Движение подземных вод. Формула Дарси.
Если зеркало грунтовых вод обладает уклоном, то в сторону уклона под действием силы тяжести стекает и грунтовая вода, это потоки нисходящие (рис 10 б) Скорость перемещения грунтовых вод в крупнозернистых песках 1,5—2,0 м/сут, в мелкозернистых песках и супесях 0,5—1,0 в суглинках и лессах 0,1—0,3 м/сут Так как грунтовые воды ненапорные, область их питания совпадает с областью распространения и питание происходит за счет: а) инфильтрации атмосферных осадков и снеговых вод; б) фильтрации из рек, озер, водохранилищ и каналов; в) конденсации водяных паров и внутригрунтового испарения; г) подтока (подпитывания) из более глубоких водоносных горизонтов.
Колебании уровня фунтовых вод иногда имеют весьма выражений характер и достигают в течение года нескольких метров В условиях континентальною климата умеренных широт наивысший уровень приходится на весну, в морском климате — на зиму. На положение уровня грунтовых вод оказывают влияние колебания температуры почвы, атмосферного давления, рельеф местности, заселенность, заболоченность, искусственные причины. В приморских властях грунтовые воды подвержены воздействию морских приливов.
Режим грунтовых вод.
Температура грунтовых вод может подвергаться значительным колебаниям, причем они тем сильнее, чем ближе зеркало грунтовых вод к поверхности земли. Если зеркало грунтовых вод лежит неглубоко, то грунтовые воды испытывают суточные колебания температуры и в условиях холодных зим могут замерзать. При более глубоком залегании грунтовых вод суточные колебания постепенно затухают, но сезонные колебания все же могут иметь место.Взаимосвязь подземных и поверхностных вод и окружающая средаВторая конференция партнеров и пользователей "Геолинк Консалтинг" И.С.Пашковский, "Геолинк Консалтинг"
Окружающая среда - это довольно вместительное понятие, имеющее к тому же различное толкование. Тем не менее, ясно, что основой формирования ландшафта определенной природной зоны (включая реки, озера, почвы, растительный и животный мир), являются особенности водного баланса поверхности суши. В конечном итоге рассмотрение этого баланса сводится к проблеме взаимосвязи подземных и поверхностных вод.
Рассмотрим часть круговорота воды в природе. И начнем этот обзор с процесса поступления воды в подземные воды, который мы называем инфильтрацией.
За многолетний период инфильтрационное питание подземных вод, как правило, характеризуется его среднемноголетней величиной, которую по аналогии с осадками будем называть нормой питания. В последнее время именно эта величина и считается естественными ресурсами подземных вод.
Для больших территорий это практически основная и часто единственная приходная статья баланса.
Суммарное питание подземных вод должно быть равно их суммарной разгрузке, так как приходная и расходная статьи баланса за многолетний период в естественных условиях сбалансированы. Поэтому суммарное питание подземных вод может быть определено также по сумме расходных элементов их баланса (физическое испарение и транспирация, родниковый сток, разгрузка в поверхностные водотоки и водоемы, отток в соседние водоносные системы). На практике суммарное питание, часто, определяют по такой расходной статье баланса, как "подземный сток в реки". При этом, поскольку не вся вода, поступающая путем инфильтрации в подземные воды, разгружается в реки, оцененная таким образом величина, как правило, бывает меньше, чем суммарное питание. Это связано с тем, что частично подземные воды разгружаются за счет суммарного испарения и транспирации в пределах пониженных участков территории (например, в поймах рек), частично перетекают в глубокие водоносные горизонты и разгружаются за пределами территории, где происходит их питание.
Разгрузка подземных вод в реки подчиняется определенному иерархическому принципу. В пределах крупных гидрогеологических структур малые реки дренируют в основном верхние горизонты. При этом часть инфильтрационного питания, расходуется на фильтрацию в более глубокие водоносные горизонты, которые дренируются уже крупными реками на более низких отметках [7] (См. рис.1).
Именно поэтому модуль разгрузки подземных вод в реки имеет тенденцию к увеличению с ростом размеров речного бассейна, что хорошо видно на графике зависимости минимального меженного стока рек от площади речного бассейна (Рис.2). Этот график хорошо известен как иллюстрация к работе [1], выпущенной по материалам ГГИ.
Как следует из анализа этих графиков, характеризующего довольно обширные и различные географические зоны, общим для них является то, что полное дренирование водоносных комплексов происходит в бассейнах, размеры которых превышают 1000-2000 кв. км.
Как будет показано ниже, эта закономерность, выявленная для многих рек Центральных районов Европейской части России, связана с характером соотношения вертикальных и горизонтальных фильтрационных проводимостей всего комплекса водоносных горизонтов верхней зоны активного водообмена и соотношением базисов дренирования рек различного порядка.
Для доказательства этого положения проведено тестовое моделирование такой водонапорной системы для условий, близких к Московскому артезианскому бассейну.
Рассматривалась система из 4-х водоносных комплексов с водопроводимостью, увеличивающейся с глубиной (50, 100, 200 и 400 м2/сут) при различных значениях вертикальной водопроводимости слабопроницаемых слоев (от 2*10-6 до 4*10-51/сут). Характерные размеры бассейнов рек и отметки базиса дренирования составляли соответственно: 4км-200м, 8км-180м, 16км-160м и 40км-140м. Норма инфильтрационного питания, принятая при моделировании составляла 5л/с.км2 или 150 мм/год.
Результаты этого моделирования показаны на рис.3. Как видно, характер зависимости изменения модуля подземного стока в реки от площади водосбора по своему виду близок к эмпирической кривой, показанной на рис.1. При этом четко выявляется связь величины разгрузки с коэффициентом перетекания, характеризующего соотношение между горизонтальными и вертикальными проводимостями: В=, где Т - некоторое среднее значение водопроводимости водоносных горизонтов, m - мощность слабопроницаемых слоев и k - их коэффициент фильтрации.
Прокомментируем этот рисунок. С ростом коэффициента перетекания, то есть с уменьшением проводимости слабопроницаемых слоев увеличивается роль верхних водоносных горизонтов в дренировании всей системы и уменьшается роль нижних горизонтов. Сопоставляя рис.2 и рис.3, можно полагать, что для центрального региона коэффициент перетекания В составляет порядка 8км. Именно при таком значении мы приходим к полному дренированию системы при площади водосбора 1000-2000км2. Вообще говоря, эта ситуация удовлетворяет критерию L>5B, где L - характерный размер бассейна. Действительно, при выполнении этого соотношения мы получаем F>(5B)2, что дает F>1600 км2.
Из полученных результатов следует еще один интересный вывод, который касается подземного питания малых рек, наиболее уязвимой части природного ландшафта.
Обратим внимание на цифры! При значениях В<8-10 км на питание малых рек расходуется половина ресурсов, а остальная часть ресурсов разгружается средними и крупными реками. В этой ситуации интересно выяснить, а как же может повлиять эксплуатация глубоких водоносных горизонтов на сток малых рек. Для ответа на этот вопрос на упомянутой модели решалась еще одна задача. При этом в нижнем водоносном горизонте был задан водоотбор в размере половины всех естественных ресурсов.
На том же рисунке показана еще одна кривая, которая дает представление об этом влиянии. Как видно, заметное влияние водоотбора на малые реки начинается при тех же значениях коэффициента перетекания (В<8-10). Соответственным образом водоотбор должен влиять и на уровни верхних горизонтов, которыми определяется их разгрузка в реки.
Таким образом, можно объяснить отсутствие влияния водоотбора в московском регионе и на уровни верхних горизонтов и на сток малых рек. При модуле отбора около 30мм/год (1л/с.км2), что составляет правда менее 1/3 естественных ресурсов, заметного изменения режима верхних водоносных горизонтов не наблюдается. В этой ситуации эксплуатация каменноугольных водоносных горизонтов компенсируется уменьшением подземной разгрузки в крупные реки (рядом с которыми, как правило, и расположено большинство водозаборов) и собственно за счет расхода рек, формирующегося в пределах всего водосбора, в том числе и расхода всех притоков, включая естественно и малые реки.
Следует сказать, что если подобная ситуация характерна в целом для региона, то на отдельных участках мы можем встретить и другую обстановку, где в слабопроницаемых отложениях имеются размывы и связь между верхними и нижними горизонтами более тесная и влияние эксплуатации подземных вод может повлиять на компоненты ландшафта.
В каком же взаимодействии находятся подземные воды и окружающая среда. И почвы и растительность и в конечном итоге животный мир находятся в тесном взаимодействии с подземными водами. Их режим в естественных условиях является производной и от климата, и от характера почвы и растительного покрова, и от условий дренирования, которые мы рассмотрели ранее.
Соответственно антропогенные изменения в какой-либо из перечисленных компонент в большей или меньшей степени повлечет изменение изменения в других. Для оценки возможных изменений, в том числе и на поверхностном стоке, рассмотрим, как влияет положение уровня на водный баланс ландшафта.
Для характеристики этого баланса рассмотрим зависимость составляющих водный баланс ландшафта от глубины залегания подземных вод. На рис.5 и рис.6 показаны зависимости, характеризующие питание подземных вод и сезонную амплитуду колебания уровня. Как видно, с увеличением средней глубины залегания уровня подземных вод норма питания увеличивается, стремясь к некоторой постоянной величине, которую предлагается называть потенциальным питанием. При близком залегании уровня баланс подземных вод может быть отрицательным. В общем виде эта зависимость может быть охарактеризована экспоненциальной зависимостью [2], модификацию которой для моделирования предложил Рошаль А.А.:
где W0 - питание при залегании уровня у самой поверхности земли (для большинства районов W0 < 0 и соответствует разгрузке), Wp - потенциальное питание, z - глубина залегания уровня, a - константа, зависящая от литологического состава пород и определяющая крутизну кривой W(z).
Как же связан водный баланс ландшафта с глубиной уровня подземных вод? На рис.5 по результатам того же моделирования показана зависимость поверхностного (талого и ливневого стока) от глубины. С увеличением глубины увеличивается общая емкость зоны аэрации, которая может принять талые воды и соответственно при этом уменьшается сток. При этом снижение уровня, связанное, например, с водоотбором, в первую очередь повлияет именно на сток половодья и меньшей степени на сток межени, который зависит от изменения градиента потока к реке.
Крутизна кривой, характеризующей изменение питания от глубины залегания уровня, зависит главным образом от литологии зоны аэрации. Численное решение влагопереноса для различных почвенных разрезов (их рассмотрено более 50), выполненное Н.Н. Жильцовой, дает следующие значения a в формуле (1): для песков и супеси составляет 0.1-0.3м, для суглинков - 0.3-0.6м, для глин - 1-1.5м.
Видно, что в песчаных породах при глубине более 1м. мы всегда имеем дело с предельной величиной и дальнейшее снижение уровня уже не приведет к изменению водного баланса ландшафта. В случае с суглинистыми породами это глубина уже 5м, а для глинистых пород порядка 8м.
Для достоверной оценки естественных ресурсов и влияния водоотбора на окружающую среду необходимы исследования на всех уровнях детальности рассмотрения процесса круговорота воды в природе.
Как было показано выше, полное замыкание баланса воды возможно только при исследовании достаточно большой площади (не менее 2000 км2) с рассмотрением всех водоносных горизонтов, вовлеченных в процесс водообмена и эксплуатации. Эта задача может быть решена только с помощью региональных моделей на базе специальной режимной сети. На этом уровне детальности целесообразно рассматривать составляющие водного баланса, осредненные за многолетний период. Для этой цели, в частности, целесообразно использовать зависимость нормы питания подземных вод от глубины их залегания. Следует только иметь в виду, что при этом на модели необходимо воспроизводить первый от поверхности водоносный горизонт.
Задачи локального уровня, направленные на оценку влияния антропогенной деятельности на окружающую среду, целесообразно решать на специальных полигонах, исследования на которых должны быть сосредоточены на решении конкретных задач, характерных для данного региона. В частности для изучения условий формирования естественных ресурсов подземных вод созданы т.н. водно-балансовые полигоны. Они имеют достаточно давнюю историю. Достаточно упомянуть Каменностепский полигон, на котором исследования начаты более 100 лет назад по инициативе Докучаева, полигон Малая Истра (Истринский опрный пункт), где исследуется влияние лес на сток подземных и поверхностных вод.
На водно-балансовых полигонах должны решаться задачи, связанные с оценкой влияния ландшафтных условий (экспозиции и крутизны склонов, характера растительного покрова, строения зоны аэрации и др. факторов) на режим подземных вод, поверхностный и подземный сток. И, наоборот, на этих же полигонах целесообразно проводить специальные геоботанические работы по выявлению связи между растительностью и характером водного режима почвы и зоны аэрации. Для выявления и осмысления этих связей целесообразна разработка специальных моделей, с помощью которых можно было бы воспроизводить часть кругооборота воды, начиная с ее выпадения в виде осадков и снега и заканчивая речным стоком [3,4,5,6]. Поскольку предметная область для этих моделей значительно шире, чем для чисто гидрогеологических В.М. Шестаков предложил называть такие модели геогидрологическими.
Очень важно, чтобы исследования на полигонах были бы на определенном этапе увязаны с регионалными исследованиями. Это возможно путем согласования как результатов наблюдений, так и моделей, разрабатываемых на различных уровнях.
Однако следует заметить, что и региональные и локальные модели требуют развития именно в части воспроизводства на них условий питания и разгрузки подземных вод. По моему мнению, эти проблемы далеко нельзя считать разработанными окончательно. Многие стороны изучаемых нами процессов мы еще не умеем воспроизводить на моделях. Достаточно упомянуть только наблюдаемую изменчивость меженного стока.
Мне представляется, что сейчас при разработке программ мониторинга и полигонов, мы имеем возможность сделать наши исследования более целенаправленными.
