РЕЖИМ И ЗАПАСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Режим подземных вод — это изменение во времени их уровня, химического состава, температуры и расхода. В естественных условиях для подземных вод характерен ненарушенный (естественный) режим, который формируется в основном под влиянием метеорологических, гидрологических и геологических факторов.

Метеорологические факторы (осадки, испарение, температура воздуха, атмосферное давление) — основные в формировании режима грунтовых вод. Они вызывают сезонные и годовые (многолетние) колебания уровня, а также изменения химизма, температуры и расхода грунтовых вод.

Сезонные колебания уровня обусловлены неравномерностью выпадения осадков и изменениями температуры воздуха в течение года. Наибольшие колебания уровней приходятся на периоды весеннего снеготаяния (весенний максимум) и осенних дождей (осенний максимум). Наиболее низкое положение уровня в годовом цикле отмечается в конце лета — в начале осени и в конце зимы (рис. 95). Разность между наивысшим и наинизшим горизонтом подземных вод называют максимальной амплитудой колебания уровня.

Месяцы

Рис. 95. Схема годового цикла сезонных колебаний уровня грунтовых вод:

1 — весенний паводок; 2— осенний максимум; А — максимальная амплитуда колебаний уровня

Обычно амплитуды сезонных колебаний грунтовых вод не превышают 2,5—3,0 м, а максимальные составляют 10—15 м (в долинах горных рек, сложенных галечниками и закарстованными известняками).

Подъем уровня начинается лишь через некоторое время после выпадения осадков. Этот отрезок времени тем больше, чем меньше водопроницаемость пород и больше глубина залегания грунтовых вод.

Уровень грунтовых вод колеблется не только по сезонам, но и в многолетнем цикле. Это связано с ритмическими изменениями климата и приурочено к различным циклам, среди которых наиболее четко фиксируется 11-летний цикл. Амплитуды многолетних колебаний могут превышать амплитуды сезонных колебаний и достигать значительных размеров (до 8 м и более). Изучение многолетнего режима подземных вод необходимо для определения расчетного значения мощности водоносного горизонта, прогноза положения уровня на весь период длительной эксплуатации сооружений.

Гидрологический режим рек влияет на положение уровней подземных вод и их химизм в полосе шириной от 0,2—0,5 км (в песчано-глинистых отложениях) до 2—6 км в хорошо проницаемых породах. Колебания уровня подземных вод в речной долине с некоторым отставанием отражают колебания уровня реки.

В районах морских побережий уровень грунтовых вод изменяется под действием приливов и отливов.

Геологические факторы действуют на любом участке земной коры. С глубиной их значение увеличивается. Среди геологических факторов выделяют медленно действующие (тектонические движения, внутренняя теплота земного шара и др.) и эпизодические (землетрясения, вулканизм, оползни, грязевые вулканы).

В районах тектонических поднятий уровень подземных вод обычно снижается, так как породы лучше дренируются вследствие углубления эрозионных врезов (оврагов, долин). При опускании местности уровень грунтовых вод повышается. Изменяется и химизм воды. При землетрясениях появляются новые и исчезают старые источники, существенно меняется термический режим, химический и газовый состав подземных вод. Вулканические явления сопровождаются выделением огромного количества тепла, это приводит к резкому изменению температуры, химизма и уровня подземных вод. Изменения в режиме подземных вод часто фиксируются еще до начала землетрясения и извержения магмы, поэтому могут быть одним из критериев начала активизации их деятельности.

Режим артезианских, карстовых и надмерзлотных вод в естественных условиях существенно отличается от режима грунтовых вод. В сравнении с грунтовыми водами уровень и химический

состав артезианских вод подвержены значительно меньшим изменениям. Влияние метеорологических и гидрологических факторов существенно лишь в областях питания и разгрузки, где артезианские воды связаны с грунтовыми и поверхностными водами.

Резкой изменчивостью уровня, химизма и расхода отличаются карстовые воды, залегающие в верхней части карстового массива. Амплитуды колебания их уровней изменяются от 0,5 до 30 м и более, расходы карстовых источников в течение года меняются от десятков литров в секунду до десятков кубометров в секунду, изменяется химизм воды.

Режим надмерзлотных вод в районах многолетней мерзлоты неустойчив и связан с интенсивностью промерзания и оттаивания мерзлых грунтов. Максимальные расходы надмерзлотных вод наблюдаются в период наибольшего оттаивания деятельного слоя, минимальные — в конце зимы до начала снеготаяния.

Режим подземных вод и производственная деятельность человека. Инженерно-строительная деятельность человека изменяет естественные режимообразующие факторы и способствует возникновению новых факторов, в частности, так формируется искусственный (или нарушенный) режим подземных вод.

Деятельность человека может проявляться в повышении и понижении уровня подземных вод, в изменении их химического состава. Она затрагивает все подземные воды, включая и глубо-козалегающие.

