2. Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона

Зона аэрации занимает верхний слой почвенно-грунтовой тол­щи: от земной поверхности до уровня грунтовых вод.

Через зону аэрации осуществляется взаимосвязь атмосферы и грунтовых вод (рис. 5.2, а). В этой зоне происходят: инфильтра­ция дождевых и талых вод, формирование почвенной воды и вер­ховодки, фильтрация гравитационной воды и десукция влаги рас­тительностью с последующей ее транспирацией.

Попадая после дождей или таяния снега в грунт, вода расходу­ется прежде всего на смачивание почвенного слоя и формирование почвенных вод, под которыми понимают временное скопление сво­бодной (гравитационной) и капиллярной воды в почвенной толще. Эти воды имеют связь с атмосферой и участвуют в питании кор­невой системы растений.

Почвенные воды обычно просачиваются в более глубокие слои грунта и не образуют постоянного водоносного горизонта. Почвен­ный сток возникает лишь при сильных дождях или снеготаянии, если в почве имеются наклонные слабопроницаемые прослои и если часть почвы насыщается водой. Мощность слоя с почвенной водой обычно изменяется от нескольких сантиметров до 1—1,5 м.

Инфильтрующиеся вертикально вниз под действием силы тяже­сти воды зоны аэрации, встречая на своем пути относительный водоупор (отдельные прослои или линзы грунтов, обладающие слабой

Рис. 5.2. Схема залегания вод зоны аэрации и грунтовых вод (а) и вертикального распределения влажности грунта по разрезу А— Б после обильного увлажнения (б):

зоны: /—аэрации; 2— насыщения; 3— почвенные подвешенные воды; 4— инфильтрующиеся воды зоны аэрации; 5— капиллярные; 6— грунтовые воды; 7— верховодка; 8— поверхность капиллярной зоны («капиллярной каймы»); 9— поверхность (зеркало) грунтовых вод; 10— водоупорный пласт; 11— направление потока грунтовых вод; НВ — наименьшая влагоемкость; ПВ —полная влагоемкость

в одопроницаемостью), образуют верховодку, т. е. временные, сезон­ные скопления подземных вод. Мощность верховодки обычно рав­на 0,4—1,0 м, редко достигает 2—5 м.

Почвенные воды и верховодка обычно пресные. Однако в болот­ных и торфянистых почвах эти воды могут иметь застойный режим и высокую концентрацию кислот органического происхождения. Воды зоны аэрации легко подвержены загрязнению с поверхности земли.

Выше уровня грунтовых вод в пределах зоны аэрации распола­гается капиллярная зона (ее иногда называют капиллярной каймой). Воды этой зоны (особенно при неглубоком залегании грунтовых вод) часто участвуют в питании почвенных вод и поглощаются корневой системой растений.

Весьма характерно изменение влажности грунта в зоне аэрации после обильного увлажнения (рис. 5.2, б): по мере приближения к уровню грунтовых вод влажность грунта увеличивается от наи­меньшей (НВ) до полной влагоемкости (ПВ).

3. Воды зоны насыщения. Грунтовые воды

При полном насыщении грунта могут сформироваться как без­напорные (грунтовые), так и напорные (артезианские) воды. Влаж­ность грунта в обоих случаях достигает полной влагоемкости.

Грунтовые воды — это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на

первом выдержанном по площади водоупорном пласте (см. рис. 5.2). Эти безнапорные гравитационные воды имеют свободную поверх­ность, называемую уровнем, или зеркалом грунтовых вод.

Важнейшими процессами, воздействующими на состояние грун­товых вод, являются их питание и разгрузка.

Питание грунтовых вод осуществляется путем инфильтрации через зону аэрации атмосферных осадков, конденсации водяного пара и поглощения вод из водотоков и водоемов (рек, каналов, озер, водохранилищ и т.д.). Иногда в питании грунтовых вод участвуют и более глубокие водоносные напорные горизонты.

По данным В. А. Всеволожского (1991), инфильтрационное пи­тание грунтовых вод на Европейской территории страны составляет от 1 до 60 % атмосферных осадков. В пределах областей достаточного и избыточного увлажнения эта доля составляет в среднем 10—15 % го­довой суммы осадков. Эта величина достигает 50—60 % для участков поверхностного распространения трещиноватых и сильно закарсто- ванных пород. Конденсационное питание грунтовых вод в целом со­ставляет около 30 % годового питания. Поглощение поверхностных вод (из водотоков и водоемов) зависит от характера гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами (см. разд. 5.6).

Разгрузка грунтовых вод осуществляется в виде источников (родников), фильтрацией в русло водотока или ложе водоема, путем испарения и перетекания в нижележащие водоносные горизонты.

Грунтовые воды распространены почти повсеместно, тяготеют к рых­лым четвертичным отложениям (ледниковым, речным, озерным и мор­ским, современным аллювиальным, коре выветривания), участвуют в питании рек, легко доступны для практического использования.

Грунтовые воды обладают изменчивым режимом, связанным с режимом питания и разгрузки. Области их питания и распростра­нения обычно совпадают.

Расстояние от земной поверхности до уровня (зеркала) грунто­вых вод называют глубиной залегания грунтовых вод. Она колеблется практически от нуля в зоне избыточного увлажнения до десятков метров в зоне недостаточного увлажнения. Уровень грунтовых вод испытывает сезонные и многолетние колебания.

Расстояние от кровли водоупорного пласта до уровня грунтовых вод называют мощностью водоносного горизонта. Ее величина изме­няется вместе с изменением уровня грунтовых вод. Лежащая выше уровня грунтовых вод капиллярная зона испытывает колебания вслед за колебаниями уровня грунтовых вод.

Минерализация грунтовых вод может быть самой различной: от свойственной пресным водам до характерной для солоноватых или даже соленых вод. В аридных районах сильное испарение грунто­вых вод может привести к увеличению их минерализации до зна­чений, характерных для рассола, и к сильному засолению почв.

Грунтовые воды наиболее подвержены загрязнению.

Артезианские воды — это напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами (рис. 5.3).

Артезианские воды залегают глубже горизонта грунтовых вод и имеют более стабильный режим. Области питания и распростра­нения артезианских вод обычно не совпадают.

При вскрытии артезианского водоносного горизонта скважиной находящаяся под напором вода поднимается по скважине и может даже излиться на земную поверхность (в случае, если линия напора лежит выше уровня земли) (см. рис. 5.3). Напор в артезианских водах создается в основном гидростатическим давлением, а также геостатической нагрузкой (весом вышезалегающих пород).

вод:

I — водоупорный пласт; 2— артезианский водонос­ный горизонт; 3— линия напора (пьезометриче­ская линия); 4— скважины; Я—высота подъема артезианских вод через скважины

Артезианские воды нередко имеют повышенную минерализа­цию. Обычно они менее подвержены загрязнению в сравнении с грунтовыми водами.

Артезианскими бассейнами называют такие гидрогеологические структуры синклинального типа, которые содержат один или несколь­ко водоносных горизонтов с напорными водами. Примером артезиан­ских бассейнов могут служить Московский, Терско-Кумский и др.

Глубинные воды — это расположенные на больших глубинах на­порные подземные воды, испытывающие воздействие геостатиче- ского давления и эндогенных сил.

Глубинные воды обнаружены в глубоких зонах тектонических нарушений и в глубоких частях осадочных толщ в артезианских бассейнах. Изучены они еще недостаточно.