2.3.9. Підземний стік

Підземний стік в цілому це процес переміщення підземних вод від областей живлення до місць їх розвантаження під дією гідравлічного напору. Кінцеве розвантаження відбувається у поверхневі водні об’єкти (в основному у річки). Тому часто під підземним стоком розуміють підземне живлення річок. Інтенсивність його показана на рис. 2.35. Карта побудована у величинах, які називаються шаром підземного стоку (мм/рік):

(2.12)

де W_n — об’єм підземного стоку в річку або озеро (м²/рік), F_n — площа підземного водозбору (км²). Використовують також інші показники, наприклад коефіцієнт стоку:

(2.13)

де х — шар опадів (мм). Цей коефіцієнт завжди менше одиниці, тому що опади є основним джерелом живлення вод суходолу, а підземний стік — їх частина. Лише у випадках інтенсивного притоку напірних підземних вод з сусідніх річкових басейнів (невеликого розміру) може перевищувати одиницю.

Також використовують коефіцієнт підземного живлення річок:

К_п.ж. = (2.14)

При підрахунках показників підземного стоку площі підземних водозборів визначають за картами гідроізогіпс та гідроізоп’єз.

До основних груп факторів, що впливають на формування підземного стоку відносять: 1) метеорологічні; 2) геоморфологічні; 3) геолого-гідрогеологічні; 4) кріогенні. До метеорологічних відносять опади, температуру, радіаційний та тепловий баланс, випаровування та інші. Вони носять зональний та ярусний характер. До геоморфологічних відносять рельєф, розчленованість місцевості, характеристики гідрографічної сітки та інші. Рельєф впливає безпосередньо та через зміни метеорологічних характеристик. Підвищення порізаності території збільшує нахили земної поверхні та ґрунтових вод. Також підвищується загальний ступінь дренованості водоносних горизонтів та комплексів. Глибина ерозійного врізу річок, як правило, пов’язана з величиною площі водозбору. У цьому ж напрямку збільшується підземний стік. З іншого боку значна порізаність територій може частково зменшувати можливості формування потужних горизонтів ґрунтових вод і робити областями їх розвантаження переважно верхів’я річок. До геолого-гідрогеологічних факторів віднесені потужність та склад зони аерації, водопровідність та гідравлічний градієнт водоносних горизонтів. Значне збільшення підземного стоку спостерігається в карстових районах. Кріогенні фактори пов’язані із зоною багаторічної мерзлоти. Тут в цілому спостерігається значна специфіка в режимі як підземних так і річкових вод.

Формування та інтенсивність підземного стоку досить відрізняються в різних типах гідрогеологічних структур: артезіанських басейнах та гідрогеологічних масивах. В межах перших добре проявляється гідродинамічна зональність: зона активного водообміну (інтенсивного підземного стоку); уповільненого та досить уповільненого. Загалом за першу зону припадає до 98-99% підземного стоку. Але вона у свою чергу неоднорідна. Середній час затримки води в ній складає приблизно 300 років. Тоді як у зоні аерації води можуть стікати за 10-30 діб. Таким чином при переході до напірних, міжпластових вод швидкість формування підземного стоку стрімко падає.

В цьому відношенні дуже важливими стають дослідження співвідношення (взаємозв’язку) річкових та підземних вод. Вони є частиною загальних досліджень підземного стоку. Обширні роботи такого роду були проведені під керівництвом Б.І. Куделіна. Він розрізняє ґрунтове та артезіанське підземне живлення річок. В свою чергу ґрунтове поділяється на сезонне та постійне.

Сезонне ґрунтове живлення забезпечується тимчасовими скупченнями гравітаційних вод зони аерації типа верховодки, надмерзлотними водами діяльного шару зони багаторічної мерзлоти, уривчасто розповсюдженими тимчасовими водонасиченими пластами вулканічних відкладів. Для рівнинних річок зі значними площами водозборів сезонне ґрунтове живлення має другорядне значення. Велике значення воно має для малих річок в зоні достатнього та надлишкового зволоження, а також для гірських річок.

