Режим и баланс подземных вод. Родники и их использование
1. Основные режимообразующие факторы подземных вод
Общие понятия
Под режимом подземных вод понимается процесс, характеризующийся изменением уровня, расхода, гидравлического уклона, скорости температуры, вязкости и химического и газового состава подземных вод во времени и пространстве под влиянием естественных и искусственных факторов.
Балансом подземных вод называется соотношение между их поступлением (приходная часть) и расходованием (расходная часть) в количественном выражении (в л или м3 на 1 га) за определенный период (декаду, месяц, год и т.д.)
Изменения уровня, температуры и химического состава подземных вод тесно связаны между собой и в большинстве случаев происходят одновременно.
Для наблюдения за УПВ устраивают специальные скважины. Замеры проводят гидрогеологическими рулетами, к которым прикреплены «хлопушки», падающие звуковой сигнал при соприкосновении с поверхностью воды, а также электрическими уровнемерами и самописцами. Напор воды фонтанирующих скважин и родников - водомерами, водосливами, объемным методом и другие. Пробы берут специальными пробоотборниками.
Показателями режима являются: время установления высокого и низкого уровня, дебита скважин и родников, скорость подъема и спада уровня и дебита, амплитуда колебаний, характер и пределы изменений общей минерализации и темпов химического состава, связь режима с различными факторами.
Колебания уровня и изменения химического состава подземных вод оказывают большое влияние на условия водоснабжения, мелиоративное состояние земель и инженерно-геологическую обстановку территории. Например, снижение УПВ уменьшает дебит водозаборов. Подъем горных вод выше допустимых глубин вызывает заболачивание и засоление земель, подтопление сооружений и т.д.
Факторы, обуславливающие режим подземных вод.
Режим подземных вод формируется под воздействием рада факторов природных и хозяйственных. К природным относятся:
1.климатические (изменчивость температуры, осадков, испарения);
2.гидрологические (колебания водоносности рек, уровня озер и болот, морские приливы и отливы);
3.биологические (транспирация);
4.геологические (сейсмические и другие явления) факторы.
Хозяйственные факторы - это искусственные орошения и осушения земель, отбор подземных вод, строительство водохранилищ, осушение месторождений полезных ископаемых и др.
Влияние всех этих факторов на режим подземных вод чрезвычайно различно по силе и механизму воздействия, по направленности и интенсивности процессов, по продолжительности воздействия. Влияние одних факторов измеряется длительностью геологических эпох, другие оказывают влияние в течение многолетнего периода, а ряд факторов действуют на подземные воды в течение года, сезона, суток или эпизодически. Одни факторы действуют постоянно и непрерывно, а другие - временно.
Разумеется, не все факторы воздействуют на режим подземных вод в равной степени. В определенных природных условиях либо один из факторов, либо группа факторов является ведущим, оказывающим решающее влияние на формирование отличительных черт режима подземных вод, в то время как другие факторы играют вспомогательную роль, иногда даже малозаметную по интенсивности воздействия.
Режимы подземных вод, определяемые только природными факторами, называют естественными или природными, а режимы, обусловленные одновременно только хозяйственными и природными факторами называют нарушенными или искусственными.
Наиболее многообразны режимы грунтовых вод, поскольку они тесно связаны и с хозяйственными и с природными факторами. Напорные же воды, которые отделены от поверхности водонепроницаемыми породами, связаны в большинстве и с искусственными факторами. Вне влияния этих факторов пьезометрический уровень напорных вод почти не колеблется. Исключение составляют напорные воды, находящиеся на небольшой глубине (до 50-80 м) в отложениях конусов выноса и предгорных равнин. Здесь заметно сказывается водоносность рек, питающих напорные воды.
По времени проявления изменений уровня и других элементов режима подземных вод различают:
1)суточный;
2)сезонный;
3)годовой;
4)многолетний режимы.
Суточный режим выражается главным образом в колебаниях поверхности неглубоко залегающих горных вод, вызванных чаще всего суточными изменениями испарения и транспирации, которая прекращается ночью. Это приводит при подземном притоке к ночному повышению уровня и дневному спаду его. Амплитуда суточных колебаний может достигнуть 10 -15 см.