Повышение уровня подземных вод возможно при строительстве водохранилищ и других искусственных водоемов, орошении и утечках воды из подземных водонесущих коммуникаций, промышленных бассейнов, водохранилищ. Под влиянием искусственных факторов уровни могут подниматься на 10—15 м.

Особенно значительно обводняющее действие крупных водохранилищ. Так, уже через год после строительства Цимлянского водохранилища длиной 250 км и шириной до 20—30 км влияние подпора распространилось более чем на 6 км, а уровни грунтовых вод вблизи водохранилища поднялись на 5—7 м.

На территориях жилых районов и особенно на участках промышленных сооружений уровень грунтовых вод с течением времени, как правило, повышается. Так, на территории завода «Ростсельмаш» в Ростове-на-Дону грунтовые воды за последние 45 лет поднялись на 18—20 м. Глубина залегания зеркала от поверхности земли в ряде случаев составляет 1—3 м. Это связано с утечкой воды из водопроводных и канализационных систем, уменьшением испарения воды вследствие застройки территории и т. д. В тех случаях, когда основания объектов подстилаются хорошо проницаемыми породами (пески, галечники), накопления грунтовых вод не происходит.

Повышение уровней грунтовых вод в настоящее время стало типичным для всех городов России, и особенно расположенных на лессовых отложениях. Процесс получил наименование «подтопление» и весьма отрицательно влияет на природную среду. Следует отметить, что «подтопление» территорий городов и промышленных зон распространилось на весь мир. По некоторым данным, до 70% городов нашей планеты подтоплены. Интересен факт подтопления древнеегипетских пирамид Хуфу, Хефрена, Менофру и статуи Сфинкса в Гизе за счет утечек из водонесущих коммуникаций Каира. На городских территориях и в районах промышленных объектов, расположенных на лессовых отложениях, необходимо постоянно вести наблюдения за положением уровня грунтовых вод. Это осуществляется с помощью наблюдательных буровых скважин различными способами (рис. 96). Следует заметить, что эти работы должны быть обязательными для инженеров-строите-лей, которые заняты в сфере эксплуатации объектов.

Понижение уровня подземных вод вызывается длительными откачками воды для водоснабжения, осушением заболоченных земель, строительным водопонижением, дренажем и т. д. Чем интенсивнее работы по отбору воды из недр земли, тем на большую глубину снижаются уровни подземных вод. В ходе режимных наблюдений установлено снижение уровней в районах крупных водозаборов до 100 м и более. Искусственные факторы интенсивно воздействуют и на качество подземных вод. В первую очередь это отражается на питьевом водоснабжении. Весьма специфично влияние искусственных факторов в районах многолетней мерзлоты. Практически любое сооружение, возводимое в этих районах (водохранилища, очистные сооружения и т. д.), резко изменяет температуру и влажность мерзлых грунтов и оказывает существенное влияние на режим верхних горизонтов мерзлотных вод.

Способы измерения уровня грунтовых вод в наблюдательных (пьезометрических скважинах)

Р И С. 96. Способы измерения уровня грунтовых вод в наблюдательных (пьезометрических скважинах):

а — мерным тросом с «хлопушкой»; б — стационарным поплавком; в — электроуровнемером; 1 — поверхность земли

Режим подземных вод в районе водозаборов динамичен. В целом под влиянием водозаборов уровни подземных вод постепенно снижаются. На фоне общего снижения уровня отмечаются колебания, вызванные режимом работы водозабора, типом эксплуатируемого водоносного горизонта.

Изменение положения уровня в районах водозаборов влечет за собой изменение физических свойств, химического и бактериологического состава подземных вод. Нередко эти изменения приводят к значительному ухудшению их качества.

Баланс подземных вод. Под балансом подземных вод понимают соотношение между приходом и расходом подземных вод на данном участке за определенное время.

Режим и баланс подземных вод взаимосвязаны, и если первый отражает изменение количества и качества подземных вод во времени, то второй — результат этого изменения. Баланс может составляться для крупных территорий или для отдельных участков (поля орошения, групповые водозаборы и т. д.). Участки, где проводятся измерения прихода и расхода подземных вод, называют балансовыми.

С помощью баланса характеризуют водообеспеченность района и возможности ежегодного пополнения запасов подземных вод, изучают причины подтопления территорий, прогнозируют изменение уровня подземных вод.

Для решения этих вопросов необходимы данные о составляющих баланса: приходных и расходных.

Приходная часть слагается под влиянием естественных режимообразующих факторов и состоит из: инфильтрации атмосферных осадков А; конденсации водяных паров К; подземного притока П.

Подземный приток в свою очередь включает боковой приток Пь фильтрационные поступления из поверхностных водных источников (реки, озера) П2 и подток воды из нижележащего водоносного горизонта П3.

Расходная часть баланса складывается из испарения И и подземного стока С.

Испарение включает расход воды за счет испарения с поверхности грунтовых вод и транспирации воды растительностью. Подземный СТОК может быть представлен боковым ОТТОКОМ С1 и перетоком в нижележащий водоносный горизонт С2.

