Взаимодействие поверхностных и подземных вод

Влияние метеорологических факторов и строения зоны аэрации на режим грунтовых вод. Формирование речного стока в значительной мере связано с процессами накопления и передвижения грунтовых вод. Изменение во времени запасов грунтовых вод, заключенных в водоносных горизонтах, зависит главным образом от метеорологических факторов. Степень влияния метеорологических факторов на режим грунтовых вод зависит от условий их залегания. Если между водоносным слоем и поверхностью земли нет изолирующего водоупорного слоя, то на этом участке возможен непосредственный водообмен между водоносным слоем и атмосферой (просачивание осадков, испарение). Положение мало изменяется, если имеющиеся над водоносным слоем водоупорные породы залегают линзообразно. На небольших линзах водоупорных пород задерживаются капельно-жидкие воды, и здесь образуется местная верховодка. Воды, залегающие на линзах, подвержены особо резким колебаниям, вплоть до полного высыхания. Грунтовые воды, расположенные под линзами верховодки, несколько защищены от непосредственного влияния метеорологических факторов на их уровень.

Если водоносный горизонт перекрыт водоупорной кровлей, то грунтовые воды, будучи изолированы от поверхности земли водоупорным слоем, могут лишь косвенно отражать влияние метеорологических факторов.

Основными метеорологическими факторами, определяющими годовой ход, а также кратковременные изменения уровня грунтовых вод и величины подземного стока, являются осадки и испарение. Влияние температуры в годовом цикле сказывается косвенно, определяя количество испарения и характер осадков (дождь, снег) и условия их поглощения почвой (замерзание и оттаивание).

Процессы конденсации в большинстве случаев не имеют значительного влияния на режим грунтовых вод. Лишь в условиях пустыни в отдельные периоды они могут явиться единственным источником формирования подземных вод, причем за счет этого процесса может образоваться за лето свыше 20—30 мм воды.

Расходование грунтовых вод на испарение зависит от глубины их залегания. Так, по наблюдениям в Валдайской гидрологической лаборатории ГГИ с поверхности однородного песка, обладающего высотой капиллярного поднятия 35 см, в 1951 г. за период с 13 июня по 10 октября при уровне грунтовой воды 40 см от поверхности испарение составляло 163 мм, при уровне 70 и 110 см—75 мм.

Воздействие атмосферных осадков на грунтовые воды зависит от глубины их залегания, характера и интенсивности осадков, а также от строения грунтов.

При незначительных дождях вода не проникает глубоко в почву, поэтому после окончания дождя она испаряется. При сильных, но кратковременных дождях и ливнях вода не успевает глубоко просочиться, особенно при наличии большого поверхностного уклона, обеспечивающего быстрый сток воды по поверхности. Наиболее благоприятные условия для инфильтрации создаются при мелких, длительных, затяжных дождях.

Запасы снега, скапливающиеся в течение зимы, во время весеннего таяния являются главным источником питания грунтовых вод. На ход просачивания в весенний период оказывает влияние соотношение сроков таяния снега и периода оттаивания почвы.

В степных областях, где высота снежного покрова бывает небольшой, а таяние происходит иногда очень быстро, образующиеся от таяния снега воды часто успевают увлажнить лишь верхний слой. В этом случае при глубоком залегании грунтовых вод талые воды, не успевая достигнуть их уровня, испаряются. Только в понижениях рельефа, называемых иногда степными блюдцами, возможна концентрация талых снеговых вод и глубокое их просачивание до соединения с грунтовыми водами.

На режим грунтовых вод, помимо количества и интенсивности поступления воды на поверхность земли, существенное влияние оказывает строение зоны аэрации, т. е. толщи почво-грунтов от поверхности земли до уровня грунтовых вод.

Основными характеристиками зоны аэрации с точки зрения влияния ее на режим грунтовых вод являются:

• 1) мощность зоны аэрации, при увеличении которой просачивание совершается более равномерно и колебания уровня грунтовых вод уменьшаются.
• 2) неоднородность строения зоны аэрации. Чередование слоев с различной водопроницаемостью и различными капиллярными свойствами обусловливает образование подвешенных капиллярных вод. Если содержание воды в этих прослойках меньше предельного, то просачивание воды к водоносному горизонту, расположенному ниже, прекращается. Когда будет достигнут предел капиллярного насыщения, вода начнет перемещаться к уровню грунтовых вод;
• 3) удельная водоотдача грунта над зоной капиллярного поднятия. Чем больше удельная водоотдача, тем больше амплитуда колебания грунтовых вод;
• 4) степень увлажненности зоны аэрации. При прочих равных условиях подъем уровня грунтовых вод будет тем больше, чем влажнее почва; наоборот, чем меньше влажность, тем меньше поднимается уровень грунтовых вод при том же количестве атмосферных осадков. Например, при распространении зоны капиллярного насыщения до поверхности земли подъем грунтовых вод происходит с одинаковой интенсивностью как при глубоком, так и при близком залегании уровня грунтовых вод.

