Четвертый семестр / Четвертый семестр / Гидрогеология / Шварцев С.Л. Общая гидрогеология
.pdf
Рис. 3.1. Схема клима тического круговорота воды:
1 — атмосф ерные осадки; 2-3 — сток (2 — поверхностный, 3 — под-
земный); 4 — испарение. Числа на
рисунке |
— |
з начения |
соотв етствующих |
элементов |
|
М ирового водного баланса: без скобок — в км3 , в скобках — в мм
[10]
на три составные части: одна
часть этих осадков (V1) тут же снова испаряется в
атмосферу, вторая часть,
стекающая по поверхности земли в сторону Мирового океана, образует поверхностный сток (V2), и, наконец, третья часть проникает через почву в
горные породы, образуя подземный сток (V3). Следовательно,
X = V1 +V2 +V3 |
(3.1) |
Соотношение между выделенными тремя составляющими различно и зависит от конкретных природных условий: характера рельефа, типа горных
пород, их пористости и трещиноватости, температуры воздуха, характера растительности и т.д. Так, для европейской части бывшего СССР Г.В. Богомолов [1] приводит следующие величины инфильтрации атмосферных осадков (в % от количества годовых осадков): лѐссовидные породы — 1520, глины и суглинки — 10-12, песчаные породы — 22-28, трещиноватые породы — 35-45, закарстованные породы — 50-60. В Голландии инфильтрация в дюнных песках, лишенных растительности, достигала 700 мм/год (83% от осадков), покрытых растительностью — 48-52%. Ж. Друен для центральной части Франции величину инфильтрации для альб-ских песков принимает равной 20% от осадков, а для районов горной части Алжира для тех же пород — 10%. По нашим наблюдениям, инфильтрация во влажных тропических странах в пористых латеритах достигает 65%.
Скорость движения воды в горных породах значительно меньше ее скорости в открытых водотоках, что, естественно, приводит к тому, что
воды поверхностного стока участвуют в круговороте значительно чаще, чем воды подземного стока. При этом чем на большую глубину погрузилась вода,
тем медленнее она движется в горных породах. Но рано или поздно эта вода снова появляется на поверхности Земли и участвует в
климатическом круговороте.
62
При этом разгрузка вод подземного стока, т.е. выход их на поверхность Земли, может происходить как выше уровня Мирового океана, так и ниже его. Так, например, разгрузка подземных вод известна на дне Средиземного моря у берегов Ливана, где родники пресных вод обнаружены в 17 местах. Крупнейший родник "Шека" находится на расстоянии километра от берега. Каждую секунду он дает 50 м3 пресной воды.
В климатическом круговороте участвует огромное количество воды. Всего в атмосфере содержится около 14 000 км3 воды — в 11,6 раза больше, чем в реках. И объем этот полностью меняется примерно каждые 10 сут — 36 раз в
год. Объем всех речных вод на Земле — около 1200 км3 — полностью меняется примерно за 12 сут в среднем 32 раза в год. Значительно дольше
задерживаются воды озер, болот. С малой скоростью идет обмен воды в ледниках, но еще медленнее, конечно, происходит круговорот подземных вод, продолжительность которого изменяется от 330 до 10 000 лет (и это в зоне активного водообмена), составляя в среднем 5000 лет (см. табл. 1.1). Тем не менее, все это звенья одного взаимосвязанного круговорота, состоящего из трех основных циклов: атмосферного, собственно гидрологического и подземного.
Значение климатического круговорота в создании всего окружающего нас мира настолько велико, что его невозможно переоценить. Давайте представим себе, что было бы, если бы этого круговорота не существовало. В этом случае уровень воды на Земле установился бы на одной отметке в океанах и на континентах. Вся вода стала бы соленой. Исчезли бы реки, родники, озера. Уровень воды на континентах был бы только чуть выше современной отметки Мирового океана, т.е. мощность зоны аэрации резко возросла бы, глубина
залегания воды тоже. Прекратилось бы движение воды, исчезли бы практически все известные ландшафты на земле. Континенты превратились бы
в пустыню, не стало бы плодородных земель. Жизнь в этих условиях стала бы невозможной.
Климатический круговорот обеспечивает прежде всего непрерывное движение воды в порах горных пород и реках, создавая кровеносную систему Земли, проникающую во все малейшие пустоты планеты. Как известно, движение — это жизнь. Именно в этом движении начало и развитие всей геологической истории Земли, обеспечившей возникновение и становление жизни на нашей планете, а также, по выражению академика В.И. Вернадского, "ход самых грандиозных геологических процессов".
Движение как философское понятие в данном случае предстает в конкретной форме геологических процессов и явлений. Важнейшими результатами климатического круговорота, как следствие непрерывного движения, являются следующие.
1. Формирование ветви пресных вод на Земле или, точнее, обеспечение материков пресной водой, необходимой для жизни человека и многих,
разновидностей животных и растений.
63
2.Поддержание на контине нтах более высоких относительно океана уровней подземных вод, обеспечивающих непрерывность подземного и поверхностного стоков. Высокие уровни воды — основа развития всего живого на континентах.
3.Строгую направленность движения воды от горных сооружений
(водоразделов) к бассейнам стока и в конечном итоге возвра щение воды в океан.
4.Формирование разнообразного водообмена и водообменных зон на континентах и шельфовой зоне океанов, определяющих разнообразие ландшафтов. Водообмен выступает одной из наиболее фундаментальных характеристик окружающего нас мира, определяющих через степень увлажнения направленность развития большей части геологических и биологических процессов.
5.Возобновляемость запасов воды на континентах, определившая их неисчерпаемость в геологической истории Земли и особую уникальность воды как полезного ископаемого.
6.Физическое и химическое преобразование (гидрогенез) огромной массы горных пород на континентах, обеспечивающее возник новение
принципиально новых минеральных образований, положив ших начало многообразию в неживой природе.
7.Перенос солей и разрушаемых горных пород с континентов в моря и океаны, что обеспечивает наряду с другими явлениями геологический круговорот вещества в земной коре, а также эволю ционное геохимическое развитие океана.
8.Строго направленное эволюционное развитие системы вода — порода — газ на ранних этапах геологической истории Земли, многократно усложненное появлением позже органического вещества и деятельностью человека в современную геологическую эпоху.
Рассмотрим более подробно некоторые количественные стороны климатического круговорота, определяющие питание и распространение подземных вод.
3.2.1. Водный баланс территории
Количественное выражение процесса климатического круговорота воды и его отдельных звеньев может быть охарактеризовано с помощью водного
баланса. Водный баланс какой-либо территории, т.е. накопление и расходование воды в ее пределах за те или иные интервалы времени, зависит от климатических факторов и характера подстилающей поверхности. Соотношение элементов водного баланса — осадков, испарения, поверхностного и подземного стоков в определенных физикогеографических условиях для многолетнего периода в среднем является практически постоянным и определяет средние расходы рек и водные
ресурсы конкретного региона.
Закономерность изменения запасов вод обычно выражается уравнением водного баланса. В общем случае это уравнение для любой территории за любой промежуток времени имеет следующий вид:
64
X + К + Y1 - Y2 - Z ± W1 ± W2 + U1 - U2 = 0, ( 3.2)
где X — количество осадков: К — конденсация влаги; Y1 — приток речных вод из других районов; Y2 — сток рек за пределы рассматриваемой территории
(включая водозабор); Z — испарение; W1 — изменение запасов подземных вод; W2 — изменение влагозапасов на поверхности водосбора; U1 — приток подземных вод из смежных районов; U2 — сток подземных вод в соседние районы ниже уровня дренирования их речными руслами.
В практических целях некоторые члены указанного уравнения объединяются или приравниваются к нулю. Например, вследствие практических затруднений определения конденсации эта составляющая водного баланса условно учитывается вместе с осадками или испарением. Приток речных вод при расчете водного баланса водосбора реки от ее истока до какого-либо створа равен нулю. Величины аккумуляции влаги W1 и W2, а для достаточно больших бассейнов также и подземного водообмена U1 и U2 в
многолетнем периоде почти уравновешиваются. Поэтому на практике при расчете среднего многолетнего баланса какой-либо территории используется
уравнение
X + Y1 – Y2 - Z + U1 – U1 = 01 , |
(3.3) |
а для всего водосбора реки или всего бассейна моря — уравнение вида
X - Y2 - Z + U1 - U2 = 0. |
(3.4) |
На основании приведенных формул был рассчитан водный баланс территории бывшего СССР по многолетним данным, накопленным Гидрометслужбой, а
также всего земного шара [10]. Эти данные показали, что ежегодное испарение с океана составляет 452 600 км3 (см. рис. 3.1). Из этого объема большая часть
испарившейся воды, а именно, 411 600 км3, или 90,7%, возвращается в океан. К оставшейся части (41 000 км3) добавляется испарение с континен-
тов (72 500 км3), которое и служит источником осадков на континенте в объеме 113 500 км3. Таким образом, питание рек и подземных вод на всех континентах обеспечивается объемом 41 000.км3, из которых 29 000 км3 участвует в формировании поверхностного стока и 12 000 км3 (29,3%.) — подземного. Таковы масштабы подземной составляющей климатического круговорота.
3.2.2. Подземный и поверхностный стоки
Как показано выше, в результате климатического круговорота
формируются поверхностный и подземный стоки, сумма которых составляет общий сток той или иной территории. Величину стока определяют путем
замеров расходов рек, под которыми понимается количество воды,
протекающее в единицу времени через поперечное сечение русла реки. Основными характеристиками
65
стока являются коэффициент стока, модуль стока и норма стока. Коэффициентом стока R называется отношение стока h за определенный период к количеству выпавших за этот же период осадков X в бассейне реки:
R = h/X. |
(3.5) |
Модулем стока (М) называется количество воды Q, стекающее в единицу времени с 1 км2 водосборной площади бассейна реки F:
М = Q/F. |
(3.6) |
Нормой стока h0 называется среднеарифметическая величина стока за длительный период наблюдений (п лет):
h0=h/n |
(3.7) |
Питание рек складывается из поверхностного и подземного стоков. Поверхностное питание рек делится на дождевое, снеговое, ледниковое и смешанное.
Дождевое питание характерно для рек умеренного и влажного
тропического климата и отличается значительными колебаниями в зависимости от характера распределения атмосферных осадков в течение года.
Снеговое питание наиболее выражено в районах с устойчивым снеговым
покровом, что характерно для северных и средних широт. Для большинства равнинных рек европейской части России сток за счет снегового питания составляет свыше 50% от суммы годового.
Ледниковое питание обусловлено таянием ледников в высокогорных районах в летнее время. Оно характерно для рек Кавказа, Сибири и особенно Средней Азии.
Как правило, реки имеют смешанное питание, так как в чистом виде ни одно из указанных видов питания обычно не встречается.
Подземное питание реки получают в результате дренирования водоносных горизонтов, которые они пересекают. Летом, как правило, реки имеют поверхностное и подземное питание, а зимой большинство рек имеет только подземное питание. При этом последнее подразделяется на грунтовое и артезианское. Грунтовое питание, в свою очередь, подразделяется на сезонное и постоянное, а артезианское — на открытый и закрытый артезианские стоки. Для районов развития многолетней мерзлоты выделен мерзлотный тип подземного питания рек, а для районов молодого вулканизма
—гейзерный.
Б.И. Куделиным [7] установлено также отрицательное подземное питание
рек, т.е. потери речного стока на питание подземных вод, которое может носить временный (сезонный) или постоянный характер.
Основными факторами, определяющими количественные взаимоотношения поверхностного и подземного стоков, являются: климатические, геоморфологические,
66
почвенно-геологические, характер растительности и искусственные (техногенные).
Климатические факторы являются наиболее важными: нет осадков — нет стока. В засушливых районах, где осадков выпадает очень мало, имеет место
незначительный сток. Так, например, коэффициент стока для территории бассейна Баренцева моря составляет 0,48 (толщина слоя стекающей воды 341
мм), а для бассейна Каспийского моря — лишь 0,21 (толщина слоя стекающей воды 102 мм). В среднем для территории бывшего СССР эта величина составляет 0,37.
Различные виды осадков обусловливают различный характер стока. Продолжительные, небольшой интенсивности обложные дожди, а также кратковременные дожди способствуют лучшей инфильтрации атмосферных осадков, а следовательно, и увеличению подземного стока. Сильные дожди и ливни вызывают значительный поверхностный сток. Этому же способствует таяние весной снегового покрова, что приводит к возникновению бурных паводков на реках.
Геоморфологические факторы (рельеф, форма и размеры бассейна) определяют не только интенсивность общего стока, но и его вид. Сильно расчлененный горный рельеф способствует в количественном отношении
увеличению не только поверхностного, но и подземного стока (рис. 3.2). Однако величина поверхностного стока в горных районах растет быстрее,
чем подземного, что ведет к некоторому уменьшению доли последнего в этик условиях по сравнению с первым. Так, по данным Б.И. Куделина, для горных районов Урала подземный сток составляет 10-30% от общего речного стока, а для равнинных районов Западной Сибири - 30-50%.
Почвенно-геологические факторы регулируют характер стока, главным образом, через водопроницаемость пород зоны аэрации. Чем больше атмосферных осадков просачивается, образуя подземные воды, тем меньше, поверхностный сток. Так, например, в бассейне оз. Севан (Армения), расположенного в области трещиноватых андезито-базальтовых лав, большой процент стока приходится на подземный. В ряде карстовых районов происходит почти полное поглощение поверхностных вод с образованием преимущественно подземного стока.
Растительность задерживает поверхностный сток и способствует
инфильтрации воды, замедляет таяние снега до 20-30 дней, что также способствует формированию подземного стока. Лесная почва имеет более
рыхлую структуру и способствует проникновению воды в почву. С целью уменьшения поверхностного стока в сухих районах создают лесные полосы. Вырубая лес, человек, наоборот, уменьшает подземный сток.
Искусственные факторы, связанные с агротехническими мероприятиями, возведением гидротехнических сооружений, созданием искусственных водохранилищ и другой деятельностью человека,
67
Рис . 3.2. Графики зависимости полно го R, повер хностного S и по дземного U стоков рек Алтая от высоты над уровнем моря Н и схема р аспо ло жения райо но в,
для ко тор ых они постро ены [10]
68
приводят к нарушению естественного режима подземных и поверхностных вод, а следовательно, к изменению характера стока. Так,
создание крупных водохранилищ замедляет общий сток и уменьшает его
выше водохранилища, ниже — увеличивает. При, этом возможно как увеличение, так и уменьшение величины подземного стока.
Взаимоотношение и соотношение между подземным и поверхностным стоками можно видеть на рис.3.3 и в т абл. 3.1.
Таблица 3. 1
Соотношение полного, подземного и поверхностного стоков [10]
|
|
|
|
Сев ерная |
Южн ая |
|
Вся |
Территори |
|
Элеме нт |
Ев ропа |
Азия |
фрик а |
в стралия |
быв . |
||||
мерика* |
Америка* |
су ша*** |
|||||||
СССР |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Площадь, млн.к м 2 |
9,8 |
45, 0 |
30, 3 |
20, 7 |
17, 8 |
8,7 |
132,3 |
22, 4 |
|
Осадки, мм |
734 |
726 |
686 |
670 |
1648 |
73 6 |
834 |
500 |
|
Реч н ой с ток, мм: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полн ый |
319 |
293 |
139 |
287 |
583 |
226 |
294 |
198 |
|
подземн ый |
109 |
76 |
48 |
84 |
210 |
54 |
90 |
46 |
|
пов ерхн ос тн ый |
210 |
217 |
91 |
203 |
378 |
172 |
204 |
152 |
|
Валов ое у в лажн ен и |
524 |
509 |
595 |
467 |
1275 |
564 |
630 |
348 |
|
мм |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Испарен ие, мм |
415 |
433 |
547 |
383 |
1065 |
510 |
540 |
300 |
|
Подземн ый с ток,% о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полн ого |
34 |
26 |
35 |
32 |
36 |
24 |
31 |
25 |
|
Коэ ффициен т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
питан ия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рек п одземн ыми |
0,21 |
0,15 |
0,08 |
0,18 |
0,16 |
0,10 |
0,14 |
0,13 |
|
в одами |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэ ффициен т сток а |
0,43 |
0,40 |
0,23 |
0,31 |
0,35 |
0,31 |
0,36 |
0,40 |
|
|
|
||||||||
* Иск люч ая Кан адск ий архипелаг, н о в ключ ая Ц ентральну ю Америку . |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||
** Вк лю чая Тасман ию, |
Нов у ю Гв ин ею и Нов у ю Зелан дию. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|||||||
*** Иск люч ая Антарк тиду , Грен лан дию и Канадс кий арх ип елаг. |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нетрудно установить, что из всего объема выпадающих осадков в суммарном стоке участвует от 23 (Африка) до 43%. (Европа). Из этого
количества на подземный сток приходится от 48 (Африка) до 210 мм слоя осадков (Южная Америка), или 24-36% суммарного речного стока.
69
Рис. 3.3 . Схема взаимосвязи под земных и поверхностных вод . По В.А.