Балансовое уравнение грунтовых вод для данного участка за время / имеет вид:

АИ/= А + К + П| + П2 + П3 — И — С] — С2, где ДIV— изменение запасов грунтовых вод за время /.

Для решения балансовых уравнений применяют экспериментальные и расчетные методы. В первом случае все основные статьи баланса подземных вод определяют непосредственным измерением, во втором их рассчитывают на основе режимных наблюдений, используя уравнения неустановившегося движения в конечных разностях.

Запасы подземных вод — это количество (объем) свободной воды, содержащейся в водоносных слоях. Подземные воды, пригодные для использования в народном хозяйстве, относятся к ценнейшим полезным ископаемым. В отличие от твердых полезных ископаемых они могут находиться в движении и периодически возобновляться. Оценка запасов имеет важное значение для водоснабжения. Ни один водозабор не может быть построен и пушен в эксплуатацию без предварительного подсчета запасов подземных вод. Тип водозаборных сооружений, варианты их размещения, оптимальный режим работы и другие вопросы, связанные с использованием подземных вод для нужд водоснабжения, решаются на основе подсчитанных запасов подземных вод.

В настоящее время большинство исследователей подразделяют запасы подземных вод на естественные и эксплуатационные.

Естественные запасы подземных вод — это объем гравитационной воды, который содержится в водоносных пластах в естественных условиях (в статическом состоянии или в движении). Естественные запасы слагаются из статических, упругих и динамических запасов.

Статические и упругие запасы характеризуют объем гравитационной воды в порах и трещинах водоносных пород (в кубических метрах). Упругие запасы — это количество воды, которое может быть извлечено из напорного водоносного пласта без его осушения за счет упругих свойств воды и горных пород при понижении уровня.

Под динамическими запасами (или естественными ресурсами) понимают расход подземных вод (м3/сут), протекающих через водоносный пласт. Динамические запасы в процессе круговорота воды на земле постоянно возобновляются. Роль этих запасов значительна.

Эксплуатационные запасы подземных вод. При эксплуатации водозаборов естественные условия подземных вод нарушаются. Формируется новый тип запасов — эксплуатационные запасы. Под эксплуатационными запасами следует понимать количество подземных вод, которое может быть получено в единицу времени из водоносного горизонта рациональными в технико-экономическом отношении водозаборами без снижения дебита и ухудшения качества воды в течение всего расчетного срока водопотребления.

В районах действующих водозаборов уровень подземных вод снижается, образуются депрессионные воронки. В благоприятных гидрогеологических условиях это может вызвать привлечение в эксплуатируемый водоносный горизонт дополнительных источников питания. В этом случае эксплуатационные запасы по своей величине могут превышать естественные за счет дополнительных или привлекаемых запасов подземных вод.

Роль дополнительных (привлекаемых) запасов в общем балансе подземных вод водозаборов возрастает по мере увеличения де-прессионной воронки.

В формировании эксплуатационных запасов существенную роль могут играть и искусственные запасы. Они создаются путем инфильтрации воды с поверхности земли при устройстве искусственных сооружений (инфильтрационные бассейны, оросительные системы, поглощающие скважины и т. п.).

Методы оценки эксплуатационных запасов. Оценить эксплуатационные запасы — это значит:

  • • определить дебит и понижение уровня подземных вод в период эксплуатации;
  • • рассчитать взаимодействие водозаборов;
  • • дать прогноз изменения качества подземных вод;
  • • обосновать наиболее рациональные в технико-экономическом отношении способы отбора воды.

Для оценки эксплуатационных запасов подземных вод в районах водозаборов используют гидродинамический, гидравлический и балансовый методы. При совместном применении указанных выше методов, а также при использовании моделирования точность подсчета эксплуатационных запасов значительно повышается.

При высокой степени обеспеченности восполнения эксплуатационных запасов допустима их оценка на основе опыта многолетней эксплуатации подземных вод на действующем водозаборе, находящемся в аналогичных условиях.

В основе классификации лежит степень изученности запасов и она содержит четыре категории: Л, В, С и С2.

Категория Л — запасы изучены и разведаны детально, полностью выяснены условия залегания и питания водоносных горизонтов, фильтрационные свойства пород, установлена связь с другими водоносными горизонтами и поверхностными водами, а также возможность пополнения эксплуатационных запасов.

Категория В — запасы подземных вод изучены с детальностью, обеспечивающей выяснение основных условий залегания, питания и связи с другими водоносными горизонтами и поверхностными водами.

Категория С — запасы разведаны и изучены в общих чертах.

Категория С2 — запасы установлены на основании общих геолого-гидрогеологических данных, подтвержденных опробованием водоносного горизонта в отдельных точках.

На базе утвержденных запасов по категориям А и В производится проектирование и выделение капитальных вложений на строительство водозаборов. Выявленные запасы по категориям С и С2 предназначаются для перспективного планирования использования подземных вод.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >