Питание подземных вод

Большая часть специфических гидрогеологических особенностей аридных районов связана с количеством и качеством подземных вод, доступных для использования. Во всех отложениях, кроме наиболее водопроницаемых почв, естественное питание подземных вод прекращается при годовых осадках менее 5 —10 дюймов. Размер питания зависит от водопроницаемости почвы, ее удельной влагоемкости (водоудерживающей способности) и распределения осадков при определенных температурных условиях. Например, почва с удельной влагоемкостью 15%, иссушенная до глубины 2 футов в период летних температур, только для восстановления запасов влаги до дефицита влажности требует 3,6 дюйма осадков. Если осадки выпадают в течение года несколько раз, чередуясь с периодами засухи, когда вода теряется на испарение, необходимо большее количество осадков, прежде чем начнется питание подземных вод. Но пески дюнных отложений с удельной влагоемкостью менее 5% могут обеспечить инфильтрацию на глубину более 3 футов уже при осадках лишь в 2 дюйма. Эта глубина инфильтрации, возможно, превышает мощность зоны сезонного иссушения почвы даже в тех частях дюн, которые подвергаются переотложению. Лёви выполнил более точные расчеты, приняв во внимание и другие факторы, и пришел к выводу, что питание подземных вод в дюнах осуществляется даже в относительно сухих пустынных районах.

Инфильтрация дождевой воды не происходит в виде передвижения сплошного водонасыщенного фронта. Это убедительно показано на примере недавних работ в одном из полуаридных районов западной части Большой долины Калифорнии. Множество небольших конусов выноса сложено здесь глинистым аллювием и материалом грязевых потоков. Начальная пористость этих отложений настолько велика, что их скелет не выдерживает даже незначительных нагрузок. Однако уплотнения грунта не происходит, пока сила сцепления глинистого цементирующего вещества в порах недостаточна вследствие увлажнения. Дорожное строительство и ирригационные работы здесь были затруднены образованием просадок, вызванных оросительными водами. Многочисленные работы с затоплением и увлажнением опытных участков, а также изучение влажности по многочисленным кернам показали, что пористые отложения не насыщались водой с момента их образования. В некоторых местах такое сухое состояние породы прослеживалось на глубину более 100 футов от поверхности. Даже если происходило довольно быстрое отложение породы, на это требовалось несколько тысяч лет. Таким образом, не происходило вообще никакой инфильтрации дождевой воды через поверхность этих малых конусов выноса за все время их существования. Среднегодовое количество осадков в этом районе равно примерно 7 дюймам, т. е. больше, чем в пустыне. Поэтому более надежным будет вывод о том, что в почвах пустынь с довольно большим содержанием глины не происходит значительной инфильтрации.

На коренные породы, выходящие на поверхность, и такыры во многих пустынных районах выпадает всего лишь несколько десятых дюйма осадков. В редких случаях сток может быть относительно свободен от взвешенного материала. Чаще поверхностный сток переносит большие объемы наносов. В результате образуются потоки очень мутной воды и грязевые потоки. Если вода не слишком мутная и дно русла достаточно водопроницаемо, воды инфильтруются в гравийные отложения русла. Но большая часть этих вод возвращается в атмосферу в результате испарения. При более интенсивной инфильтрации происходит питание водоносных горизонтов. Наиболее значительное питание, вероятно, там, где русло несколько сужено, чем где поток распластан и занимает широкую полосу пустыни. Это объясняется преимущественной концентрацией водопроницаемого материала на суженных участках русла. Кроме того, на такие участки поступают последние порции паводочного стока, состоящие из вод, сдренированных из вышерасположенных скоплений обломочного материала и поэтому относительно свободных от взвешенных наносов.

Гидрогеологи, изучающие пустыни, обычно полагают, что большая часть питания подземных вод происходит за счет русловых потерь, но для подтверждения этой концепции данных недостаточно. Доказательства основываются главным образом на общих соображениях, аналогичных только что приведенным. Лишь в немногих пунктах детальные наблюдения за уровнями подтверждают указанную концепцию. Одним из наиболее известных исследований этого вопроса явилось изучение обстоятельств сильных паводков в районе Тусона, штат Аризона. Несмотря на то, что была затоплена значительная территория, а еще большая оказалась под воздействием необычайно сильных дождей, наблюдения за уровнями воды по многочисленным скважинам показали, что лишь на относительно малой части затопленной территории происходило существенное питание подземных вод (рис. 10.3).

Рис. 10.4 Схема, иллюстрирующая, как в результате эксплуатации подземных вод увеличиваются региональные гидравлические градиенты, что, в свою очередь, подчеркивает различия в водопроницаемости пород

В пустынных районах большая глубина до воды на возвышенных территориях и исключительно малые гидравлические градиенты объясняются относительно слабым питанием подземных вод. В ненарушенных природных условиях гидравлические градиенты могут быть столь малы, что не удается обнаружить важные гидрогеологические барьеры. С развитием отбора подземных вод происходит увеличение объема вод, циркулирующих под поверхностью земли, и градиенты становятся более резкими, что облегчает выделение зон слабой водопроницаемости (рис. 10.4).

Циркуляция подземных вод На Западе США многие пустынные бассейны насыщены водой до самой поверхности земли, но лишь в некоторых из них существуют постоянные озера. Вода, поступающая в верхние части конусов выноса, расходуется растительностью и за счет прямого испарения с почвы в центральных частях этих бассейнов (рис. 10.5). Интересным исключением из общего правила является циркуляция подземных вод в районе Аш-Медоуз на юге штата Невада. Здесь в горах несмотря на большое количество осадков (более 10 дюймов) бассейны не заполнены водой и уровень воды в скважинах оказывается ниже уровня днищ долин более чем на 1000 футов. Трещиноватые палеозойские породы сложной структуры достаточно водопроницаемы, чтобы служить системой естественного глубинного дренирования для данного района и обеспечивать циркуляцию подземных вод вплоть до очагов разгрузки в районе Аш-Медоуз (рис. 10.6).

Рис. 10.5 Циркуляция подземных вод в простом замкнутом бассейне в пустыне. Пунктирная линия указывает уровень, на котором установилась бы вода в скважинах

Рис. 10.6 Циркуляция подземных вод в трещиноватых палеозойских породах на юге-штата Невада

Замкнутость гидроизогипс объяснется движением воды из отложений туфа и аллювия в нижележащие палеозойские водоносные горизонты. Равнины Френчмен и Юка представляют собой замкнутые впадины, где подземные воды залегают преимущественно на глубине более 1000 футов. 1 — местоположение рассматриваемой территории на карте штата Невада; 2 — Аризона; 3 — Калифорния; 4 — гидроизогипсы, построенные по данным об уровнях воды в скважинах, вскрывающих водонасыщенные отложения на глубину менее 50 футов; 5 — временное солоноватое озеро.