованными.
Вместе с тем эксплуатация грунтовых вод сулит и определенные трудности в связи с непостоянным их режимом и возможностью загрязнения вод с поверхности промышленными и бытовыми отходами. В ряде случаев грунтовые воды обеспечивают водоснабжение крупных городов (Баку, Хабаровск и др.) и огромных промышленных предприятий. Благоприятная обстановка для крупного водоснабжения складывается на участках развития вод аллювиальных отложений, на предгорных шлейфах.
Грунтовые воды иногда имеют лечебное значение. В них могут встречаться повышенные содержания железа, радона и некоторых других компонентов, определяющих бальнеологические свойства воды. Грунтовые воды могут приносить и определенный вред, усложняя проходку горных выработок, котлованов для строительства, нарушая нормальную эксплуатацию гражданских и промышленных сооружений, железнодорожных и автомобильных дорог, аэродромов и др.