факторы формирования и типы режима подземных вод

Режим подземных вод в зависимости от характера опреде­ляющих его явлений и факторов может быть естественным (фор­мируется под влиянием комплекса естественных факторов), нару­шенным (определяется главным образом инженерно-хозяйственной деятельностью человека) и смешанным, формирующимся под влиянием комплексного воздействия естественных и искусст­венных факторов.

Режим подземных вод — это процесс, происходящий в опреде­ленных условиях под действием природных и искусственных (со­зданных человеком) факторов. К природным относят космогенные, климатические (метеорологические), гидрологические, биогенные и эндогенные (землетрясения, вулканические извержения) фак­торы, к искусственным — обводнение, осушение и орошение тер­риторий, подпор со стороны водохранилищ, кратковременный во­доотлив при строительстве, сброс промышленных и бытовых вод, законтурное заводнение, откачки.

Все эти факторы проявляются в определенных условиях, к ко­торым относятся тектоническая структура, геологическое строение, литологический состав пород, рельеф, почвы и др. Эти условия из­меняются настолько медленно, что при изучении годового, сезонного, месячного и суточного режимов их можно считать посто­янными.

Факторы формирования режима подземных вод

Группа процессов	Факторы	Агенты воздействия
Экзо­генные	Природные: космические	Солнечная активность, приливные силы Луны и других планет
	климатические	Атмосферные осадки, влажность, температура
	гидрологические	Режим поверхностных вод (моря, озера, реки)
	гидрогеологиче­ские	Гидрогеологические условия (глубина залегания уровня грунтовых вод, строение зоны аэрации, наличие водонепроницаемых пород)
	геологические	Влияние геологического строения тер­ритории и рельефа (открытый карст, суффозия), предгорные территории
	биогенные	Наличие почвенного покрова, влияние растительности и животных организмов
Эндо­генные	Геологические	Влияние геологического строения территории (формы рельефа, тектони­ческая структура, литологическое строение)
	Тектонические	Эпейрогенические колебания земной коры, тектонические движения, вулканическая деятельность, землетрясения
Экзо­генные	Искусственные: гидромелиорация (орошение)	Подъем уровней фунтовых вод
	гидромелиорация (осушение)	Снижение уровней грунтовых вод
	Строительство гидротехнических сооружений	Создание водохранилищ и возникновение подпора грунтовых вод
	Водоотлив при строительстве горнорудных сооружений	Понижение уровней подземных вод при откачке
	Сброс промышлен­ных и бытовых вод	Подъем уровней грунтовых вод и возможное загрязнение

Естественный и смешанный режимы

Естественный и смешанный режимы подземных вод^меются на большей части территории России. Нарушенный режим наблю­дается на локальных участках там, где решающим фактором в со­здании режима подземных вод является инженерная деятельность человека (орошение, осушение, гидротехническое строительство, действие водозаборных и дренажных сооружений и т.п.).

Космогенные факторы.

Внеземные факторы оказывают влияние на режим многих процессов, происходящих внутри Земли и на ее поверхности. Это влияние прослеживается и при анализе много­летнего режима подземных вод. Так, 11-летние циклы колебаний их уровня связываются с изменением активности Солнца. В приморских районах прослеживается влияние Луны на режим уровня моря и грунтовых вод (приливы и отливы). В целом влияние космо­генных факторов на режим подземных вод изучено пока недоста­точно.

Климатические факторы.

Материалами исследований подтверж­дается влияние количества, интенсивности и состава атмосферных осадков на глубину залегания уровня, химический состав и расход (запасы) грунтовых вод. Графики колебаний их уровня для раз­личных районов России хорошо иллюстрируют эти закономер­ности. Наблюдения, проведенные в областях с сезонным промерза­нием почв и подпочв, показали, что изменение мощности зоны аэрации практически не сказывается на начале весеннего подъема уровня грунтовых вод — все зависит от широты, на которой нахо­дится район.

Гидрологические факторы.

Гидрологические факторы оказывают решающее влияние на режим подземных вод на территориях, расположенных вблизи поверхностных водоемов и водотоков. Режим грунтовых вод опре­деляется режимом поверхностных вод в реках, озерах. Гидравли­ческая связь между поверхностными и грунтовыми водами может быть различной. В одних случаях грунтовые воды могут питать по­верхностные, а в других — пополняться за их счет. Первый вариант типичен для избыточно влажной, влажной и недостаточно влажной зон в период меженного уровня в реках и водоемах.

Геологические факторы.