Постійне ґрунтове живлення здійснюється з основних водоносних горизонтів ґрунтових вод. Воно забезпечує відносно рівномірний притік води до річок на протязі всього року. Виключення можуть складати відносно невеликі періоди, коли високі рівні (напори) води в річці можуть призупинити цей притік. (Особливості взаємозв’язку ґрунтових та річкових розглянемо нижче). Постійний ґрунтовий стік є одним з головних джерел підземного живлення річок, служить природнім регулятором поверхневого стоку та забезпечує мінімальні витрати води.

Артезіанське живлення річок зумовлено поступанням глибинних напірних вод різних типів: власне артезіанських, карстових, тріщинно-жильних, підмерзлотних, термальних та ін. Цей стік (притік) висхідний. В ряді випадків розвантаження артезіанських вод іде спочатку у ґрунтові, а вже потім у річки. Звичайно артезіанське живлення річок не має великого значення, але при сприятливих гідрогеологічних умовах (в особливих випадках) може складати суттєву частку.

В особливий клас Куделін виділив втрати річкового стоку на живлення підземних вод (від’ємне підземне та постійне). Його він також поділяє на сезонне та постійне. Принципові схеми такого явища показані на рис. 2.36.

Особливості живлення в різних умовах відповідають різним умовам взаємозв’язку ґрунтових та річкових вод. В залежності від гідрогеологічних умов та режиму поверхневих і підземних вод, розрізняють три основних схеми їх гідравлічного зв’язку:

1) відсутній;

2) постійний;

3) тимчасовий.

Схеми для пояснень наведені на рис. 2.37. Відсутність гідравлічного зв’язку поверхневих та підземних вод пов’язана з тим, що крівля водонепроникних порід на яких формуються ґрунтові води залягає вище максимальних рівнів води в річці (рис. 2.37, а). Ці водоносні горизонти мають режим стоку близький до поверхневого. Він відрізняється менш вираженими піками (максимумами) і відносним їх запізненням. Тип підземного стоку називається низхідним.

Постійний гідравлічний зв’язок здійснюється коли крівля водотривів знаходиться нижче нижчих рівнів води в річці, або в специфічних умовах живлення напірними водами. Розрізняють декілька різновидів цієї категорії зв’язку.

А. Річка на протязі майже всього року дренує підземні води і лише при найвищих рівнях встановлюється відносна рівновага (рис. 2.37б,). Вплив високих вод на рівнинних річках може розповсюджуватися на відстань від десятків метрів до декількох кілометрів, підпираючи ґрунтові води. Підземний стік на цей час припиняється. Може також спостерігатися явище тимчасової інфільтрації річкових вод в береги, та «віддачі» їх на спаді повені. Воно було названо Куделіним «береговим регулюванням річкового стоку». Воно може досягати мільйонів метрів кубічних на 1 км берегів. Цей тип взаємозв’язку характерний для зони надлишкового та достатнього зволоження.

Б. Річки на протязі всього року живлять водоносні горизонти під-руслових ґрунтових вод та ґрунтових вод берегів (рис. 2.37, в). Цей тип характерний для посушливих територій, гір, закарстваних областей.

В. Річки на протязі всього року живляться з неглибоких горизонтів головним чином напірних вод (рис. 2.37, г, д). Тут також є сезонні зміни та свої різновиди.

Тимчасовий (періодичний, змішаний) гідравлічний зв’язок річок та ґрунтових вод спостерігається коли крівля водотриву залягає між низькими та високими рівнями води в річці. В цих умовах підземне живлення річок під час повені (паводку) спочатку збільшується, а потім зменшується, але не припиняється (рис. 2.37, е). Це пов’язано з інтенсивним поповненням в цей час ґрунтових вод інфільтраційними.

Характер взаємозв’язку річкових та підземних вод поздовж долини річки змінюється. Це пов’язано як з тим, що дренуються різні водоносні горизонти, так і зі змінами їх потужності, розташування та інших характеристик.

Підземний стік і описані особливості гідравлічного зв’язку характерні також і для поверхневих водойм.

Загальний внесок підземного стоку у стік річок Землі становить приблизно 30%. Для річок України це величина в основному становить 20-25%.