К ир юхи ну и Н.И. Тол сти хи ну :
1 — аллюв иаль ные отложения ; 2 — отложения речной террасы; 3 — глины; 4 — пески:
5 — уровни подз емных вод (а — аллюв иаль ных отложений, б — р ечной терр асы, в — в песках, г — напор ных вод); 6 — перелив в оды из одного горизонта в другой; 7 — области питания атмосферными осадками; 8 — родники (а — нисходящий, б — восходящий); 9 — зона взаимосвязи пов ерхностных и подз емных в од. Области: I —
питания; // — тр анз ита: /// — напорных вод; IV — закрытой разгрузки; V — открытой разгрузки; VI — смешанного питания
3.2.3. Естественные ресурсы подземных вод
Рассмотренные выше механизмы формирования стока позволяют сформировать представление об естественных ресурсах подземных вод, под которыми понимается обеспеченный питанием их приток или отток на
конкретной территории. Естественные ресурсы характеризуют естественную производительность (расход) водоносных горизонтов или
величину питания подземных вод. Естественные ресурсы возникают и непрерывно возобновляются в процессе общего круговорота влаги на Земле.
Под региональной оценкой естественных ресурсов подземных вод понимается их определение для значительных территорий, например, в пределах целого бассейна подземных вод или достаточно крупной его части. При этом естественные ресурсы выражаются модулем или слоем подземного стока. Первый характеризует расход подземного стока в литрах в секунду (л/с) с 1 км2, а второй — количество воды за отрезок времени, выраженное в виде слоя, равномерно распределенного на площади (обычно мм/год). Подземный сток также характеризуется
70
относительными величинами: коэффициентом подземного стока и коэффициентом подземного питания рек.
Под коэффициентом подземного стока понимается отношение величины подземного стока к величине атмосферных осадков, выпадающих за тот же
период времени, а под коэффициентом подземного питания рек понимается отношение величины подземного стока к величине общего речного стока в
процентах или долях единицы, показывающее участие подземного стока в формировании общего речного стока.
Для территории бывшего СССР под руководством Б.И. Куде-лина составлены карты подземного стока в масштабе 1:5 000 000 (рис. 3.4), которые показывают, что подземный сток колеблется от 0,01 до 10 л/с с 1 км2 и зависит от трех основных факторов: климата, рельефа и структурногеологических условий территории. Все указанные факторы действуют не изолированно, а в тесной взаимосвязи. Величина подземного стока является таким образом некоторой обобщенной интегральной количественной характеристикой весьма сложного природного явления, объединяющего процессы питания, движения и разгрузки подземных вод. Влияние климата придает подземному стоку черты ярко выраженной широтной зональности. Так, величина модулей подземного стока в пределах европейской части
бывшего СССР закономерно уменьшается с СЗ на ЮВ от 4-6 л/с в районах Прибалтики до долей единицы в степях южных районов России и
Украины. Количество атмосферных осадков изменяется в этом же направлении от 600-700 мм/год до 300-400. В Западной Сибири модули подземного стока изменяются от 2,5-3,0 л/с в районах Обской губы до 0,3- 0,5 в Северном Казахстане, Барабинской и Кулундинской степях. В районах г. Томска подземный сток составляет 1-2 л/с с 1 км2 (рис. 3.4.).
Наибольшие значения подземного стока характерны для экваториального климата. Так, на юго-западе Западной Африки подземный сток достигает 20 л/с с 1 км2, а по нашим данным, даже 35, в бассейне Амазонки 15, Индонезии 28, а на Филиппинах даже 45 л/с с 1 км2. В условиях субтропического климата модуль подземного стока в ряде случаев также достигает 15 л/с (Средиземноморское побережье, Япония, Индия, Чили, Мексика и др.) [10].
Рельеф местности оказывает сильное влияние на формирование подземного стока и придает ему черты вертикальной зональности. Более
глубокая эрозийная расчлененность местности, густота речной сети, большие уклоны поверхности Земли и зеркала грунтовых вод в пределах горных
сооружений, как правило, вызывают интенсификацию подземного стока по сравнению с окружающими равнинами. Увеличение модулей подземного стока с высотой местности наблюдается в пределах горных сооружений Кавказа, Крыма, Карпат , Тянь-Шаня и др. Так, на Кавказе, на высоте 800-900 м ,
модули подземного стока составляют 1-5, а на высоте 3000 м — 10-12 л/с с 1 км2 .
71