Геологические факторы — это относительно быстро протекающие геологические процессы, которые могут резко изменить условия залегания подземных вод и повлиять на их режим. К таким про­цессам относятся прежде всего эндогенные процессы — землетря­сения и вулканические извержения. В результате землетрясений происходит резкое изменение уровней и расходов воды в сква-

жинах и родниках, появляются новые и исчезают существовавшие до землетрясения родники.

Растительность.

Растительность (особенно лесная), животные и микроорганизмы также оказывают влияние на режим грунтовых вод. Растительность поглощает значительное количество подземной воды, а испаряет ее через листья. В то же время лесная подстилка задерживает влагу, способствует медленной инфильтрации и препятствует плоскост­ному смыву, является регулятором водного режима, защищает поля от ветровой и водной эрозии, роста оврагов, движения песков. Осо­бенно велика роль древесной растительности в предохранении степей от периодических засух и эрозии.

Отмеченные выше факторы проявляются в определенных условиях. К ним относятся рельеф, геологические условия и почвы.

Рельеф.

Глубина залегания уровня подземных вод и скорость во­дообмена в основном определяются рельефом. Для расчлененной и гипсометрически приподнятой территории при прочих равных условиях характерны большие скорости водообмена и условия, бла­гоприятные для формирования пресных вод. В условиях мелкобуг­ристого рельефа на равнинах скорости водообмена и глубина уровня подземных вод меньше. Здесь формируются более минера­лизованные воды.

Геологические условия.

К ним относятся тектонические струк­туры, геологическое строение и состав горных пород. Тектоника в значительной степени определяет направление и скорость пере­движения подземных вод. В платформенных областях они зависят от мощности, состава и условий залегания осадочного чехла.

В горно-складчатых областях с наличием разрывных дисло­каций (разломов) наблюдаются гидравлическая связь между водо­носными горизонтами и большие скорости водообмена, чем на платформенных территориях. В таких областях в пределах синк­линалей и моноклиналей формируются напорные воды. При этом углы наклона горных пород в десятки раз превышают соответ­ствующие углы в осадочном чехле платформ, где они составляют не более 2°.

Литологический состав горных пород.

Литологический состав горных пород оказывает большое влияние на качество подземных вод и условия водообмена между водонос­ными горизонтами. Их влияние на состав подземных вод хорошо видно при наличии растворимых в воде пород (известняков, гипса, каменной соли) или растворимых минералов (галита, гипса, доло­мита, кальцита) в составе нерастворимых пород. По составу под­земные воды могут быть хлоридными натриевыми (галит), сульфатными кальциевыми (гипс), гидрокарбонатными магниево-кальци­евыми (доломит) или гидрокарбонатными кальциевыми.

Наличие водонепроницаемых пород

Наличие водонепроницаемых пород способствует изоляции водо­носных горизонтов. К таким породам, например, можно отнести суглинки или глины, неслоистые с включением обломков скальных и полускальных пород (морена).

Почвы

Почвы оказывают влияние на режим верховодки и грунтовых вод. Так, в избыточно влажной зоне грунтовые воды обычно весьма пресные, богатые органическими кислотами, кислые, агрессивные. Почвы здесь нередко торфяные, содержащие закисные соединения железа, метан и сероводород. В недостаточно влажной и сухой зонах распространены сероземы. Здесь преобладают процессы ис­парения, ведущие к засолению, поэтому распространены солонча­ковые и солонцовые почвы. Грунтовые воды при инфильтрации через зону аэрации обогащаются хорошо растворимыми солями (хлоридами и сульфатами).

Изучение режима подземных вод позволяет определять:

• необходимые для прогнозов режима связи и зависимости эле­ментов режима от природных и искусственных факторов или их совокупности;
• отдельные элементы водного баланса, используемые при обос­новании водохозяйственных мероприятий и в расчетах водных балансов;
• характер и степень влияния инженерной деятельности человека на подземные воды и связанные с изменением их режима яв­ления и процессы (для обоснования наиболее рациональных путей управления режимом подземных вод, их использования, охраны и регулирования).

Под балансом подземных вод понимают соотношение между их поступлением (приходная часть) и расходованием (расходная часть) в количественном выражении (в мм или м³/га) на той или иной площади за определенный период.

Изучение элементов водного баланса и выявление его основных факторов создает основу для управления режимом подземных вод. В свою очередь, анализ режима подземных вод позволяет количе­ственно определять элементы водного баланса (инфильтрацию, ис­парение, подземный сток) и составлять точные водно-балансовые расчеты.

