Полевые методы изучения гипорейной зоны: отбор проб грунтовых вод в ручьях и реках

Каждое полевое мероприятие требует наличия надёжного средства для отбора проб грунтовых вод вблизи ручья или под действующим руслом. Физическая подготовка (крепкая спина и выносливость) необходима для работы в этих подземных условиях. При выборе участка следует учитывать местную геоморфологию и размер наносов в ручье; участки с обширным обнажением коренных пород или крупных валунов труднее поддаются измерениям. Для исследования неограниченных участков (sensu Грегори и др., 1991) лучше всего подходят методы, описанные ниже. Выпуклые формы дна (где участки с более низким уклоном переходят в более крутые) обычно являются областями пополнения запасов поверхностных вод подземными водами (нисходящий поток), тогда как вогнутые формы дна (переход от более высокого уклона к низкому) — зонами разгрузки подземных вод (восходящий поток) (Во, 1968; Тибодо и Бойл, 1987; Харви и Бенкала, 1993). На рисунке 6.1 представлено концептуальное представление о взаимодействии русловой структуры и траекторий течения в гипорейной зоне. Неограниченный участок потока с последовательностью «перекат–плёс–перекат» представляет собой отличное место для проведения этих процедур.

Рисунок 6.1. Схематическое изображение изменений в направлении вертикального гидрологического обмена (большие стрелки) в ответ на изменения морфометрии русла (по Vaux, 1968; White et al., 1987).

A. Ямы для отбора проб. Простой метод отбора проб в гипорейной зоне заключается в том, чтобы выкопать яму лопатой и ломом в пойме или на открытых участках канала вблизи действующего русла. Основное преимущество — точное определение уровня грунтовых вод: высота верхней части зоны насыщения определяет уровень грунтовых вод в этом месте. Яму следует углубить на 30–50 см ниже уровня грунтовых вод, если это возможно. Затем эти ямы можно использовать для отбора проб гипорейной воды, донных отложений, химических веществ и биоты. Для оценки скорости движения грунтовых вод добавьте в стоячую воду индикатор соли или красителя; тесты на разбавление скважины (измерение снижения концентрации индикатора во времени) позволяют рассчитать локальную скорость. Если поток наносов достаточно быстрый, выкопайте отверстия меньшего размера вокруг начальной ямы, чтобы зафиксировать появление следов и изменение концентрации. Расстояние от основного карьера до дополнительных точек зависит от структуры аллювия: для мелкозернистого аллювия требуются участки в пределах 10–30 см, для крупнозернистого — 50–100 см.

B. Минипьезометры. Возможность вертикального обмена между русловой водой и грунтовыми водами может быть оценена с помощью минипьезометров (Ли и Черри, 1978). Эти полые трубки представляют собой колодцы малого диаметра для измерения уровня воды в насыщенных осадках. Подготовка и установка относительно просты; минипьезометры часто погружаются в осадочные породы вручную. Сравните уровень воды в пьезометре с уровнем воды в соседнем потоке: если уровень пьезометра выше, то грунтовые воды перемещаются в поток (апвеллинг); если ниже — вода из ручья перемещается в насыщенные отложения (нисходящий поток). Вертикальный гидравлический градиент (VHG) рассчитывается делением разницы уровней воды на глубину погружения пьезометра в насыщенные отложения. Положительное значение указывает на подъём, отрицательное — на опускание (рис. 6.2). Это значение в сочетании с измеренными свойствами отложений используется для расчёта обменных потоков.

Рисунок 6.2. Вертикальный гидравлический градиент (VHG) в области нисходящего и восходящего потоков гипорейной зоны представлен как функция Δh (разница напора между уровнем воды в пьезометре и уровнем поверхности потока) и ΔL (глубина от русла до нижней части пьезометра, где труба открыта). Значение ΔL должно соответствовать середине перфорации или экранированного участка.

Конструкция минипьезометра зависит от бюджета, плана отбора проб и характера осадка. Обычно используется труба диаметром 1 дюйм (2,54 см) из стали, ПВХ или ХПВХ, хотя возможны варианты меньшего или большего диаметра. При монтаже часто применяются трубки-проводники (немного большего диаметра) со съёмным центральным стержнем или одноразовым наконечником (Ли и Черри, 1978); затем устанавливается труба из ПВХ с перфорированным интервалом и снимается оболочка-проводник. Альтернативно, можно непосредственно ввести трубку с перфорированным участком и постоянным или одноразовым наконечником. Во всех случаях пьезометр должен контактировать с нижележащими насыщенными отложениями через открытый конец или нижние прорези/отверстия. Забивание обычно производится кувалдой, забойным молотком или отбойным молотком-шуруповёртом. Разработка (откачка или помпаж) гарантирует, что пьезометр не будет закупорен и будет свободно подключён к грунтовым водам. Минипьезометры могут быть установлены на участках, пересекающих активный канал, в прилегающих пойменных отложениях или на продольных участках для измерения поперечных или продольных изменений VHG и отбора проб воды.

C. Мониторинговые скважины. Движение, направление и скорость потока грунтовых вод определяются по положению и уклону поверхности грунтовых вод в сочетании с пропускающими свойствами насыщенных отложений. Значения уровня воды в скважинах и результаты испытаний на гидравлическую проводимость интегрируются в закон Дарси: Q = K i A, где Q — расход, K — гидравлическая проводимость, *i* — гидравлический градиент, A — площадь поперечного сечения. Добавляя эффективную пористость (*n*), скорость подземных вод можно оценить как v = K i / n. Мониторинговые скважины служат окнами в систему подземных вод, предназначенными для определения уровня воды, отбора проб качества воды, биологического отбора проб и характеристики свойств отложений.