Сезонный режим обусловлен сезонной ритмичностью метеорологических факторов (температура, испарение) и изменением водоносности рек. Сезонный характер имеют и некоторые хозяйственные факторы. Например, в большинстве орошаемых районов основные поливы проводят в летний период. Амплитуды сезонных колебаний УГВ изменяются в широких пределах (от нескольких сантиметров в пустынных районах с глубоким залеганием УГВ) до 10 - 15 м в галечниках горных рек и в предгорных шлейфах. Чаще она изменяется в пределах от нескольких сантиметров до 2 - 3 м.
Годовой режим проявляется в течение нескольких лет. Известно, что влажные и многоводные годы, как и засушливые и маловодные часть повторяются 2-3 раза подряд. Это отражается на режиме горных вод и неглубоко залегающих напорных вод. Амплитуды колебания, годовые, и изменение 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 многолетних колебаний УГВ и изменение химического состава их значительно превышают сезонные и годовые.
. Основные типы режимов и их характеристика
Режим подземных вод, в частности грунтовых, изучается с помощью сети наблюдательных пунктов (скважин, колодцев).
Определенный режим подземных вод формируется под влиянием на них природных или вызванных деятельностью человека факторов. К природным факторам следует отнести климат, геоморфологические условия, геологию и гидрологию изучаемой территории, почву растительность.
В зависимости от периодичности изучения выделяют многолетний, годовой, сезонный, месячный и суточный режимы подземных вод. Многолетний режим обусловлен изменениями климатических условий, связанных с внеземными процессами. Многолетние наблюдения за колебаниями климата выявили определенную цикличность: периоды повторения максимальных и минимальных количеств осадков в 32 - 36 лет выявляются довольно четко. Менее четко выделяются одиннадцатилетние и еще менее четко трехлетние периоды в колебании атмосферных осадков.
Годовой, сезонный режим и суточный режим подземных вод могут определятся разными факторами и при различном их сочетании. В зависимости от главного фактора влияющего на режим грунтовых вод, определяется тип их режима.
Основываясь на существующих классификациях режимов горных вод (Ланге, Каменского Т.Н. М.А. Шмидта и др.), выделяют следующие режимы подземных вод:
1.Климатический тип. Главными факторами режима являются атмосферные осадки, температура и дефицит влажности воздуха. Наблюдается на участках, удаленных от водотоков и водоемов при небольшой глубине залегания УГВ. Для условий республики Беларусь питание грунтовых вод атмосферными осадками происходит в весеннее время - УГВ поднимается. Величина питания уменьшается к югу и зависит, кроме того, от геоморфологии участка, глубины УГВ и металогического состава пород в зоне аэрации. Весенний подъем сменяется летним спадом уровня в результате подземного оттока и испарения при отсутствии питания. Иногда может наблюдаться небольшой подъём уровня при выпадении большого количества осадков осенью. Минерализация горных вод к осени обычно повышается.
2. Гидрологический тип режима наблюдается на участках, прилегающих к водоемам и водотокам (озерам, рекам, морям). Главный фактор - поверхностные воды водотоков и водоемов. Колебания уровней горных вод следуют с некоторым отстаиванием за колебанием УВ в реке, озере или море. В период паводков на реке происходит подпор и питание горных вод речными водами.
. Гидрогеологический тип режима распространен на участках с глубоким залеганием УГВ (более 7 - 10 м) удаленных от водоемов и водотоков. Такой же тип режима имеет место в напорных и безнапорных межпластовых водах. Колебание уровня обычно в течение года незначительны и обусловливаются разностью между подземными притокам и оттоком в ненапорных водах и изменением разности в пьезометрических уровнях области питания и области наблюдения в напорных водах.
. Смешанный тип режима имеет место на участках, где в равной степени на режим подземных вод влияют несколько отмеченных выше природных факторов.
. Родники
Источником (родником, ключом) называются естественный выход подземной воды на земную поверхность.
Термин «источник» употребляется для выхода любой подземной воды (пресно, минеральной, термальной), родник - преимущественно для естественных выходов пресной воды.
Выход подземных вод на поверхность воды обусловливается тремя, часто связанными между собой факторами:
1)расчленением местности, т.е. пересечением водоносных горизонтов эрозионными и другими отрицательными формами современного рельефа - речными долинами, балками, оврагами, озерными котловинами и т.п.
