Оценка баланса подземных вод

МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ БАЛАНСА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Выделение типов режима подземных вод помогает устано­вить основные закономерности режима уровней, дебита и качественного состава (температура и химизм) этих вод в условиях воздействия определенных природных и техногенных факторов. При этом считается, что режим грунтовых вод отображает определенный порядок изменения количества и качества этих вод в конкретной природной и водохозяйственной обстановке, что является внешним проявлением процесса формирования подземных вод.

Баланс грунтовых вод—количественное выражение всех процессов накопления и расходования генетически различных, но взаимосвязанных водных масс, приводящих к формирова­нию определенного типа грунтовых вод и взаимоотношению этих масс между собой.

Модель, по И. К. Гавич, представляет собой схему иссле­дуемого объекта и позволяет изучить его свойства, структуру, внутренние и внешние связи и предсказать их изменение под влиянием заданных воздействий.

Если в качестве исследуемых объектов принять элементар­ные ключевые (расчетные) участки — элементы потока в том или ином гидрогеологическом районе, то моделями второго порядка можно считать типичные расчетные гидрогеологические схемы (рис. 29; табл. 5).

При исследовании формирования регионального баланса подземных вод в крупном регионе в качестве моделей первого порядка целесообразно принять типовые гидрогеологические схемы условий формирования баланса подземных вод, состав­ленные по основным направлениям движения региональных потоков подземных вод (рис. 30; табл. 6). В качестве конкрет­ных объектов исследований будут балансы подземных вод в бассейнах средних рек в тесной увязке с общим водным балансом бассейнов средних и малых рек.

Характеристика выделяемых моделей второго порядка (см. табл. 5), по существу, была представлена выше (см. гл. 2), а моделей первого порядка (см. табл. 6) сводится к следующему.

1. Платформенный тип условий характеризуется горизон­тальностью напластований горных пород и, как правило, отсутствием тектонических нарушений. Подземные воды при­урочены к спокойно залегающим пластам водопроницаемых пород, чаще всего имеют четко выдержанные водоупоры, питаются за счет инфильтрации атмосферных осадков, фильтра­ции из рек, конденсации водяных паров на месте своего

Рис. 29. Типовые расчетные схемы для ключевых участков — элементов потока (см. табл. 5):

/ - водопроницаемая порода; 2- водоупорное ложе; і —слабонроиицаемая порода рачделяющего слоя; 4 - расчегный элемент потока; 5-6- уровни грунтовых вод 0 - на конец расчешото промежутка времени. 6 в начальный момент); ньезомеїрическая поверхность напорных вод; 8 • скважина для режимных наблюдений; У - напор воды над кровлей водоносного ішасіа; 10 интенсивность питания грунтовых вод сверху

Поділи расчетной схемы

Типизация расчетных схем (моделей) для гидродинамического анализа режима подземных вод на ключевых участках (элементах потока)

Факторы режима и элементы водного баланса

Полуограниченный поток без перетекания грунтовых вод по вертикали (см. рис. 29, а) То же. с перетеканием грунто вых вод по вертикали (см. рис. 29,6)

Ограниченный (короткий) по­ток без перетекания по верти­кали:

Междуречный поток (см. рис. 29, в)

I. Прибрежный

Пласт-полоса - симметричный поток или моток с непрони­цаемой границей (см. рис. 29 ,г) Неограниченный поток без перетекания грунтовых вод по вертикали (см. рис. 29, д) То же, с перетеканием по вер­тикали (см. рис. 29, е) Полуограниченный на локаль­ном участке без перетекания по вертикали (см. рис. 29, ж) То же, с перетеканием по вер­тикали (см. рис. 29, з) Ограниченный водоразделом и данным сечением без перете­кания по вертикали (симмет­ричный поток) (см. рис. 29, и) Поток, контактирующий с зо­ной транзитного подземного стока, без перетекания вод по вертикали (см. рис. 29, к) Поток в зоне выклинивания подземных вод на поверхность с перетеканием грунтовых вод по вертикали (см. рис. 29, л)

Гидрологические, климатиче­ские и гидрогеологические: X,

/р. Qi, Q2, WjAT, ИА9 То же и г At

То же, и режим второй реки без перетекания вниз или вверх То же, и отсутствие притока грунтовых вод на второй гра­нице (л'=0)

Климатические и гидрогеоло­гические: X, Z, WjAt, мЛЭ

То же, и eAt

То же, а также Q0, Q2, г: "в То же, и є А г

Климатические и гидрогеоло­гические: Л', Z, £>,. (?2, »': Ат. иА9, £ = 0

То же, и (л:) = const ПРИ

То же, при Qj и Q2, не равных между собой, и при єА/<0

Примечание. X осадки: 7. испарение; /р речной сток; Qt и вг~ приток и огток грунтовых вод; w, At - ипфилырация осадков; иДЗ - испарение грушевых вод; z&t —перетекание вод но вертикали.

