книги из ГПНТБ / Ковалевский В.С. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод

ВВЕДЕНИЕ

В наиболее общей форме понятие «режим подземных вод» можно охарактеризовать как изменения в пространстве и во времени количества, качества и физических свойств подземных вод. В процессе накопления сведений о режиме подземных вод, увеличения степени детальности его изучения и круга практиче­ ских задач, решаемых на основе данных о режиме подземных вод, формулировки этого понятия постоянно изменялись.

Так, Г. Н. Высоцкий, П. В. Отоцкпй и Ф. П. Саваренский (Добровольская, 1964) под режимом подземных вод понимали лишь колебание во времени уровней грунтовых вод и дебитов источников. В дальнейшем М. А. Вевиоровская (Вевиоровская, Разин, Семенов, 1937), Г. Н. Каменский («Режим подземных

вкладывали уже совокупность количественных и качественных из­ менений в подземных водах, возникающих под воздействием разнообразных природных и: искусственных факторов.

Наиболее полные характеристики понятия «режим подзем­ ных вод» были даны М. Е. Альтовским (1954), Н. К- Гиринским (1956), В. Н. Поповым (1955) и А. А. Коноплянцевым, В. С. Ко­ валевским и С. М. Семеновым (1963), которые рассматривали режим подземных вод как естественно-исторический процесс, отражающий проявления формирования подземных вод и ха­ рактеризующий изменение во времени ресурсов, свойств и сос­ тава подземных вод, включая уровни, расходы, скорости, тем­ пературу, химический, газовый и бактериологический состав.

Таким образом, изучение и анализ режима подземных вод неотделимы от установления генетических связей с определяю-' щими его факторами, от познания процессов, формирующих происходящие в подземных водах изменения, выявления зако­ номерностей в режиме подземных вод и их использования при решении конкретных практических задач. Другими словами, целью режимных исследований является установление объек­ тивных законов явлений, наблюдающихся при формировании подземных вод, и их объяснение.

Режим подземных вод по принципиальным различиям усло­ вий его формирования может быть подразделен на три основ­ ные группы: естественный, искусственный и слабо нарушенный.

Естественный режим подземных вод формируется под воз­ действием комплекса естественных (природных) факторов: гео­ логических, климатических, гидрогеологических, космогенных и биолого-почвенных.

Искусственный (или сильно нарушенный) режим подземных вод формируется главным образом под влиянием хозяйственной деятельности человека, воздействия которой на подземные воды резко доминируют над воздействиями естественных режимооб­ разующих факторов.

Слабо нарушенный режим подземных вод формируется при одновременном воздействии и естественных, и искусственных факторов, при этом естественные факторы преобладают над ис­ кусственными. Такой режим в настоящее время весьма широкораспространен. К числу районов со слабо нарушенным режимом подземных вод можно отнести все распахиваемые земли, на ко­ торых изменились условия поверхностного стока, инфильтрации и испарения, городские территории с интенсивной застройкой и асфальтированием улиц, препятствующими инфильтрации осадков (за исключением отдельных локальных участков, где имеют место утечки из канализационной и водопроводной сети, а также сброс промышленных отходов), приводохранилищные зоны с уже закончившимся процессом развития подпора под­ земных вод, осушенные заболоченные и переувлажненные тер­ ритории и далее площади вблизи эксплуатационных артезиан­ ских скважин, длительно работающих на самоизлнв, или сква­ жин с постоянным дебитом в условиях обеспеченного восполне­ ния из реки. Во всех этих случаях либо искусственное воздей­ ствие на режим подземных вод с самого начала привело лишь к незначительным его изменениям, несоизмеримым с естествен­ ными колебаниями элементов режима подземных вод, либо су­ щественные изменения, имевшие место на первых этапах (подъем или снижение уровней), со временем стабилизировались, и последующие изменения, наблюдаемые в подземных водах, свя­ заны уже только с естественными факторами.

