1. Основные сведения из гидрологии и гидрогеологии.

1. Круговорот воды в природе. Водный баланс

Гидрология – наука, изучающая гидросферу, её свойства и протекающие в ней процессы и явления во взаимосвязи с атмосферой и биосферой. Гидрология изучает распределение и движение природных вод, их режим и взаимодействие с окружающей средой

Гидрогеология изучает законы движения воды, залегающей в толще земной коры. Она изучает происхождение и развитие подземных вод, условия их залегания и распространения, законы движения, взаимодействие с вмещающими горными породами, физические и химические свойства, их газовый состав и агрессивность.

Вода в природе находится в состоянии постоянного обмена. Под действием солнечной радиации и тепла атмосферных масс часть воды испаряется с поверхности суши и водоемов. Часть водяных паров образуется за счет транспирации – выделения воды растениями. Пары воды перемещаются воздушными потоками. Попадая в верхние слои атмосферы, пары охлаждаются и конденсируются. Этот процесс при определенных условиях приводит к выпадению осадков в виде дождя, снега или града. Вода, выпавшая на сушу, частично снова испаряется, частично просачивается в грунт и стекает по поверхности земли в виде отдельных потоков, струек, ручьев и рек. Просочившаяся в грунт вода заполняет его поры и протекает до водоупорного слоя. Достигнув слоя водоупорных пород вода движется по нему и может выходить в отдельных местах на поверхность в виде ключей и родников, давая начало ручьям и рекам, или по водоносному горизонту попадает в речные русла, обеспечивая тем самым подземное питание рек. Образуемые в результате поверхностного и грунтового стока реки несут воду в озера, моря и океаны, замыкая цикл круговорота воды в природе.

Цикл круговорота воды оказывается замкнутым. Он может быть описан общим уравнением водного баланса

Ом + Ос = Ем + Ес ,

где Ом и Ос – среднегодовое количество выпавших осадков соответственно на поверхность океанов и суши; Ем и Ес – среднегодовое количество испарившейся воды соответственно с поверхности океанов и суши;

Для океанов и морей круговорот воды в основном определяется испарением с поверхности и выпадением осадков. Для суши процесс круговорота значительней сложнее. Выпадающая на поверхность суши вода в виде осадков частично расходуется на испарение и транспирацию.

Другая часть идёт на создание стока на поверхности суши Ус (главным образом рек) и подземного стока Уп. В соответствии с изложенным можно записать уравнение водного баланса суши:

Ос = Ес + Ус.

Приход и расход воды для произвольно взятой части земной поверхности, например осушаемого торфяного месторождения, можно выразить уравнением водного баланса, отражающего закон сохранения материи: приход-расход = W, где W – изменение запасов воды в пределах балансового участка. Для многолетнего периода W = 0.

Ограничивая балансовый участок в плане границами объекта осушения, а в разрезе – региональным водоупором, уравнение водного баланса записывается следующим образом:

(О+Пп+Пг+Пн+К) – (Еп+Ев+Т+Сп+Сг) = ∆Wп + ∆Wа + ∆Wг , (1.1)

где О – атмосферные осадки; Пп– приток поверхностных вод;Пг – приток грунтовых вод; Пн – приток напорных вод; К – конденсация влаги на поверхности (роса, иней) и в почве; Еп – испарение с поверхности почвы; Ев – испарение с водной поверхности; Т – транспирация влаги растительностью; С – поверхностный отток (сток) за пределы массива (балансового участка); Сг – отток грунтовых вод;

∆Wп, ∆Wа, ∆Wг – изменение запасов влаги соответственно на поверхности почвы, в зоне аэрации и грунтовых вод.

Из уравнения баланса видно, что в целях нормализации водного режима (осушения торфяного месторождения) гидротехнические мероприятия должны быть направлены на уменьшение элементов приходной и увеличение расходной части баланса. Изменение водных запасов бассейна ∆W колеблется в зависимости от засушливости или многоводности отмеченных лет. За многолетний период однородных климатических и геологических условий повышение и уменьшение запасов в бассейне компенсируется (W = 0).