Распространения или в удаленных локальных областях, где водопроницаемые породы залегают вблизи дневной поверхности. Подземные воды разгружаются в озера или иные понижения в рельефе, а также путем испарения в атмосферу. В аридных условиях реки могут питать подземные воды путем инфильтрации своих вод в водопроницаемые отложения.

Кроме горизонтального стока широко распространено вер­тикальное перетекание грунтовых вод на водораздельных частях речных бассейнов в подстилающие межпластовые часто напор -

Рис. 30. Схемы гидрогеологических условий формирования баланса подземных вод (см. табл. 6):

/ мноюлетния мерзлоta; 2 водоносная порода (галик); 3 суглинок; 4 - супесь; J •■ морена; б--иесок; 7 ■ галечник: Н - водоунор; 9 извесшяк; 10 - глины песчаные, трещиноваїьіе; II крисі аллические породы; 12 аргиллиты, сланцы; 13 крис ыллический фу пламен і; 14 уровень груш овых вод; 15 - линия тока воды: 16 напор воды (пьезометрическая высота); /7 - пьезометрическая поверхность; Ні ~ караовые нургоіьі; IV - исіочник; 20 ігесчшіо-гдинистая голша пород: 21 песчаник. 22 подошва подзоны дренирующего влияния средних рек, Г талик; А, В, С, D. Е. 1- участки

Типовые схемы (модели) условий формирования регионального баланса подземных вод в речных бассейнах

Тим расчешой схемы

Подіии расчетом схемы

Обдасін распространения

I. Платформен­ный (равнин­ный)

Области многолет немерзлых пород (см. рис. 30, а) Зоны избыточного увлажне­ния — районы аллювиальных и зандровых равнин (см. рис. 30,6)

Таежная (лесная) зона с отно­сительно однородной толщей пород (см. рис. 30, в) То же, с неоднородным строе­нием пород (см. рис. 30, г) То же, со сложным строением толщ водоносных пород (см. рис. 30, д)

То же, с карстующимися по­родами (см. рис. 30, е) Степная зона с покровом лёссовидных суглинков (см. рис. 30, ж)

Та же зона и полупустыня с линзами пресных вод (см. рис. 30, з)

Подгорные шлейфы и пред­горные равнины (см. рис. 30, и) Межгорные долины и котло­вины (см. рис, 30, к) Полосообразные геологиче­ские структуры (см. рис. 30, л) Складчатые геологические структуры (см. рис. 30. м)

Бассейн р. Воркуты

Бассейны р. Припяти и ее при­токов

Бассейны рек Клязьмы, Моск­вы и ее притоков

Бассейны рек Клязьмы, Поло- мсти, Молчади, Всдричи и др. Бассейны рек Москвы, Лейвай - ыги, Бергамака, Аремзянки и Др.

Силурийское плато Бассейн р. Бутени

Черные земли в При каспии, за - теречная часть Терско-Кумеко - го междуречья Сохский конус выноса

Бассейны рек Рика и Ксани

Бассейн р. Усы

Бассейн рек Псезуапсе и Рика

Ные водоносные горизонты. В долинах рек часто имеет место восходящее перетекание напорных вод в грунтовые потоки, которые выклиниваются на поверхность или испаряются.

Географическая зональность суши, по А. А. Григорьеву, М. И. Будыко и др., позволяет выделить подтипы первого типа природных условий. В частности, выделяются: области много- летнемерзлых пород, зоны избыточного увлажнения с различ­ной сложностью строения водоносных комплексов пород, их водоносности и строения, а также степная зона и полу­пустыни.

Подтип условий областей многолетнемерзлых пород се­верных районов европейской части СССР и Сибири (см. рис. 30, а) выделяется по преобладающему в нем широкому распространению подземных вод в твердой фазе. Распределение этих вод в литосфере, распространение их по площади, режим и

Баланс помимо геоструктуры регионов определяются геотерми­ческими условиями территории и климатом. В климатическом отношении эти области относятся к избыточно увлажненным с индексом сухости (т. e. R/(LX), где R — радиационный баланс, L—скрытая теплота испарения, X—осадки за год) менее 0,45. На рис. 30, а выделены участки: слияния сезонного протаивания и замерзания с кровлей многолетнемерзлых пород; неели - вающейся мерзлоты (участок Е)\ талики под рекой (участок В), под озером (участок F); водораздельные талики (участок D) и т. п. Каждому типовому участку свойственны специфические условия существования и балансы подземных вод.

Грунтовые воды приурочены к надмерзлотным, внутри - мерзлотным и подмерзлотным слоям такого грунта. Первые из них крайне не постоянны в своем режиме. Последние часто являются надежным источником водоснабжения.

Восполнение запасов надмерзлотных грунтовых вод про­исходит преимущественно летом. Различные элементы рельефа (водоразделы, склоны, долины) по-разному проявляют себя в формировании баланса подземных вод и их стока.

