- Режим подземных вод
Лекция №27
Режим подземных вод. Общие сведения о балансе подземных вод.
План:
1. Факторы обслуживающие режим подземных вод.
2. Естественные режимы подземных вод.
3. Нарушенные режимы подземных вод.
4. Особенности баланса подземных вод.
Ключевые слова: Режим, баланс, гидродинамическая связь, естественное, искусственное изменение, водоснабжение, проливы, отливы, пьезометрический уровень, прогноз изменения режима, фильтрация, дренажный, лизиметры, дожомеры, испарители.
Рекомендуемые материалы
Под режимом подземных вод понимают происходящие под влияниме природных и хозяйственных факторов изменения: уровня, температуры и химического состава грунтовых вод; пьезометрического уровня, температуры химического и газового состава напорных вод; дебита, температуры, химического и газового состава источников и фонтанирующих скважин; расхода, температуры и химического состава возвратных вод.
Плакат №38. Первый от поверхности Земли водоносный горизонт.
Об общих изменениях судят на основании периодических наблюдений за элементами режима в постоянных точках. Колебания уровня и дебита подземных вод обусловлены главным образом изменениями:
- Количество воды, поступающей в водопласт расходуемой из него, то есть баланса воды. Это основная причина.
-Давления на водоносный пласт (и на заключённую в нём воду), зависящего от атмосферного давления, водоносных рек, проливов и отливов морей, океанов, наполнения и опорожнения каналов и водохранилищ. Очень часто эти причины проявляются одновременно. Температура подземных вод колеблется под влиянием температуры воздуха, инфильтрации и потока поверхностных или подземных вод с иной температурой и т.д.
Химический состав подземных вод связан со многими процессами: питанием и расходованием их, выщелачиванием солей в зоне аэрации при подъёме уровня грунтовой воды, переходом солей в твёрдую фазу после насыщения растворов, вмывом солей при инфильтрации и т.д.
Изменение уровня, температуры и химического состава подземных вод тесно связаны между собой и в большинстве случаев происходят одновременно.
Для наблюдений за уровнем подземных вод устраивают специальные скважины. Замеры проводят гидрогеологическими рулетками, к которым прикреплены «хлопушки», подающие звуковой сигнал при соприкосновении с поверхностью воды, а также электрический уровнемерами и самописцами.
Дебиты фонтанирующих скважин и родников – водомерами, водосливами. Пробы воды берут специальными пробоотборниками.
Показателями режима являются: установление высокого и низкого уровня, дебита скважин, и родников, скорость подъёма и спада уровня и дебита, амплитуда колебаний, характер и пределы изменений общей минерализации и типов химического состава, связь режима с различными факторами.
Результаты наблюдений представляют в виде хронологических графиков. Колебание уровня и изменения химического состава подземных вод оказывает большое влияние на условия водоснабжения, т.е. уменьшается дебит водозаборов.
Режимы подземных вод, определяемые только природными факторами, называют естественными или природными, а режимы, обусловленные одновременно природными и хозяйственными факторами, называют нарушенными, или искусственными.
По времени проявления изменений уровня и других элементов режима подземных вод различают суточный, сезонный, годовой и многолетний режимы.
Суточный режим выражается главным образом в колебаниях поверхности неглубоко залегающих грунтовых вод, вызванных чаще всего суточными изменениями испарения и транспирации, которая прекращается ночью.
Сезонный режим обусловлен сезонной ритмичностью метеорологических факторов (температура, осадки, испарение) и изменением водоносности рек. Не остаётся постоянным и химический состав грунтовых вод. Природный режим напорных вод изменяется меньше, чем грунтовых.
Годовой режим проявляется в течении нескольких лет. Известно, что влажные и многоводные годы, как и засушливые и молодые, часто повторяются 3-3 раза подряд. Это отражается на режим грунтовых вод и неглубоко залегающих напорных вод. Амплитуды годовых колебаний уровня подземных вод и изменения химического состава более значительны, чем сезонные.
Многолетний режим проявляется в периоды продолжительностью более 10-15 лет. Он обусловлен многолетними ритмическими изменениями осадков, испарения, водоносности рек, а также влиянием хозяйственных факторов. Амплитуда многочисленных колебаний уровня подземных вод и изменения химического состава их значительно превышает сезонные и годовые.
Естественный режим подземных вод, в основном грунтовых вод в зависимости от действующих факторов подразделяют с некоторой условностью на климатические, гидрогеологические, режимы подземного притока и комплексные.