2)структурно-геологическим строением местности, т.е. наличием открытых тектонических трещин, антиклинальных складок с нарушенными крыльями и прочее.
3)наличием в районе интрузий и даек, в зонах контактов которых с осадочными горными породами могут образоваться открытые трещины, выводящие на поверхность подземные воды.
Кроме того, в осадочных горных породах, в самих интрузиях и дайках по трещинам могут выходить на поверхность подземные воды.
4. Классификация родников
а)По связи с безнапорными и напорными водами различают: 1) нисходящие 2) восходящие источники;
б)По продолжительности действия (т.е. режим) различают: 1) постоянно действующие родники, существующие многие годы. Дебит изменчив по сезонам года и по годам. 2) сезонно-действующие родники, возникающие только в определенное время года. К этой группе относятся родники: пересыхающие, действующие только после весеннего снеготаяния или выпадения обильных осадков; переливающиеся, перемежающиеся, свойственные закарстованным породам, родники оттаивания, выводящие подмерзлотные воды на поверхность и др. 3) ритмически-действующие родники, характеризующиеся периодичностью изменений дебита и напора. Примером их служат гейзеры.
-Особое место занимает группа родников, образование которых связано с деятельностью человека. Это родники, выходящие в нижнем бьефе плотин, образованные в результате фильтрации из оросительных каналов и выклинивающихся на орошаемых массивах (возвратные воды) и др.
в)По степени изменчивости дебита в зависимости от отношения минимального дебита к максимальному. (Плакат, стр. 216 таблица).
Причины колебаний дебита родников различны. Дебит нисходящих родников связан в основном с сезонными и годовыми изменениями осадков. Чем глубже залегает водоносный горизонт, меньше его водопроницаемость , слабее связь его с атмосферой и чем больше область питания, чем с большим опозданием отражается влияние выпадения осадков на дебите родников. Оно может сказаться и через несколько дней и через много месяцев. Дебит восходящих родников отличается большим постоянством, чем нисходящих.
г) По приуроченности к отдельным типам подземных вод выделяют источники:
1.питающиеся верховодкой;
2.грунтовых поровых вод;
3.трещинных вод;
4.карстовых вод;
5.артезианских вод;
6.подземных вод в области многолетней мерзлоты.
Источники, питающиеся верховодкой, характеризуются резкими эпизодическими колебаниями дебита, температуры и состава, зависящим в основном от изменения метеорологических условий района распространения этих источников.
Источники грунтовых поровых вод являются нисходящими; дебит, температура и состав их подвержены сезонным и в меньшей мере эпизодическим колебаниям, которые обусловлены также в основном изменением метеорологических условий района.
Источники грунтовых и напорных трещинных вод бывают нисходящие и восходящие. Первые связаны с трещинами зоны выветривания магматических, метаморфических и осадочных гонных пород. От источников грунтовых паровых вод они отличаются тем, что обычно имеют более концентрированные сосредоточенные выходы. Восходящие источники приурочены к отдельным тектоническим трещинам и зонам тектонических нарушений, пересекающих и дренирующих систему трещин зоны выветривания. Эти источники питаются напорными трещинными водами, причем напор в них обуславливается гидростатическим давлением, давлением газов (нарзаны) или водяных паров (гейзеры). К этой группе относятся большинство выходов минеральных вод, а также термальные источники.
Источники грунтовых и напорных карстовых вод встречаются как нисходящие, так и восходящие. Они отличаются большим разнообразием условий выхода на поверхность. Питаются карстовыми водами, широко распространенными в районах развития карбонатных (известняки, доломиты, мергели), сульфатных (гипсы, ангидриды) и соленосных горных пород.
Из большого количества разнообразных карстовых источников можно выделить 3 подгруппы:
1.перемежающиеся;
2.постоянные;
3.субмаринные.
Перемежающиеся источники характеризуются резким непостоянством дебита во времени; действуя по принципу сифона, они дают то большие дебиты, то очень малые, вплоть до прекращения выхода воды. Связаны подобные источники с зоной, залегающей выше уровня карстовых вод.
Постоянные источники связаны с крупными трещинами, подземными каналами, горизонтальными пещерами, развитыми в зоне распространения основных карстовых водоносных горизонтов. Дебит этих источников иногда достигает несколько м3/с, причем часто имеет резкие колебания по сезонам года.
