Подземные воды: гидрогеология, движение и антропогенное воздействие

Подземные воды включают всю воду, содержащуюся в коренных породах, почве и реголите. Объём подземных вод в 35 раз превышает объём пресной воды в озёрах и ручьях, однако в целом на долю этой воды приходится менее 1 % от общих запасов воды на планете. Большая часть населения Земли получает пресную воду именно из систем подземных вод – либо выкачивая её из-под поверхности, либо доставая вёдрами из колодцев. Любой массив горной породы или рыхлых отложений, способный удерживать и пропускать воду, называется водоносным горизонтом, тогда как участки, ограничивающие сток воды, именуются водоупорами (в оригинале ошибочно «водохранилищами»).

Формирование и распространение подземных вод. Грунтовые воды образуются в результате выпадения осадков и поверхностного стока, которые просачиваются в грунт и медленно перемещаются вниз по склону к морю. Вода залегает повсеместно под поверхностью земли, преимущественно в пределах 2500 футов (750 м) от поверхности. Общий объём подземных вод оценивается как эквивалентный слою толщиной 180 футов (55 м), равномерно распределённому по поверхности Земли. Распределение воды в грунте можно разделить на ненасыщенную зону и зону насыщения. Верхняя часть уровня грунтовых вод определяется как верхняя поверхность зоны насыщения; ниже этой поверхности все пустоты (поры) полностью заполнены водой.

Принципиальная схема системы подземных вод. Вода поступает в систему на склонах холмов и вытекает ниже по склону в виде родников и сточных водотоков (курсивом – описание рисунка).

Использование подземных вод для обогрева и охлаждения. Вода обладает высокой удельной теплоёмкостью, что означает: для её нагревания или охлаждения требуется значительное время и много тепловой энергии. Кроме того, изолирующий эффект окружающей почвы и коренных пород приводит к тому, что температура грунтовых вод круглый год остаётся относительно постоянной – обычно около 50 °F (10–12 °C). Основываясь на этих свойствах, инженеры начинают использовать подземные воды для обогрева и охлаждения зданий. В жаркую погоду вода подаётся через радиаторы для охлаждения; в прохладную погоду она нагревается, а поскольку вода аккумулирует тепловую энергию эффективнее воздуха, это даёт значительную экономию энергии.

Значение и уязвимость ресурса. Пресная вода – один из важнейших ресурсов в мире. Из-за пресной воды ведутся войны, и права на воду остаются политически значимыми вопросами в засушливых регионах, таких как запад Америки и Ближний Восток. Учитывая, что мы живём на планете с ограниченным запасом пресной воды и быстро растущим населением, пресноводные ресурсы, вероятно, станут ещё более важной темой для будущих поколений. Значительная часть подземных вод мира подвергается растущему риску загрязнения промышленными и антропогенными загрязнителями, поэтому необходимы усилия для надлежащей защиты этого скудного ресурса.

Соединённые Штаты и другие страны осознали, что подземные воды жизненно важны для выживания. Только недавно они начали понимать, что большая часть мировых ресурсов подземных вод уже загрязнена как природными, так и антропогенными процессами. Примерно 40 % питьевой воды в США поступает из подземных резервуаров. Ежедневно в Соединённых Штатах из этих резервуаров выкачивается около 80 миллиардов галлонов грунтовых вод.

Движение подземных вод. Большая часть подземных вод не остаётся неподвижной: они постоянно движутся, хотя их типичная скорость составляет всего один-два дюйма (2–5 см) в день. Скорость перемещения зависит от количества открытого пространства в горной породе или реголите и от того, насколько хорошо эти пространства соединены между собой. Система подземных вод также включает неподвижные подземные воды – например, влагу почвы, воду в вечной мерзлоте, а также геотермальные воды или воды из нефтяных пластов.