Климатические режимы связанные с влиянием климатических факторов, под действием которых изменяется баланс грунтовых вод, то есть соотношение питания и расходования их. Грунтовым водам характеризующимся данным типом режима, свойственно питание за счёт осадков. В зимний период в связи с прекращением нифилотрации уровень залегает на низких отметках. Чем меньше глубина залеганий грунтовых вод и выше водопроницаемость зоны аэрации, чем большая часть осадков достигает уровня и быстрее происходит подъём его.
Климатический режим, по данным учёных зависит от изменений солнечной активности.
Гидрогеологические режимы обусловлены влиянием поверхностных водотоков и водоёмов. В отличие от климатических гидрогеологические факторы воздействуют на режим подземных вод путём не только изменения их баланса, но и гидростатической передачи напора.
Формы влияния рек на режим грунтовых вод различны. При наличии гидравлической связи между ними, если река дренирует террасы, то при подъёме уровней её создаётся подпор грунтовых вод и уровень их повышается.
Плакат №39. Река дренирует подземные воды.
В случае питания рекой грунтовых вод уровень последних следует за изменениями расходов реки благодаря гидростатической передаче напора от реки. В тех районах, где реки с грунтовыми водами гидравлически не связаны, но питают их путём свободной фильтрации (например, на верхней части конусов выноса), колебаний уровня грунтовых вод с заметным опозданием (на 2-3 месяца, а иногда и более) следует за изменением расходов рек.
Морские приливы и отливы, изменяющие нагрузку на выносные пласты, вызывают в приморских районах заметные колебания уровня грунтовых вод и напорных вод. Приливы могут быстро повышать пьезометрический уровень артезианских вод, залегающих в песчано-глинистых отложениях на глубине до 200-300 м, причём это влияние прослеживается в глубь берега на 10-15 м. и более, при отливе происходит спад уровня.
Режим подземного притока характерен для районов, в которых режим подземных вод отражает влияние притока из области питания. Наиболее типичны для периферических частей конусов выноса и предгорных шлейфов, где грунтовые воды синхронно повторяет с опозданием колебания расходов рек в области питания.
Геологические процессы также оказывают влияние на режим подземных вод. Например, в результате землетрясений нередко изменяются уровень воды в колодцах, скважинах, химический состав, дебит. Исчезают действующие и возникают новые родники. Химический состав напорных вод в большинстве случаев отличается постоянством.
Нарушение режима подземных вод часто наблюдается в районе водохранилищ и плотин. Водохранилища создают подпор грунтовых вод на участок речных долин, где река до этого дренировала грунтовые воды, или усиливают их питание за счёт реки.
В результате повышается уровень грунтовых вод, а при определённых гидрогеологических условиях - и пьезометрический уровень напорных вод. Подъём уровня подземных вод достигает наибольших значений вблизи водохранилища и уменьшается с удалением от него. Влияние крупных водохранилищ может распространяться иногда на десятки километров. Период установления кривой подпора (деприсионной – кривой поверхности) нередко длится в течении многих лет. При проектировании водохранилищ на основании гидрогеологических исследований составляют прогноз подпора грунтовых вод, чтобы своевременно принять меры борьбы с подтоплением застроенных территорий, заболачиванием и засолением земель (г. Карши).
Отбор подземных вод для водоснабжения или орошения приводит к уменьшению запасов воды в пласте. В результате снижается уровень подземных вод и образованием депрессионных водотоков, радиус которых при напорных водах может достигают многих десятков километров.
Особенно большое снижение уровня наблюдается в районе крупных городов. Например, в Москве начиная с 60-х годов для водоснабжения пробурено более 1000 артезианских скважин в каменноугольных известняках Pz. Суммарный дебит их в настоящее время превышает 5000 тыс. м3/сут. За время эксплуатации значительно снизился пьезометрический уровень (на 48-50 м.).
В Парижском артезианском бассейне с начала эксплуатации его (1841 г.) напор уменьшился на 80-100 м.
Балансом подземных вод называют соотношение поступления (приходные статьи) и расходования (расходные статьи) подземных вод в количественном выражении за определённый период (год, месяц, дохода и т.д.).
Источником питания грунтовых вод в орошаемых районах являются потери воды на фильтрацию из земляных каналов, а также из каналов с некачественными противофильтрационными покрытиями, просачивание оросительных вод на полях при вегетационных и других поливах и инфильтрации сбросных вод. Естественными источниками питания являются осадки, поверхностный и подземный приток.