Субмаринные источники приурочены к подземным карстовым каналам, залегающим ниже уровня моря. Характерной особенностью этих источников является периодичность их выхода под водой в зависимости от соотношения давлений в канале и над головками источников. Если давление в канале превышает давление столба воды над головкой источника, то последний функционирует; при обратном соотношении давлений происходит засасывание морской воды вглубь карстующегося массива (морская мельница). Иногда при соответствующей взаимосвязи трещин и каналов в карстующемся массиве засасывание сопровождается выходом морской воды выше уровня моря.
Источники артезианских вод являются восходящими, связаны они с напорными водами артезианских бассейнов и склонов. На территории артезианских бассейнов источники выходят в долинах рек, оврагах, озерных котловинах, складках и др.
В областях вечной мерзлоты выделяются надмерзлотные - нисходящие, межмерзлотные - восходящие и подмерзлотные - восходящие.
К особой группе источников, встречаемых в районах молодой вулканической деятельности, относятся гейзеры, получившие свое название от района Гейзер в Исландии, где они впервые были исследованы.
. Режим источников
Под режимом источника понимают изменение во времени его дебита, состава и температуры.
По особенностям режима все источники можно подразделить:
1)постоянно действующие - действуют постоянно в течение очень многих лет, имея годовые и многолетние изменения режима;
2)сезонно действующие - вследствие каких-либо специфических условий питания или особых гидрогеологических условий выхода действуют только в определенное время года;
3)ритмически действующие - те источники, которые имеют более или менее неправильную периодичность или ритмические колебания дебита и напора.
Литература
вода геологический родник
1. Кирюхин В.А.: Прикладная гидрогеохимия. - СПб.: Санкт-Петербургский гос. горный ун-т, 2011
. Институт географии РАН ; отв. ред.: Н.И. Коронкевич и др ; рец.: А.Е. Асарин и др.: Экстремальные гидрологические ситуации. - М.: Медиа-ПРЕСС, 2010
. Леонов Е.А.: Космос и сверхдолгосрочный гидрологический прогноз. - СПб.: Алетейя, 2010
. Игошин Н.И.: Проблемы восстановления и охраны малых рек и водоемов. Гидроэкологические аспекты. - Харьков: БУРУН КНИГА, 2009
. Петин А.Н.: Родники Белогорья. - Белгород: Константа, 2009
. Ферронский В.И.: Изотопия гидросферы земли. - М.: Научный мир, 2009
. Хубларян М.Г.: Водные потоки в различных средах. - М.: ГЕОС, 2009
. Московский гос. индустриальный ун-т ; Рец. Н.Н. Агапов: Экологические проблемы охраны водных ресурсов России. - М.: МГИУ, 2008
. Кондратьев С.А.: Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования. - СПб.: Наука, 2007
. М-во Eкологii Даниii, Даньске Агенство Захисту Довкiлля (DEPA), М-во охорони навколишнього природного середовища Украiни, Украiнський науково-дослiдний iнститут екологiчных проблем (УкрНДIЕП) ;
. Васенко О.Г. и iншi: Комплексні експедиційні дослідження екологічного стану водних об'єктів басейну р. Уди (суббасейну р. Сіверський Донець). - Харків: Райдер, 2006
. Эдельштейн К.К.: Гидрология материков. - М.: Академия, 2005
. Эдельштейн К.К.: Структурная гидрология суши. - М.: ГЕОС, 2005
. Зорина Е.Ф.: Овражная эрозия: закономерности и потенциал развития. - М.: ГЕОС, 2003
. Беляков А.А.: Волга до начала XX века. - М.: [Б.И.], 2002
. Пряжинская В.Г.: Компьютерное моделирование в управлении водными ресурсами. - М.: Физматлит, 2002
. Фот. А. Князева; Текст Л. Безрукова; Ред. Г. Кузнецов; Науч. консультация Г. Галазия; Пер. Г. Бобылёва: Ангара - дочь Байкала. - Иркутск: Улисс, 1994
. Государственный комитет СССР по гидрометеорологии; Государственный гидрологический институт; Под ред.: И.В. Попова, В.И. Замышляева: Вопросы гидрологии суши. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988