В связи с этим для анализа и прогноза искусственного ре­ жима подземных вод чаще всего достаточно знать и учитывать лишь один переменный во времени фактор — хозяйственную деятельность человека (величину откачиваемой воды или режим водоотбора, нормы полива и т. д.). Для анализа и прогнозов естественного или слабо нарушенного режима необходимо ис­ пользовать серию различных естественных факторов, а в от­ дельных случаях слабо нарушенного режима подземных вод,, следует также учитывать искусственные воздействия, проявля­ ющиеся в виде определенной тенденции или тренда к снижению

пли повышению уровней в многолетнем разрезе, на который накладываются естественные изменения.

В дайной работе мы остановимся лишь на естественном и слабо нарушенном режиме подземных вод, закономерности ко­ торого формируются под влиянием только естественноистори­ ческих факторов. В площадном отношении на территории СССР

преобладает именно такой режим подземных вод. Нисколько не умаляя значения вопросов изучения нарушенного режима под­ земных вод, учет которого в отдельных случаях является жиз­ ненно важным, следует подчеркнуть большое научное и прак­ тическое значение вопросов изучения естественного режима под­ земных вод. Среди основных задач изучения естественного ре­ жима подземных вод можно выделить следующие.

1. Изучение условий формирования подземных вод. По дан­ ным наблюдений за режимом подземных вод могут быть оцене­ ны условия питания и разгрузки подземных вод, установлен их баланс, определена роль различных режимообразующих фак­ торов и физико-химических процессов в формировании подзем­ ных вод с целью составления прогнозов режима подземных вод

ипроведения разного рода гидрогеологических расчетов.

2.Изучение закономерностей изменений в естественном вос­ полнении запасов подземных вод в годовом и многолетнем раз­ резе. Неравномерность питания подземных вод как по сезонам года, так, и за многолетие приводит к значительным колебани­ ям их уровней, а следовательно, и к изменениям ресурсов под­ земных вод. Учет данного обстоятельства имеет большое прак­ тическое значение как при региональных оценках естественных ресурсов подземных вод, оценках эксплуатационных запасов,

подземных вод и проведении водохозяйственных расчетов, так и при планировании и осуществлении разного рода строитель­ ства. Выявленные закономерности в восполнении запасов под­ земных вод являются также основой для регулирования и пла­ нирования рационального использования подземных вод, а так­ же их охраны от истощения. Одной из составных частей данной задачи является изучение режима подземного стока и его роли

в общем водном балансе территорий и в формировании поверх­ ностного стока.

3. Вскрытие закономерностей в формировании водного, со­ левого и теплового балансов подземных вод в целях их исполь­ зования для прогнозов режима подземных вод. Прогнозы ес­ тественного режима подземных вод могут быть использованы при планировании времени проведения строительных или опыт­ ных гидрогеологических работ, планировании севооборотов и урожайности сельскохозяйственных культур, для составления прогнозов возможных водопритоков в горные выработки и дре­ нажные сооружения, затоплений подвальных помещений, при планировании эксплуатации подземных вод (особенно при ис­ пользовании родникового стока), для разработки противоополз­

зарубежных исследователей можно отметить Альберта, Бецински, Колаго, Эриксона, Фишела, Джекоба, Нильсона, Шоллера, Тодда, Тизона, Убелля и др. Вопросам прогнозов естественного режима подземных вод посвящены работы М. Е. Альтовского, Н. Н. Биндемана, H. Н. Веригина, Э. А. Зальцберга, Д. М. Ка­ ца, П. А. Киселева, А. А. Коноплянцева, В. А. Коробейникова, А. В. Лебедева, Майэ,Н. А. Огильви, С. М. Семенова, А. И. Суб­ ботина, М. А. Шинкаревского, В. М. Шестакова, Богарди, Маталаса, Нетопила, Осборна, Ремсона, Рендольфа, Рорабо и др.

Настоящая работа выполнена на основе анализа и обобще­ ния обширного фактического материала, накопленного стацио­ нарными гидрогеологическими партиями страны (Северо-Запад­ ной, Северо-Восточной, ЦЧП, Северо-Кавказской, Щемиловско­ го стационара ВСЕГИНГЕО и многих других).

