Оценка баланса подземных вод

ТИПЫ БАЛАНСА ГРУНТОВЫХ ВОД

Типизация расчетных схем (моделей), необходимая для выбора методов гидродинамического анализа режима подзем­ных вод на ключевых (расчетных) участках, рассмотрена в работах [4] и [5] применительно к различным гидродинами­ческим типам режима грунтовых вод, выделенным впервые Г. Н. Каменским.

Подтипы таких схем согласуются с характером граничных условий и длиной потока для неустановившейся фильтрации воды в водоносных пластах пород. Каждому подтипу отвечают определенные расчетные зависимости, вытекающие из решения дифференциального уравнения неустановившегося движения.

В качестве регионального обоснования выделяемых типов баланса может служить корреляция результатов многочислен­ных расчетов элементов баланса грунтовых вод с мощностью зоны аэрации z, выполненная для европейской и азиатской частей территории СССР [5]. Для характеристики среднемного - летних коэффициентов (по отношению к норме осадков) инфильтрации, испарения грунтовых вод, питания этих вод сверху или пополнения подземного стока, зависящих от глубины до воды, в различных регионах СССР может служить график, приведенный на рис. 26.

На основании обобщения расчетных данных были получены региональные корреляционные связи коэффициента годовой

Суммы инфильтрации осадков KWl=—и коэффициента

Г, ХыДЭ

Годовой суммы испарения грунтовых ВОД Ки — - у-, с одной

Стороны и среднегодовых глубин до воды z, с другой.

На основании анализа кривых обеспеченности, приведенных на рис. 26, можно сделать следующие выводы.

1. В центральных и северо-западных районах европейской части СССР, включая Прибалтийские республики (первый регион), при глубинах до грунтовой воды 0<Z<0,7 м в среднем за многолетие годовое испарение с уровня грунтовых вод превышает сумму инфильтрации осадков за год. Поэтому питание этих вод в среднем за год (норма) отрицательное. Вода, поступающая с подземным стоком, расходуется на испарение. Соответствующий тип баланса грунтовых вод можно назвать испарительно-инфильтрационным. В нем преобладает вертикальный водообмен над горизонтальным. При частом напорном подпитывании водой избыточно увлажненных земель снизу испарение может компенсироваться подтоком напорных вод из глубоких водоносных толщ пород. Обычно такие условия типичны для избыточно увлажненных земель на поймах рек, озер и около болот. П2.

На юго-востоке европейской части СССР (второй регион) аналогичный тип баланса грунтовых вод свойствен местам с глубиной до воды 0 < г <2,5 м. Здесь на значительно больших глубинах еще сохраняется отрицательное питание грунтовых вод для среднего по водности года (норма). Поэтому естествен­ного стока грунтовых вод при этих глубинах также не образуется. Он начинает формироваться при достижении инфильгрующейся водой глубин более 2,5 м.

При глубинах до грунтовых вод в среднем 2,75 м в первом регионе и 5,6 м во втором величина питания достигает соответствующего максимума, оставаясь в пределах глубин 0.7 < г <2,75 м в первом и 2,5<г<5.6 м во втором регионах положительной и непрерывно возрастающей. На этих глубинах особенно интенсивно формируется горизонтальный подземный сток, о чем говорят максимальные колебания уровней грунто­вых вод во времени.

Соответствующий тип баланса грунтовых вод может быть назван инфильтрациопио-испарительно-стоковым. Таким образом, полагаем, что помимо вертикального водо­обмена здесь зарождается и ярко выражен горизонтальный сток в водоносной толще пород.

При глубинах до грунтовой воды более 2,75 м в первом регионе и более 5,6 м во втором питание грунтовых вод с глубиной уменьшается благодаря аккумуляции инфильгрую­щейся воды в зоне аэрации, но весьма незначительно. Здесь вероятен как вертикальный, так и горизонтальный водообмен в пределах водоносных толщ пород.

Если в центральных и северо-западных районах СССР, включая Прибалтийские республики, расход грунтовых вод на испарение в среднем за многолетие снижается до нуля (или примерно до 1% от осадков за год) на глубине 5 — 6 м, то на юго-востоке европейской части СССР это испа­рение еще сохраняется при глубинах до воды около 10 м. В этом проявляется различие климата и общей географической обстановки (зональности) этих регионов. До указанных макси­мальных глубин распространения испарения формируется и н ф и л ь г р а и и о н н о - с г о к о в ы й тип баланса.

При больших глубинах до грунтовых вод, на которых испарение с зеркала этих вод отсутствует (т. е. при z>5 — 6 м в первом регионе и при z>10 во втором регионе) испарение это исключается из баланса. Баланс грунтовых вод становится типично стоковым при различном соотношении горизон­тального и вертикального водообменов.

Если в предыдущем типе баланса грунтовых вод ежегодно отчетливо проявляется накопление или убыль запасов этих вод при разном соотношении притока Qt и оттока Q2 вод в течение года, то при глубинах до воды более 10—15 м почти во всех

АН, и

0,6 И

°А

Рис. 27. Графики колебания уровня грунтовых вод для равнин европей­ской части СССР в зонах избыточного и неустойчивого увлажнения для раз­личных типов баланса:

А испариіельно-инфи іьірационный (0- 0.7); с)- инфильтрацношю-иепари f ельно-сгоковый (0.7 - 2,75): в — инфильграциошю-стоковый (2,75 -5); г- типично-сюковый (5—15); д - многолетнего реіулировання сюка (более 15).

В скобках приведены среднемноголенше глубины до воды, м

А* -

О,

0\

О, б г г

О, ч -

I IlfflllMIIl Месяцы

О,

Регионах часто возможна неболыная разность между Qt и Q2, которая сохраняется с тем или иным знаком в течение ряда лет (обычно трех-четырех и более). Этот тип баланса называют балансом многолетнего регулирования под­земного стока. В двух последних типах баланса, несомненно, наблюдаются небольшая инфильтрация осадков и^Ат и раз­ность между боковыми притоком и оттоком — -®--At вод в

F

Горизонтальном направлений, не исключен также и переток воды вниз е. Вместе с этим для последнего типа характерно сглаживание региональных искусственных нарушений подзем­ного стока.

На рис. 27 для сравнения приведены фрагменты характерных графиков колебания уровня грунтовых вод в естественных условиях на Восточно-Европейской равнине (по режимным данным).

Испарительно-инфильтрационный тип баланса распространен преимущественно в поймах рек, озер и на заболоченных низинах с весьма малыми глубинами до воды (менее 1 м). Режим грунтовых вод выражен небольшими месячными колебаниями уровня (порядка 0,1—0,7 м). В пе­риоды инфильтрации осадков уровни быстро повышаются; при сухой погоде или при замерзании почв они понижаются на небольшую величину.

Из-за слабой дренированности местности, низкой прони­цаемости болотных, пойменных или озерных отложений гори­зонтальный сток практически отсутствует, уступает место вертикальному перетоку вниз или подтоку глубоких грунтовых и межпластовых, часто напорных вод. Подток этих вод расходуется на пополнение неглубоких грунтовых" вод, которые расходуются преимущественно на суммарное испарение. Для протекания этих процессов должна быть разность напоров воды по вертикали.

Инфильтрационно-испарительно-стоковый тип баланса грунтовых вод распространен в долинах равнинных рек в пределах надпойменных террас, где глубины до воды составляют 1 — 3 м. Он может встречаться также на плоских слабо дренированных частях междуречий с избыточным увлаж­нением земель. Режим уровня грунтовых вод характеризуется резкими сезонными и месячными колебаниями, значительно превышающими изменения уровня для первого типа. Наиболее интенсивные подъемы уровня вызываются инфильтрацией осад­ков, весенних талых вод снегового покрова и достигают 1 м и более. При летнем испарении возникает устойчивый тренд понижения уровня, продолжающийся до осени, осложненный наложением кратковременных пиков и спадов, отражающих текущую погоду.

В балансе вод заметную роль кроме инфильтрации и испарения играет переменная по величине и знаку разность между горизонтальными притоком и оттоком вод, а также, вероятно, и перетекание грунтовых вод по вертикали. В роли естественных дрен выступают реки, их притоки, овражно - балочная сеть и другие понижения местности.

И н ф и л ь т р а ц и о н н о - с г о к о в ы й тип баланса грунтовых вод распространен на высоких древнеаллювиальных террасах в долинах рек и водораздельных плато с глубиной до воды от 3 до 5 м. Режим уровня грунтовых вод типично водораздельный, так как непосредственно определяется метеорологическими условиями (выпадением осадков, испарением) и в меньшей степени — режимом вод поверхностного стока.

Для центральных и северо-западных районов европейской части СССР, включая Прибалтийские республики, в течение первых месяцев года (до начала весны) происходит снижение уровня грунтовых вод (см. рис. 27). Причина этого подземный сток грунтовых вод в отсутствие питания последних с поверх­ности.