Контрольные скважины чаще всего изготавливаются из стали или ПВХ, обычно диаметром 51 мм (2 дюйма). Скважины закрываются крышками и перфорируются на определённой длине над основанием. Длина интервала между перфорациями, количество и диаметр отверстий рассчитываются для тестирования ограниченного вертикального сечения, обеспечения свободного движения воды и получения образцов без осадка. Однако цели проектирования могут потребовать изменений: например, размер щели, позволяющий проникать макробеспозвоночным, может способствовать проникновению отложений при отборе проб воды. Методы установки включают ручное сверление, забивание молотком, бурение с прямым нажимом (например, геозондирование), механическое шнековое бурение и передовые технологии (прямое вращательное, двухтрубное или рото-звуковое бурение). Буровые установки на грузовиках ограничивают доступ и обычно неприемлемы для работы в потоке. К счастью, подрусловые скважины часто бывают неглубокими, малого диаметра и могут быть установлены вручную.

Длина щелевого фильтра определяет диапазон глубин, с которых отбирается проба воды; его расположение и длина могут быть адаптированы к конкретным интервалам отложений. Хотя первоначальная установка скважины может быть трудоёмкой, скважины, расположенные вне зоны влияния высоких речных потоков, могут обеспечивать отбор проб в течение многих лет при минимальном обслуживании. После установки обсадной колонны, если диаметр скважины меньше диаметра ствола и отверстие не разрушается, перфорированный интервал можно засыпать однородным песком или гравием чуть большего размера, чем щели, чтобы предотвратить ограничение потока. Над перфорированным участком засыпьте его природным материалом или материалом с низкой теплопроводностью, таким как бентонит (глина, гранулы или гранулированный грунт). На поверхности скважин, расположенных на суше, должно быть около 10 см бентонита для предотвращения проникновения поверхностного стока. Для скважин, установленных в русле ручья, предотвратите короткое замыкание потока воды вдоль обсадной колонны, добавив бентонит на дно реки или уложив природный осадок вокруг ствола. Как и в случае с минипьезометрами, перед сбором данных необходимо провести разработку мониторинговых скважин (откачку или прокачку).

D. Измерение уровня воды. Для понимания гидравлических взаимодействий необходимо наблюдать за изменением уровня поверхностных и подземных вод в точке наблюдения и относительно друг друга. Уровень воды в ручье можно измерить, воткнув стальной стержень в дно и измерив уровень воды от верхней части стержня или с помощью металлической линейки, прикреплённой к стержню. Альтернативно, с моста опустите ленту с фиксированной точки до поверхности воды. Измерение уровня воды в минипьезометрах и скважинах может производиться вручную с помощью стальной ленты или электрического уровнемера (например, Solinst, Insitu, Heron). Для стальной ленты нанесите на её конец меловую крошку, водорастворимую пасту или чернила; опустите ленту до известного значения, чтобы часть погрузилась в воду; извлеките и вычтите длину смоченной части из значения удержания.

В коммерческих электрических измерителях уровня используется устройство с батарейным питанием, градуированным кабелем и датчиком, который загорается или подаёт звуковой сигнал при контакте с водой. Опустите кабель, определите наличие воды, поднимите/опустите для уточнения уровня, затем считайте глубину до уровня воды от точки удержания. Для небольших скважин необходимы зонды соответствующего диаметра. Для минипьезометров очень малого диаметра используйте тонкие стержни, покрытые мелом; опустите, извлеките и измерьте длину смоченного материала плотницкой лентой. Модификации включают подключение удилища для создания сигнала при контакте с водой (см. Бакстер и др., 2003). Если требуются временные ряды изменений уровня воды (естественные колебания или гидрологические испытания), используйте устройство для регистрации уровня воды. В качестве дополнительных опций можно использовать поплавковые и картографические самописцы, манометрические и барботерные самописцы, мосты сопротивления и электрические датчики.

Для исследований перепадов давления в скважинах малого диаметра (<2 дюймов) часто используются датчики давления. В большинстве случаев применяется тензометрический датчик, подключённый к чувствительному элементу давления и регистратору данных, который измеряет давление вышележащего столба воды. Доступны два типа систем: с вентиляцией (в атмосферу) и без вентиляции. Системы с вентиляцией корректируют атмосферное давление и обеспечивают истинный уровень воды; для систем без вентиляции требуется второй датчик, регистрирующий атмосферное давление для последующей коррекции. Датчики бывают разных диапазонов глубины, точности и диаметра (многие подходят для скважин диаметром 1 дюйм). Среди производителей — Solinst Canada Ltd., In Situ Inc., Design Analysis Associates (серия WaterLog), Global Water Instrumentation, Inc. и Onset Computer Corporation. Цены варьируются от нескольких сотен до более 2000 долларов; некоторые модели также измеряют электропроводность. Регистратор атмосферного давления для систем без вентиляции стоит несколько сотен долларов США.

Если требуется более точное определение уровня воды, чем относительное, проведите нивелирование всех контрольных точек удержания или уровня воды стандартными методами, привязывая их к местным реперам или среднему уровню моря. После завершения постройте карты положения уровня грунтовых вод и рассчитайте горизонтальные и вертикальные градиенты (см. Бакстер и Хауэр, 2000; Валетт и др., 1994). На основе сетевых карт поток подземных вод интерпретируется как движущийся под прямым углом и с уклоном вниз к контурам равной высоты (напора). Связь между ручьём и пойменными грунтовыми водами также может быть оценена, если сеть включает скважины вблизи каналов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ф. Ричард Хауэр и Гэри А. Ламберти

Источник: Методы в экологии ручьев

Данные публикации будут полезны студентам экологических и географических специальностей, начинающим специалистам в области гидрологии, геоморфологии и управления водными ресурсами, а также всем, кто интересуется динамикой речных экосистем и вопросами охраны природных ландшафтов.