Г л а в а I

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Анализ многолетних наблюдений за режимом подземных вод показывает, что он формируется под влиянием комплекса ре­ жимообразующих факторов и режимообразующих условий. При этом под режимообразующими факторами нами понимаются гидрометеорологические, эндогенные, биогенные, космогеиные и искусственные факторы, которые, сами постоянно изменяясь, воздействуют на подземные воды, определяя особенности их ре­ жима. Под режимообразующими условиями нами понимается та природная обстановка (геологическое строение района, рельеф и его расчлененность, геоморфологические особенности террито­ рии, почвы, наличие многолетнемерзлых породит, п.), которая практически в течение наблюдений не изменяется, но оп­ ределяет условия, в которых проявляется воздействие режимо­ образующих факторов на подземные воды. Рассмотрение режи­ мообразующих условий с диалектических позиций, как это было сделано А. А. Конопляицевым (Коноплянцев, Ковалевский, Се­ менов, 1963), показывает, что при геологическом исчислении времени данные условия тоже изменяются. Так, под влиянием процессов выщелачивания, суффозии, кольматации, цементации, метаморфизации, диагенеза и других могут изменяться строение и фильтрационные свойства пород. Под влиянием тектоники, эрозионных, карстовых и эоловых процессов могут изменяться степень расчлененности рельефа и его особенности, интенсив­ ность дренирования подземных вод. Смещение земной оси и дрейф континентов могут коренным образом изменять климат обширных регионов и т. п. С этих позиций режимообразующие условия также могли бы быть названы факторами. Однако эти изменения протекают настолько медленно, что при анализе ре­ жима подземных вод их воздействиями на него можно пренеб­ речь, так как они несоизмеримы по эффекту с воздействиями ре­ жимообразующих факторов.

Строго говоря, режимообразующие факторы можно было бы

подразделить на четыре принципиально различные по генезису подгруппы: космогенные, эндогенные, биогенные и искусствен­ ные. Однако, учитывая, что космогенные факторы, определяе­ мые деятельностью Солнца, Луны или других планет солнеч­ ной системы, а также вращением Земли вокруг Солнца и вок­ руг своей оси, воздействуют на режим подземных вод часто не непосредственно, а через атмосферу и гидросферу, которые су­ щественно трансформируют эти воздействия, нами помимо соб­ ственно космогенных или планетарных факторов выделены так­ же метеорологические и гидрологические.

По типу воздействия режимообразующих факторов на под­ земные воды наблюдаемые изменения в режиме подземных вод могут быть подразделены на две группы:

а) связанные с изменениями количества и качества подзем­ ных вод (в результате естественного или искусственного их пи­ тания и расходования, а также их подпора);

б) связанные лишь с изменениями упругого состояния водо­ носного горизонта или его упругим режимом (в результате из­ менений атмосферного давления, под воздействием резких по­ рывов ветра, притяжения Луны и Солнца, увеличения или сня­ тия нагрузок на поверхность Земли проходящим поездом, выемкой пород и т. д.).

Роль отдельных режимообразующих факторов и условий в формировании режима подземных вод рассматривалась в ряде работ («Режим подземных вод», 1938; Альтовский, 1954; Коноплянцев, Ковалевский, Семенов, 1963), поэтому здесь мы кратко охарактеризуем особенности и механизм воздействия этих фак­ торов на подземные воды с учетом последних данных в этой об­ ласти.

КОСМОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Одним из наиболее мощных внешних факторов, определяю­ щим особенности суточных, годовых и многолетних изменений в режиме подземных вод, является деятельность Солнца, вызы­ вающая изменения в режиме атмосферной циркуляции, гидро­ сферы и биологической деятельности на Земле. Как известно (Эйгенсон, 1957 и др.), одним из показателей солнечной актив­ ности является периодически изменяющееся число солнечных пятен и факелов в наиболее нижней, доступной для непосред­ ственных наблюдений, оболочке Солнца — фотосфере. Процесс роста и уменьшения числа пятен и факелов, вызываемый, повидимому, радиоактивным распадом во внутренней части Солн­ ца, имеет довольно четкую закономерность, получившую около ста лет назад название «11-летнего цикла солнечной активности».

Механизм солнечно-земных связей еще в достаточной мере не изучен, несмотря на многочисленные и многолетние иссле­ дования в этой области. Обычно различают два типа солнечного излучения — волновое, или электромагнитное, и корпускулярное.