Формирование стока – сложный, многофакторный процесс. Вода попадает в реки, проходя длительный и сложный путь, например при образовании и последующем таянии ледников или за счет образования подземного стока. Подземные воды благодаря общему уклону поверхности водоупорных пластов попадают в реки, а небольшое их количество – непосредственно в моря и океаны. Скорость движения подземных вод при фильтрации значительно ниже, чем при поверхностном стекании. Это приводит к более позднему попаданию подземных вод в реки, способствуя более равномерному их питанию. При отсутствии дождей и таяния снега подземный сток является основным источником питания рек.

Это уравнение (1.1) показывает, что основными составляющими водного баланса являются атмосферные осадки и испарение. На их величину существенное влияние оказывают температура воздуха и почвы, влажность, атмосферное давление и ветер.

Климатические факторы оказывают основное влияние на поверхностный сток. Великий русский гидролог проф. А. И. Воейков говорил: « Реки – продукт климата».

Испарение – физический процесс отрыва молекул жидкости от её свободной поверхности. Влагу испаряют не только океаны, моря и др. водоёмы. Испарение происходит с влажной почвы, растений, поверхности подземных вод. Этот процесс возвращает в атмосферу около 2/3 осадков. На территории России среднегодовой слой испарения колеблется от 200 мм на Крайнем Севере до 1000–1200 мм в южных районах.

Атмосфера в незначительной степени наполняется парами и в результате сублимации – парообразования с твердой поверхности снега и ледников, минуя жидкостную фазу (6–8 % годовой суммы испарения).

Скорость испарения зависит от дефицита влажности d = E–е (где E –.упругость насыщенного пара, е – упругость водяного в воздухе) и определяется законом Дальтона. С поверхности суши испарение идет значительно медленнее, чем с поверхности водоемов. Это объясняется тем, что испарение с суши чаще идет в условиях недостатка в ней влаги. При этом скорость испарения зависит от многих факторов: температуры почвы, глубины расположения подземных вод, структуры грунта и др.

В бассейнах рек соотношение площади водной поверхности и суши может быть различным. Обычно площадь суши во много раз больше. Поэтому общий объем испарения с суши оказывается определяющим по сравнению с испарением с водной поверхности в уравнении многолетнего водного баланса бассейна.

Величина испарения с поверхности торфяных месторождений зависит от их состояния. Испарение с поверхности естественного болота и с поверхности осушенного будет различным. Различным будет испарение с поверхности болота верхового и низинного. Испарение с поверхности сфагнового болота за вегетационный период примерно равно испарению с водной поверхности, а испарение с низинного болота несколько превышает его. Величина испарения с поверхности болотных массивов, представленных преимущественно сфагново-кустарничковыми микроландшафтами, составляет примерно 300 мм/год. Среднее годовое испарение с поверхности торфяных месторождений грядово-мочажинного комплекса приблизительно на 20 % выше средней величины испарения со сфагново-кустарничковых.

Осадки – выпадающая из атмосферы часть водяных паров, образующая в процессе конденсации капли дождя, снег или град. Количество осадков распределяется по территории земной поверхности крайне неравномерно. Например, в Индии есть место, где среднегодовое количество осадков составляет более 11000 мм. Наименьшее среднегодовое количество осадков (0,9 мм) зафиксировано в Чили (пункт Арина). В среднем для поверхности земного шара слой осадков составляет 1130 мм/год, в центральной Европейской части России 500-600 мм/год.

Осадки характеризуются интенсивностью и продолжительностью, их общим количеством, неравномерностью выпадения по времени и площади.

Важной характеристикой осадков является их распределение по времени и внутригодовое распределение осадков. Самым дождливым периодом является лето. Зимние осадки составляют 13–25 % от годовых и имеют большое значение для образования паводков при таянии снега весной.

В период снеготаяния и формирования половодья определяющими факторами является запас влаги в снежном покрове и его состояние, дружность и интенсивность снеготаяния и др.