Происхождение подземных вод

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ

Основным предметом изучения гидротехники, как науки, являются водные ресурсы. К водным ресурсам относятся пригодные для использования в народном хозяйстве воды рек, озер, каналов, водохранилищ, морей и океанов, а также подземные воды, почвенная влага, вода ледников и вода, находящаяся в виде пара в атмосфере. Всю находящуюся на планете воду – водную оболочку Земли – называют гидросферой. Общие запасы воды на Земле оцениваются величиной 1 454,3 млн. км³. В основном – это вода морей и океанов, она составляет 94 % всей воды Земли, 72 % поверхности Земли покрыто водой. Объем воды на суше составляет 90 млн. км³ или 6 % от всей воды Земли, в том числе на подземные воды приходится 60 млн. км³, воды ледников – около 29 млн. км³. Оставшийся 1 миллион км³ распределяется примерно так:

· 750 тыс. км³ содержится в озерах, прудах, болотах и прочих непроточных водоемах;

· 77 тыс. км³ – это почвенные воды;

· 13 – 15 тыс. км³ содержится в атмосфере в виде пара, дождя и проч.;

· примерно 1,2 тыс. км³ воды в каждый момент времени течет в реках и ручьях, что составляет примерно 0,001 % от всех пресных вод;

· остальная вода входит в различные соединения, содержится в растениях и живых организмах.

Однако масса воды относительно всей массы Земли ничтожно мала:

· масса Земли составляет 5,5×10²⁷ кг;

· масса воды 1,5×10²¹ кг, то есть всего 3/100 000 %.

Теоретически водные ресурсы неисчерпаемы, так как при их рациональном использовании они непрерывно возобновляются в процессе влагооборота – круговорота воды.

Круговорот воды – это непрерывное перемещение больших масс воды на земном шаре между геосферами (гидросферой, атмосферой и земной поверхностью), обусловленный солнечной энергией, действием силы тяжести и геологическими процессами. В процессе кругооборота вода испаряется с поверхности океана и суши, водяные пары перемещаются вместе с воздушными течениями, конденсируются, и вода возвращается в виде атмосферных осадков на поверхность суши и моря.

Атмосферные осадки, попадая на земную поверхность, частично вновь испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично – просачиваются в землю и образуют подземные воды.

Различают несколько видов круговоротов воды в природе:

· большой, или мировой, круговорот – водяной пар, образовавшейся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная – очищается;

· океанический круговорот – водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, конденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан;

· внутриконтинентальный круговорот – вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков.

В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана.

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше – положение обратное. Всего с поверхности океана испаряется за год 425 тыс. км³ воды, а с поверхности суши – 71 тыс. км³. На поверхность океана выпадает 385 тыс. км³, а на сушу 111 тыс. км³. В итоге получаем, что всего испаряется (с поверхности океана и суши)

425 + 71 = 496 тыс. км³.

Выпадает в виде осадков на поверхность океана и сушу

385 + 111 = 496 тыс. км³.

Видим, на сушу выпадает осадков больше (111 тыс. км³), чем с нее испаряется (71 тыс. км³).

Разница 111 – 71 = 40 тыс. км³ стекает в океан с суши по рекам.

Так как в атмосфере в любой момент времени находится около 13 тыс. км³ воды в виде пара, получается, что за год совершается примерно 38 круговоротов (496 : 13).

Круговорот воды на Земле (в тыс. км³ за год)

Поверхностные воды

На земной поверхности из-за особенностей ее рельефа и различных климатических условий водные ресурсы распределены неравномерно: в пустынных местностях воды не хватает, в болотистых местностях ее избыток. Для характеристики распределения воды по поверхности вводится несколько понятий.

Водосбор – это часть земной поверхности и толща почв и горных пород, откуда вода поступает к водному объекту. Различают поверхностный и подземный водосборы.

Водосборный бассейн – поверхность, с которой речная система, море или озеро собирают воды. Водосборный бассейн ограничен водоразделом. Водоем и водосборная площадь образуют единую экосистему.

Водосборный бассейн водоема включает водосборные бассейны всех рек, которые в него впадают.

Водоток – это водный объект:

· питаемый водосбором или другим водным объектом;

· характеризуемый постоянным или временным движением воды в углублении земной поверхности (в русле) в направлении общего уклона.

Различают:

· временные и постоянные водотоки;

· естественные и искусственные водотоки.

Речной сток – перемещение воды в виде потока по речному руслу. Это перемещение происходит под действием гравитации и является важнейшим элементом круговорота воды в природе, с помощью которого происходит перемещение воды с суши в океаны или в области внутреннего стока. Количественное значение стока в единицу времени называется расходом воды. Сток реки формируется из поверхностного стока (образующегося в результате осадков и снеготаяния) и подземного стока, формируемого за счет грунтовых вод. Речной сток за год является объективным показателем для определения полноводности реки. Ниже представлены 10 наиболее полноводных рек мира по величине годового стока воды:

Годовой сток самой полноводной в Европе реки Волги составляет 251 км³.