Автор детально проанализировал режим и баланс грунтовых вод в бассейне р. Лек-Воркуты. Этот бассейн с площадью водо­сбора 95 км2 расположен в Печорском угольном бассейне за Полярным кругом. Он относится к переходной зоне между районами сплошного и массивно-островного распространения многолетнемерзлых пород. Территория бассейна располагается в Косью-Роговском артезианском бассейне третьего порядка, который представляет собой часть Печоро-Предуральекого артезианского бассейна.

Наличие хорошо проницаемых пород в зонах таликов содействует инфильтрационному питанию глубоких межпла­стовых вод путем перетекания грунтовых вод в межпластовые (пермские) водоносные горизонты. Это явление обычно отме­чается на водоразделах и пологих склонах. Расход воды здесь достигает 2 — 7,5 л/с с 1 км2. Источниками инфильтрации воды из зоны аэрации служат талые воды и осадки в виде дождя. Величина инфильтрации составляет 30 — 50% от годовой суммы осадков. Испарение с уровня грунтовых вод, находящихся на глубине 1,5 — 5,5 м, колеблется от 10 до 36% годового количества осадков. Подземный сток формируется в ранневееен - ний и осенне-зимний периоды путем перетекания грунтовых вод в подстилающие межпластовые горизонты, которые дрени­руются речной сетью.

Восходящее перетекание подземных вод из коренных (перм­ских) отложений в грунтовые потоки происходит обычно в холодное время года и наблюдается в нижних частях склонов и в их основаниях. Этот элемент баланса достигает 16 — 49 мм/год, или 0,5—1,5 л/с с 1 км2. Положительное питание 144 грунтовых вод приурочено к локальным участкам сквозных и несквозных таликов; фильтрация талых вод летом возможна и через мерзлые породы (по трещинам).

Районирование территории бассейна реки производится по геоструктурному принципу с учетом геоморфологии, сплош­ности многолетнемерзлых пород и микрорельефа дневной поверхности. Для каждого района составляют баланс грунто­вых вод согласно уравнениям (87), (185) или (186) и общий водный баланс в виде слоев воды:

VAH^ + Dt+D^X-Z+K^I^-Qu-zAt, (215)

Где К і—конденсация водяных ларов на поверхности и в зоне аэрации; Qu — отток подземных вод из района.

Подтип условий зоны избыточного увлажнения в первую очередь рассматривается для районов аллювиальных и зандро - вых равнин с индексом сухости 0,45—1 (см. рис. 30, б).

Территорию исследований расчленяют на районы с различ­ными типами сочетаний подземных и грунтовых вод с напорными, По каждому району составляют общие балан­сы воды и балансы подземных вод по уравнениям (215) и (185).

Подтипы (см. табл. 6) условий таежной (лесной) зоны с различной сложностью строения водоносной толщи пород (однородной и разнородной) подразделяются на более мелкие схемы в зависимости от литологии пород, глубины до воды, условий дренированноети, характера растительнос­ти и т. п.

Подтип условий степной зоны может подразделяться на конкретные схемы по глубине вреза эрозионной сети, дрени­рующей грунтовые воды, а также по характеру взаимосвязи этих вод с напорными водами коренных пород.

Подтип условий той же зоны и полупустынь с линзами пресных подземных (грунтовых) вод может дифференциро­ваться по мезо - и микрорельефу с различной ролью микро­понижений (западины, котловины, лиманы и т. п.). Важна оценка баланса грунтовых вод в местах восполнения запасов этих вод и в местах усиленного расходования их на испарение, а также выявление роли вертикального водообмена между грун­товыми и глубокими напорными водами в формировании запасов пресных вод.

Подтипы условий подгорных шлейфов, предгорных рав­нин и межгорных долин и котловин (предгорный тип) нуж­даются в более дробном районировании по геоморфологии и во взаимосвязи вод грунтовых с поверхностными, а также с межпластовыми обычно напорными. Балансы грунтовых вод, напорных вод глубокого стока, а также поверхностных, включая поливные воды, подаваемые на орошение земель, должны изучаться совместно.

Кроме уравнений (87) и (185) для грунтовых вод, должны быть применены уравнения (157), (158) и (215) для общего водного баланса. Причем К=иА§; E—Z—Kx; A Upm = Dx; AU3=D2; Wn^w^Az, что вытекает из сравнения уравнений (157) и (158).

9. Подтипы горных условий зависят от геологических струк­тур складчатых областей. Они расчленяются на более простые схемы, в пределах которых приемлемы рассмотренные выше модели второго порядка (расчетные схемы для ключевых участков, см. табл. 5 и рис. 29).

В работе [5] рассмотрены методы гидродинамического анализа режима грунтовых вод совместно с методами общего водного баланса. В частности, выделены ключевые водосборы, по которым с помощью общеводно-балансовых методов (по экспериментальным наблюдениям) определяют суммарное испа­рение, которое затем экстраполируют на площадь бассейна горной реки.

Приведенные в табл. 5 и 6 схемы должны пополняться и детализироваться с учетом проводящихся исследований.