Расходные статьи баланса грунтовых вод в общем случае следующие: расход в зону аэрации (испарение, транспирация и т.д.) подземный отток, выклинивание на поверхность, отток по коллекторно-дренажной сети отбор на орошение и т.д. Баланс грунтовых вод находится в тесной взаимосвязи с общим водным балансом пород зоны аэрации. При определённых гидрогеологических условиях грунтовые воды находятся в связи с водоносными (нижними) горизонтами, залегающими ниже относительного водоупора, на котором находится пласт, содержащий грунтовую воду.
Методы изучения водного баланса рассматривают в курсах «Гидрогеология», «Мелиоративная гидрогеология». Поэтому здесь ограничивается о водном балансе грунтовых вод. Баланс грунтовых вод изучают на балансовых участках (площадь их в несколько десятков гектаров), типичных по гидрогеологическим условиям для орошаемого массива. Получив данные о статьях баланса на участке, их переносят с соответствующими коррективами на орошаемый массив, баланс которого должен быть изучен. Поскольку баланс грунтовых вод находится в тесной взаимосвязи с общим водным балансом территории и водным балансом зоны аэрации, их изучают в комплексе.
Имея данные о колебании уровня грунтовых вод и о влажности почвогрунтов зоны аэрации, баланс вод зоны аэрации можно выразить следующим уравнением:
,
где Ук – глубина залегания уровня грунтовых вод от поверхности земли в конце рассматриваемого отрезка времени;
Ун – тоже, в начале рассматриваемого отрезка времени;
Wк,Wн – конечная и начальная объёмные влажности (средние) законы аэрации.
Баланс грунтовых вод.
, где
- изменение запасов грунтовых вод.
П – приток подземных вод (приток грунтовых вод со стороны или подпитывание грунтовых вод напорными.)
О – подземный отток за пределы территории или в глубокозалегающие подземные воды.
Д – дренажный сток
Фк – фильтрация из каналов всех порядков.
- доля фильтрации из каналов (Фк) идущая на питание грунтовых вод.
- подпитывание почв со стороны грунтовых вод (+) или питание грунтовых вод опускающейся почвенной влагой (-).
Если есть данные о колебании уровня грунтовых вод и о коэффициенте водоотдачи грунтов, водный баланс грунтовых вод может быть представлен выражениями:
, где
- коэффициент водоотдачи при опускании уровня грунтовых вод.
Общее изменение запасов воды на территории.
Wгр.
Для экспериментального определения статей водного баланса оборудуют специальные площади (дождемеры, мезиметры, испарители, тензиометры и другие приборы, оборудования).
Влияние орошения на режим грунтовых вод проявляется в виде усиления питания грунтовых вод, что приводит к повышению уровня грунтовых вод, что приводит к повышению уровня грунтовых вод. С пуском воды в крупные оросительные каналы возникают источники местного напора грунтовых вод. В результате подъёма грунтовых вод, вызванного орошением, при низкой естественной дренированности усиливается испарение их , что приводит, если нет искусственного дренажа, к повышению минерализации грунтовых вод и к вторичному засолению почв.
Выводы
Таким образом, по характеру влияния орошения на режим грунтовых вод обособляются зоны интенсивной естественной дренированности. Колебания уровней воды в каналах под влиянием гидростатической передачи напоров быстро отражается на грунтовых водах. Таким образом, уровень и минерализация грунтовых вод на поливных землях испытывают непрерывно изменения под влиянием пуска воды в каналы, поливов, выпадения осадков, испарения, дренажа и других факторов.
Контрольные вопросы:
1. Как определяется гидродинамическая связь водоносных горизонтов?
2. Как определяется направление потока подземных вод?
3. Изменения уровня подземных вод зависит от каких факторов?
4. Расскажите о природном режиме подземных вод?
5. В каких случаях нарушается естественный режим?
6. В условиях полноводья реки Ахангаран каков расход воды?
7. Что понимаем под термином гидрогеологические условия?
8. Прогноз изменения режима подземных вод?
9. Глубина залегания подземных вод в Хим. Городке и в старом городе Алмалыка?
10. Что такое региональный водоупор подземных вод?
В лекции "1.4 Задачи проектирования многомерных систем" также много полезной информации.
Литературы:
1. Якушева А. Ф. «Общая геология». М. Недра 1988.
2. Мильнучук В. И. «Общая геология». М. Недра 1989.
3. Ершов В. В. «Основы геологии». М. Недра 1986.
4. Иванова М. Ф. «Общая геология». М. Недра 1974.
5. Панюков П. Н. «Основы геологии». М. М. Недра 1978.