Характеристиками состояния водного объекта являются его гидрологический и водный режимы.

Гидрологический режим – это закономерные изменения состояния водного объекта во времени и пространстве, обусловленные главным образом климатическими особенностями данного бассейна.

Естественный гидрологический режим нередко существенно видоизменяется под воздействием хозяйственной деятельности человека.

В гидрологическом режиме учитываются изменения:

· уровня и расхода воды,

· ледовых явлений,

· температуры воды,

· количества и состава переносимых потоком наносов,

· изменений русла реки (русловые процессы),

· состава и концентрации растворенных веществ и т. д.

Водный режим – изменения во времени расхода воды и уровней воды и объемов воды в водотоках (реках и других), водоемах (озерах, водохранилищах и других) и в других водных объектах (болота и другие).

В районах с теплым климатом на водный режим рек основное влияние оказывают атмосферные осадки и испарение. В районах с холодным и умеренным климатом также очень существенна роль температуры воздуха.

Различают следующие фазы водного режима: половодье, паводки, межень, ледостав, ледоход.

· Половодье – ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное увеличение водности реки, вызывающее подъем ее уровня; обычно сопровождается выходом вод из меженного русла и затоплением поймы.

· Паводок – сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды, возникающее в результате быстрого таяния снега при оттепели, ледников, обильных дождей. Следующие один за другим паводки могут образовать половодье. Значительные паводки могут вызвать наводнение.

· Межень – ежегодно повторяющееся сезонное стояние низких (меженных) уровней воды в реках. Обычно к межени относят маловодные периоды продолжительностью не менее 10 дней, вызванные сухой или морозной погодой, когда водность реки поддерживается, главным образом, грунтовым питанием при сильном уменьшении или прекращении поверхностного стока. В умеренных и высоких широтах различают летнюю (или летне-осеннюю) и зимнюю межень.

· Ледостав – период, когда наблюдается неподвижный ледяной покров на водотоке или водоеме. Длительность ледостава зависит от продолжительности и температурного режима зимы, характера водоема, толщины снега.

· Ледоход – движение льдин и ледяных полей на реках.

Неравномерный в течение года режим питания рек связан с неравномерностью выпадения атмосферных осадков, таяния снега и льда и поступления их вод в реки.

Колебания уровня воды вызываются в основном изменением расхода воды, а также действием ветра, ледовых образований, хозяйственной деятельностью человека.

Гидрограф – график изменения во времени расхода воды в створе реки или иного водотока. Гидрограф отражает характер распределения водного стока в течение года, сезона, половодья (паводка), межени.

Гидрограф строится на основании данных о ежедневных расходах воды в месте наблюдения за речным стоком. На оси ординат откладывается величина расхода воды, на оси абсцисс – отрезки времени. Гидрограф используется для вычисления эпюры руслоформирующих расходов воды.

Могут быть построены различные типы гидрографов:

· единичный гидрограф – гидрограф, показывающий изменение расходов воды во время единичного паводка;

· типовой гидрограф – гидрограф, отражающий общие черты внутригодового распределения расхода воды в реке;

· многолетний гидрограф паводка – расчетная паводочная волна в определенном створе водотока, характеризуемая определенным многолетним расходом, типовым гидрографом и соответствующим объемом.

Рис. Типовой гидрограф реки со снеговым питанием:

1 – график Q = f (t); 2 – ледостав; 3 – ледоход; 4 – паводковый сток;

5 – сток грунтового питания; 6 – сток дождевых паводков

Рис. Гидрограф речного стока:

1 — снеговое питание реки; 2 — дождевое питание;

3 — грунтовое (подземное) питание.

Из рассмотрения типового (годового) гидрографа видно, что водность реки во времени в течение года значительно изменяется. Аналогичный характер имеет и график изменения высотного положения уровня воды в данном створе, который измеряется и фиксируется водомерными постами.

Весной, в период таяния снегов, расход воды существенно (в разы) превышает минимальный, происходит разлив рек, затопление территорий и т. п. Осенью и зимой – в межень – река питается в основном за счет грунтовых вод, поэтому расходы уменьшаются, глубины падают. Как следствие этого – затрудняется навигация, ухудшаются условия плавания судов. Физическая навигация (период «чистой» воды) – это время от конца ледохода весной до начала ледостава осенью.

Чтобы изменить сток реки так, как необходимо человеку, проводят регулирование стока путем строительства гидроузлов и создания водохранилищ. При достаточной емкости в водохранилище можно аккумулировать избыточный сток реки и использовать его по потребности, то есть для удовлетворения интересов всех водопотребителей и водопользователей.