Подъем уровня грунтовых вод зависит от пористости водоносного горизонта и грунта, залегающего непосредственно над ним. Например, в тяжелых суглинках при залегании грунтовых вод на глубине 1,0—1,5 м подъем уровня грунтовых вод составляет в среднем 8 мм на каждый миллиметр осадков.

Изменение уровня грунтовых вод и стока их в речную сеть. Годовой ход и многолетние колебания осадков вызывают соответствующие изменения уровней грунтовых вод. Обусловленные этим колебания уровней грунтовых вод могут быть сезонные, годовые и эпизодические.

У колебаний сезонного типа, имеющих наиболее закономерный периодический характер и связанные с распространением осадков и испарения в годовом цикле, наиболее значительная амплитуда.

В большинстве районов СССР весенний максимум уровней грунтовых вод наблюдается непосредственно вслед за снеготаянием в апреле—мае. Лишь в северных районах наиболее высокий уровень осенью. Наиболее низкие уровни приурочены к зиме и лету, причем зимний минимум характерен для северных районов и вызывается глубоким зимним промерзанием, вследствие чего сокращается питание грунтовых вод. В южных районах минимум обусловливается сильным испарением.

Годовые колебания, связанные с различием осадков и испарения за отдельные годы, не носят столь закономерного характера. Многоводные и маловодные годы могут следовать друг за другом, могут создаваться и целые многоводные и маловодные периоды без какой-либо определенно выраженной закономерности. Амплитуда годовых колебаний, проявляющаяся в течение многолетнего периода, обычно меньше, чем сезонных колебаний.

Чередование многоводных и маловодных лет вызывает соответствующее колебание уровней грунтовых вод в многолетнем периоде. В годы с обильными осадками запасы грунтовых вод пополняются, а в маловодные — расходуются. Это приводит к уменьшению амплитуды колебания годового стока рек, имеющих грунтовое питание.

Аккумулирование части атмосферных осадков в виде запасов грунтовых вод в многоводные годы и расходование этих запасов в форме речного стока в последующие маловодные годы приводят к тому, что связь между атмосферными осадками данного года и стоком этого года нарушается: в многоводные годы часто стекает Воды относительно меньше, чем в маловодные.

Грунтовый сток мало меняется от года к году. Поэтому в многоводные годы он будет мало отличаться от стока маловодных лет и, следовательно, составит меньшую долю к осадкам многоводного года, чем это наблюдается в маловодные годы.

Наряду с рассмотренными выше сезонными и годовыми (многолетними) колебаниями уровней грунтовых вод имеются и колебания, связанные с оттепелями и выпадением больших летних осадков. Эти эпизодические колебания могут иметь значительную амплитуду.

Колебания уровня подземных вод, как правило, связаны с изменением объема подземного стока. Таким образом, все причины, вызывающие изменение запаса подземных вод в той или иной мере, определяют изменение подземного стока.

Изменения подземного стока зависят и от геологического строения района залегания подземных вод и от гидрогеологических условий.

Колебание расходов подземного потока будет значительнее, когда: 1) больше площадь питания по отношению к площади распространения водоносного слоя, т. е. больше зона непосредственного водообмена с атмосферой; 2) ближе расположена область питания к зоне разгрузки, т. е. колебания в поступлении воды на поверхность земли в области питания быстрее сказываются на подземном стоке, чем в случае значительного расстояния между зоной разгрузки и областью питания, и 3) больше водопроницаемость породы зоны аэрации и водоносного слоя.

Если зона аэрации представлена слабопроницаемыми отложениями, то колебания расходов подземного потока будут невелики, так как в этом случае в водоносный слой поступает сравнительно немного воды, которая отводится водоносным слоем без существенного повышения уровня подземных вод.