Пористость и проницаемость. Пористость – это процентная доля от общего объёма материала, состоящая из открытых пустот. Песок и гравий обычно содержат около 20 % открытых пространств, тогда как глина – около 50 %. Размеры и форма зёрен определяют пористость, на которую также влияют уплотнение, цементация и деформация. В отличие от пористости, проницаемость – это способность материала пропускать жидкость через свои открытые поровые пространства. Проницаемость напрямую не связана с пористостью: например, все поры в теле могут быть изолированы друг от друга (высокая пористость), но это задерживает воду и препятствует её движению (низкая проницаемость).

Молекулярное притяжение – сила, заставляющая тонкие плёнки воды прилипать к твёрдым частицам, а не опускаться вниз под действием силы тяжести, – также влияет на проницаемость. Когда поровые пространства очень малы (как в слое глины), молекулярное притяжение достаточно сильно, чтобы остановить поток воды. Когда поры крупные, вода в центре пор может свободно перемещаться. После выпадения осадков большая часть воды остаётся у поверхности, потому что глина в приповерхностных горизонтах почвы удерживает значительное количество влаги за счёт молекулярного притяжения. Во многих регионах благодаря этому формируется слой почвенной влаги, способный поддерживать сезонный рост растений.

Пополнение и разгрузка. Часть воды у поверхности испаряется или используется растениями; другая часть стекает непосредственно в ручьи. Оставшаяся вода просачивается в зону насыщения, пополняя запасы грунтовых вод. Попав в зону насыщения, она медленно перемещается из возвышенных участков в низменные под действием силы тяжести. Самые низкие участки – это обычно озёра или ручьи, и многие ручьи образуются там, где уровень грунтовых вод пересекает поверхность суши. В пределах уровня грунтовых вод отдельные частицы воды движутся по разным траекториям. Время прохождения от поверхности до ручья может составлять от нескольких дней до тысяч лет даже вдоль одного склона холма. Вода может течь вверх из-за высокого давления на глубине и низкого давления в ручьях.

Система подземных вод лучше всего понимать как совокупность множества взаимодействующих компонентов: одни действуют как каналы и резервуары, другие – как точки входа и выхода. Зоны подпитки – это места, где вода поступает в систему; зоны сброса (разгрузки) – места, где вода покидает её. Во влажном климате зоны подпитки охватывают почти всю поверхность суши (за исключением ручьёв и пойм); в пустынном климате зоны подпитки состоят в основном из гор и аллювиальных отложений, а зоны разгрузки – из ручьёв и озёр.

Уровень грунтовых вод меняется в зависимости от количества осадков. Во влажных регионах он отражает топографические изменения; в засушливые периоды или в засушливых местах он, как правило, выравнивается до уровня ручьёв и озёр. Вода течёт быстрее всего при наибольшем уклоне, поэтому во влажные периоды грунтовые воды движутся быстрее. Самый высокий наблюдаемый уровень стока грунтовых вод в Соединённых Штатах составляет 800 футов в год (250 м/год).

Водоносные горизонты и родники. К водоносным горизонтам относятся любые проницаемые породы или реголит, насыщенные водой, через которые движутся грунтовые воды. Хорошими водоносными горизонтами служат гравий, песчаник, а также трещиноватые горные породы. Глина настолько непроницаема, что образует слабые водоносные горизонты и, как правило, создаёт водоупоры, которые останавливают движение воды. Родники – это места, где подземные воды выходят на поверхность земли. Родники могут образовываться там, где поверхность земли пересекается с уровнем грунтовых вод, или при вертикальном или горизонтальном изменении проницаемости – например, когда вода в гравии на склоне холма перекрывается слоем глины, в результате чего вода вытекает вдоль границы гравия и глины.

Колодцы и приподнятый уровень грунтовых вод. Колодцы заполняются водой просто потому, что они пересекают уровень грунтовых вод. Однако породы под поверхностью не всегда однородны, что может привести к формированию сложного типа грунтовых вод, известного как приподнятый (висячий) уровень грунтовых вод. Высокие уровни грунтовых вод возникают из-за наличия непроницаемых водоупоров в недрах, которые создают локальные водоносные зоны на высотах, превышающих основной уровень грунтовых вод. Такие локальные водоносные горизонты могут быть важными источниками воды в засушливых регионах, но их эксплуатация требует детального гидрогеологического изучения.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.