Задачи изучения режима и баланса подземных вод чрезвычайно многообразны. Без знания условий формирования подземных вод, их режима и баланса невозможно эффективное и научно обосно­ванное решение ни одной гидрогеологической задачи.

Только стационарные гидрогеологические исследования ре­жима и баланса подземных вод позволяют: дать количественную характеристику процессов их формирования, выявить основные за­кономерности пространственно-временного изменения их коли­чества, качества и свойств, применить эти закономерности для наиболее рационального использования и охраны подземных вод, разработать мероприятия по борьбе с их вредным воздействием и способы управления их режимом.

Данные режимных наблюдений являются основой для гидроге­ологического обоснования и инженерных прогнозов всех видов ин­женерной деятельности, связанных с использованием и регулиро­ванием подземных вод (водоснабжения, орошения, осушения, дре­нажа, гидротехнического строительства, разработки месторождений полезных ископаемых и т.д.). В России действует государственная опорная сеть наблюдательных пунктов, включающая около 100 ре­жимных станций и свыше 25 тыс. наблюдательных пунктов. Кроме того, режимные наблюдения осуществляют многие ведомства и ор­ганизации на массивах орошения и осушения, в пределах эксплуа­тируемых месторождений минеральных вод, твердых полезных, ископаемых, нефти, газа, на действующих водозаборных и гидро­технических сооружениях и т.д.

По мере роста гидрогеологической изученности территории России, дальнейшего развития сети режимных наблюдений и со­вершенствования методов обработки и использования исходной информации значение стационарных гидрогеологических исследо­ваний будет постоянно возрастать, и они станут одним из главных видов полевых гидрогеологических исследований, обосновы­вающих решение разнообразных народнохозяйственных задач.

Специализированная сеть наблюдательных пунктов необходима для исследования режима и прогнозирования его изменений в связи с решением конкретных вопросов:

• в орошаемой зоне — для обоснования мероприятий по борьбе с засолением и заболачиванием земель, составления прогноза режима подземных вод и разработки рекомендаций по регули­рованию водного и солевого балансов;
• на заболоченных землях и землях, к ним прилегающих, — для обоснования мероприятий по осушению;
• в зоне влияния крупных водохранилищ и каналов — для преду­преждения мелиоративного состояния земель, связанного с под­топлением и переработкой берегов водохранилищ;
• в районах крупных водозаборов — для оценки эксплуатаци­онных запасов подземных вод;
• в районах использования минеральных и промышленных вод — для разработки мероприятий по охране этих вод от загрязнения и истощения;
• в пределах крупных городов, в районах сброса промышленных и бытовых вод в поглощающие водоносные горизонты — для разработки мероприятий по охране окружающей среды от за­грязнения;
• в районах добычи полезных ископаемых с помощью шахт и ка­рьеров — для оценки и прогнозирования водопритока при осу­шении подземных выработок;
• при поисках и разведке полезных ископаемых с помощью под­земных вод — как индикатора для обнаружения отдельных видов месторождений;
• в районах лесных насаждений и лесных полос — для оценки из­менения их экологического состояния;
• в районах развития многолетнемерзлых пород — для исследо­вания режима вод многолетней мерзлоты.

Закономерности изменения основных показателей и параметров режима определяются режимообразующими факторами. Так, грун­товые воды, находящиеся обычно вблизи поверхности земли, ха­рактеризуются более интенсивными колебаниями показателей ре­жима (главным образом уровня), поскольку они тесно связаны с климатическими факторами и поверхностными водами.

Напорные воды, залегающие ниже грунтовых вод, обычно имеют связь с поверхностными водами и атмосферой только в об­ластях питания и разгрузки. Режим их мало подвержен влиянию климатических и гидрологических факторов. В естественном мно­голетнем режиме напорных вод проявляются вековые изменения режимообразующих факторов.

Существуют различные классификации режима подземных вод, разработкой которых занимались многие ученые и исследователи: М.Е. Альтовский, Г.Н. Каменский, B.C. Ковалевский, А.А. Коноплянцев, М.М. Крылов и др. В основу классификаций были поло­жены различные принципы. Наиболее обоснованным представля­ется генетический принцип выделения типов режима по количест­венному соотношению главных факторов.

Питание подземных вод зависит от величины инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод, подземного бокового притока, а иногда притока снизу, т.е. перетекания из напорного во­доносного горизонта. Расходование воды из водоносного горизонта происходит при испарении и транспирации воды растениями, а также вследствие подземного оттока. Воздействие режимообразующих факторов в определенных естественных или измененных человеком условиях приводит к характерному для каждой территории соотношению процессов питания и расходования подземных вод.