Регулирование стока может быть различным в зависимости от времени аккумулирования воды. Если в водохранилище можно собрать сток реки за ряд лет – это многолетнее регулирование. Если аккумулируется сток, например, половодья – это годичное, или сезонное регулирование. Бывает также недельное и суточное регулирование стока.

При строительстве плотин происходят существенные изменения водного режима реки: возрастают глубины, снижаются скорости течения воды, уменьшается мутность, возникают затопления и подтопления, изменяется ледотермический и биологический режимы водотока, возникает угроза размыва берегов и судоходству при сильном ветровом волнении и т. д.

Интересы пользователей водных ресурсов водохранилищ, как правило, не совпадают и регулируются положениями, утверждаемыми органами власти государств.

Сейчас на Земле более 250 тысяч водохранилищ. Общая площадь их зеркала – 600 тыс. км². 2 260 водохранилищ имеют объем более 100 км³ каждое. Характеристики крупнейших водохранилищ мира показаны в таблице.

Подземные воды

Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называются подземными водами.

Подземные воды составляют часть гидросферы – водной оболочки земного шара. Они встречаются в буровых скважинах на глубине до нескольких километров. По данным В. И. Вернандского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000° С диссоциированы всего на 2 %.

Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 километров дают величину 400 миллионов кубических километров, то есть около 1/3 вод Мирового океана.

Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. Искусство сооружения копаных колодцев до нескольких десятков метров было известно за 2000 – 3000 тысячи лет до н. э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. В этот же период появилось и лечение минеральными водами.

В первом тысячелетии до нашей эры появились первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле (в работах Фалеса и Аристотеля – в Древней Греции; Тита Лукреция Кара и Витрувия – в Древнем Риме, и др.).

Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа, Средней Азии), добычей соленых вод для выпаривания соли путем копания колодцев, а затем и бурения (территория России, XII – XVII века). Позже возникли понятия о водах ненапорных, напорных (поднимающихся снизу вверх) и самоизливающихся. Последние получили название артезианских – от провинции Артуа (древнее название «Артезия») во Франции.

В эпоху Возрождения и позднее подземным водам и их роли в природных процессах были посвящены работы многих ученых – Агриколлы, Палисси, Стено и др.

В России первые научные представления о подземных водах как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М. В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 год).

До середины XIX века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии. Затем оно обособилось в отдельную дисциплину – гидрологию.

Во второй половине XX века начали разрабатываться методы прогноза режима подземных вод, что имеет важное практическое значение при эксплуатации подземных вод, гидротехническом строительстве, орошаемом земледелии и решении других вопросов.

Происхождение подземных вод

Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем по характеру водообмена с поверхностными водами выделяют три зоны:

· зону свободного водообмена (верхнюю);

· зону замедленного водообмена (среднюю);

· зону весьма замедленного водообмена (нижнюю).

Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. Это – древние воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, йод и другие вещества.

Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет 15 – 20 % общего количества атмосферных осадков.

Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающие земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. По водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные.

К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т. д. К водонепроницаемым породам – массивно-кристаллические породы (гранит, мрамор), имеющие минимальную способность впитывать в себя влагу, и глины. Глины, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т. п.

Просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо-трещиноватого характера. Таким образом возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод.

Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности к горизонту, растительного покрова и др. При этом длительный моросящий дождь создает лучшие условия для просачивания, чем обильный ливень, так как чем интенсивнее осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы. Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт; пологие, наоборот, увеличивают их просачивание. Растительный покров (лес) увеличивает испарение выпавшей влаги и, в то же время, усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он способствует просачиванию влаги в грунт.

Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Так, во время весеннего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается.

По условиям залегания выделяют три типа подземных вод: верховодку, грунтовые и напорные или артезианские.

Верховодка. Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабопроницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами.

Верховодка занимает ограниченные территории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время года верховодка исчезает. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.

К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя. Почвенные воды представлены почти всегда связанной водой. Капельножидкая вода в почвах присутствует только в период избыточного увлажнения.

Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они относятся к водонепроницаемому пласту и характеризуются более или менее постоянным притоком воды. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше.

Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям – на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.

Грунтовые воды, накапливающиеся в аллювиальных отложениях – один из источников водоснабжения. Они используются как питьевая вода, для полива. Выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.

Напорные или артезианские воды. Напорными называют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.

Размеры артезианских бассейнов бывают весьма значительными – до сотен и даже тысячи километров. Области питания таких бассейнов зачастую значительно удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.

Артезианские воды характеризуются постоянством воды и хорошим качеством, что немаловажно для её практического использования.

Подземные воды служат надежным источником питания рек. Они действуют круглый год и обеспечивают питание рек в зимнюю и летнюю межень (или при низких уровнях стояния горизонта воды), когда поверхностный сток отсутствует.

При сильно замедленных скоростях движения грунтовых вод, по сравнению с поверхностными, подземные воды в речном стоке выступают как регулирующий фактор.

Круговорот воды в рироде (тыс. км3)