Подземные воды, гидравлически связанные и гидравлически не связанные с поверхностными водами. Береговое регулирование поверхностного стока. Подземные и поверхностные воды тесно взаимосвязаны. Поверхностные водотоки в большинстве случаев оказывают существенное влияние на подземные воды, находящиеся в прибрежных зонах. В свою очередь подземные воды обеспечивают питание рек, особенно в те периоды, когда поверхностный сток отсутствует или является незначительным.

Насколько значительной может быть связь речных потоков с подземными водами, показывают расчеты водообмена между р. Амударьей и грунтовыми водами на участке г. Керки — с. Таш-Сака. По этим данным грунтовый приток в реку на рассматриваемом участке с января по март увеличивается с 15 до 140 м3/с. Затем с повышением уровня в р. Амударье начинается фильтрация воды из реки в песчаные грунты долины и поймы. Расходы воды на фильтрацию составляют в апреле 95 м3/с, в мае 445 м3/с и в июне достигают максимального значения — 630 м3/с. В среднем за год на этом участке потери из русла реки на фильтрацию составляют 155 м3/c. Из указанного количества, идущего на пополнение грунтовых вод, грунтовым потоком уходит за пределы долины реки в мае 195 м3/c, в июне 280 м3/с, а в среднем за год около 100 м3/с.

Процесс водообмена поверхностных и грунтовых вод зависит не только от изменения уровней поверхностных и грунтовых потоков, но и от гидрогеологических условий и геоморфологического строения местности.

По характеру залегания водоупора можно выделить два основных типа грунтовых потоков прибрежных зон.

1. Грунтовые потоки, гидравлически связанные с поверхностными водами. Они возникают в том случае, когда водоупор залегает ниже минимальной отметки уровня воды в речном русле, врезанном в проницаемые породы.

В пределах этого типа следует различать два случая:

• а) зеркало грунтового потока в течение большей части года наклонено к реке, которая дренирует водоносный горизонт (рис. 1 а). Движение воды в обратном направлении (от реки в берега) бывает только при высоких уровнях и в сравнительно узкой береговой полосе. Этот случай наблюдается в районах, где имеются благоприятные условия для образования сравнительно мощных потоков грунтовых вод за счет просачивания атмосферных осадков, т. е. в зоне избыточного и достаточного увлажнения;
• б) зеркало грунтового потока наклонено от реки и питание грунтового потока происходит за счет фильтрации речных вод (рис. 1 б). Этот случай распространен в южных засушливых районах, где в связи с интенсивным испарением запасы грунтовых вод невелики.
• 2. Грунтовые потоки, гидравлически не связанные с поверхностными водами или имеющие временный двусторонний обмен. Гидравлическая связь не имеет места в том случае, когда водоупор грунтового потока находится выше максимальных горизонтов воды в реке (рис. 1 в).

Если поверхность водоупора лежит выше меженного уровня реки, но затапливается при паводках, имеет место временная гидравлическая связь поверхностных и грунтовых вод. Гидравлическая связь распространяется на небольшую прибрежную зону в том случае, когда водоупор круто поднимается от уреза реки в глубь берега и грунтовый поток как бы обтекает поверхность водоупора, следуя изменениям его уклона (рис. 1 г).

Явление фильтрации речных вод в берега во время восходящей стадии половодья и возврат их в реку при спаде половодья обусловливает береговое регулирование поверхностного стока. Общая продолжительность берегового регулирования поверхностного стока занимает время, равное приблизительно периоду весеннего половодья.

Рис. 1 Различные случаи соотношения между грунтовыми и поверхностными водами

грунтовый вода метеорологический аэрация Явление фильтрации речных вод в берега во время восходящей стадии половодья и возврат их в реку при спаде половодья обусловливает береговое регулирование поверхностного стока. Общая продолжительность берегового регулирования поверхностного стока занимает время, равное приблизительно периоду весеннего половодья.

Поскольку в течение половодья поток грунтовых вод, гидравлически связанных с рекой, находится в подпоре, подземное питание рек за счет основных запасов подземных вод бассейна в этот период резко сокращается или совсем прекращается.

Зона подпора грунтовых вод иногда распространяется на большое расстояние. Так, в верхнем течении р. Оки заметное повышение уровня грунтовых вод в период половодья наблюдается на расстоянии свыше 800 м от реки, а на р. Волге—на расстоянии 2 км и более.