Весенний подъем уровня вызывается инфильтрацией талых вод. За ним следует летний спад уровня под влиянием испарения и подземного стока. Осенью часто возникают подъемы уровня, вызванные инфильтрацией осенних осадков. Перетекание грунтовых вод вниз происходит наиболее интен­сивно на водораздельных территориях, сложенных рыхлыми четвертичными водно-ледниковыми, элювиально-делювиаль­ными и другими отложениями.

Стоковый тип баланса грунтовых вод распространен на высоких плато с глубиной до воды от 5 — 6 до 10—15 м. Режим уровня грунтовых вод характерен сглаженным графиком плавных изменений глубин до воды, отражающим весенний минимум (перед началом весеннего питания сверху) и осенний максимум в дождливое время (осень). В этом проявляется сезонное регулирование запасов грунтовых вод за счет инфильт­рации осадков через зону аэрации мощностью 6—15 м в начале года и в результате замедленного стока летом при отсутствии влияния на испарения с поверхности.

Тип баланса, приводящий к многолетнему регу­лированию подземного стока, приурочен к наиболее возвышенным частям водораздельного плато, сложенного до­статочно приницаемыми породами, через которые возможна инфильтрация осадков. Зона аэрации мощностью более 10 — 15 м выступает в роли аккумулятора просачивающихся осадков во влажные годы и в виде источника постоянного пополнения подземного стока в засушливые годы, следующие после влажных лет.

Для этого типа баланса грунтовых вод амплитуда колебания уровня минимальна (несколько дециметров и сантиметров в год). Кривая колебания уровня плавная; экстремальные значе­ния уровня отстают. во времени от многоводных (по осадкам) лет на 1 — 3 года и более.

Аналогичную картину условий формирования баланса грун­товых вод можно наблюдать на юго-востоке европейской территории СССР (табл. 4). На рис. 28 приведены типовые схемы условий (модели) формирования баланса грунтовых вод на указанной территории за год.

Превышение инфильтрации осадков над расходованием грунтовых вод на испарение и вертикальный ток влаги в зону аэрации за год отмечаются в четырех типах из девяти. Из них в трех типах формировался местный подземный сток или происходило пополнение этого стока с модулем от 0,2 до 0,68 л/(с • км2)(норма стока).

При благоприятных для захоронения осадков условиях в эоловых песчаных отложениях, несмотря на превышение годо­вого испарения над инфильтрацией, разность между притоком и оттоком грунтовых вод на расчетном участке (см. табл. 4) составила —12,8 мм/год (модуль 0,41 л/(с-км2). Такие условия были при глубине до воды 2,2 — 6,8 м от дневной поверхности (см. рис. 28).

Также примечательно формирование подземного стока при испарительно-стоковом балансе грунтовых вод на территории 136

Типы формирования баланса грунтовых вод на отдельных участках Сало-Ергснинского плато, Прикаспийской низменности и Терско-Кумского междуречья, по А. В. Лебедеву (1980)

Рис. 28. Типовые схемы условий формирования типов баланса грунтовых вод на юго-востоке европейской части СССР:

А инфи'їьтрационно-сі окового: б инфильтрациоппо-с і окового склонового; в - инфильтранионио-под - порного: г инфилыранионно-испарителыю-стокового; д инфи іьтрамионно-иснариіельно-нодпорпого, е испарительно-инфильтрационно-стокового: ж исііариіельно-ішфильграішоїто-подпоріїого: j —испа - риіельно-сі окового: и испари гельио-подпорного: / ночвенно-раегшельный слой. 2- суглинок; 3 супесь; 4 песок; 5--иніепсивносіь птанин груиговых вод сверчу; 6 интенсивность испарения грунювых вод; 7 - липза пресных вод. плавающая на соленых; 8 - уровень грунтовых вод; М и N - сечения границы расчетного злеменіа

Волнистых песков в Прикаспии при глубинах до воды 7,3 — 8,1 м (см. рис. 28), где модуль местного пополнения под­земного стока составил 0,41 л/(с • км2). Этот сток формировался за счет сработки предшествующих запасов грунтовых вод, что указывает на значительную дренирующую роль котловин выдувания в песчаных массивах Хвалынском равнины. Здесь формируется линза пресных грунтовых вод. Такая схема баланса характеризуется многолетним регулированием объема подземного стока. В целом данный тип баланса в указанном регионе встречается довольно редко.

Приведенные примеры типов баланса грунтовых вод в значительной степени характеризуют соотношение элементов баланса грунтовых вод между собой в различных гидрогеологи­ческих условиях, выявляют источники образования подземного 138 стока и этим способствуют оценке динамических ресурсов пресных вод, используемых для водоснабжения.