Фильтрационные расчеты базируются на решении задач филь­

трации в пористой среде с использованием уравнений механики

жидкости (в частности, уравнения Дарен). При этом фильтрую­

щая жидкость - вода принимается несжимаемой, движение не­

разрывным в ламинарном режиме.

Глава 17

РЕЖИМ И ЗАПАСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Режим подземнЬIХ вод - это изменение во времени их уровня, химического состава, температуры и расхода. В естественных

условиях для подземных вод характерен ненарушенный (естест­

венный) режим, который формируется в основном под влиянием

метеорологических, гидрологических и геологических факторов. Метеорологические факторы (осадки, испарение, температура воздуха, атмосферное давление) - основные в формировании ре­ жима грунтовых вод. Они вызывают сезонные и годовые (много­ летние) колебания уровня, а также изменения химизма, темпера­

туры и расхода грунтовых вод.

Сезонные колебания уровня обусловлены неравномерностью

выпадения осадков и изменениями температуры воздуха в тече­

ние года. Наибольшие колебания уровней приходятся на перио­ ды весеннего снеготаяния (весенний максимум) и осенних дож­ дей (осенний максимум). Наиболее низкое положение уровня в

годовом цикле отмечается в конце лета - в начале осени и в

конце зимы (рис. 95). Разность между наивысШим и наннизшим горизонтом подземных вод называют максимальной амплитудой колебания уровня.

Н, м

0,5

1,0

1,5

........

~

1

r ~	r--.. ......
А		r--..1'-v
.J

2,0

1 // JJJ JV v VJ VJJ VliJ IX х

Месяцы

2

Ри с. 95. Схема годового цикла

'сезонных колебаний уровняrрунтовых вод:

Xl XJ/ 1 - весенний паводок; 2 - осенний

максимум; А - максимальная амплmу­ да колебаний уровня

322

Обычно амплитуды сезонных колебаний грунтовых вод не превышают 2,5-3,0 м, а максимальные составляют 10-15 м (в

долинах горных рек, сложенных rалечниками и закарстованными

известняками).

Подъем уровня начинается лишь через некоторое время после

выпадения осадков. Этот отрезок времени тем больше, чем мень­ ше водопроницаемость пород и больше глубина залегания грун­

товых вод.

Уровень грунтовых вод колеблется не только по сезонам, но и в многолетнем цикле. Это связано с ритмическими изменения­

ми климата и приурочено к различным циклам, среди которых

наиболее четко фиксируется 11-летний цикл. Амплитуды много­

летних колебаний мoryr превышать амплитуды сезонных колеба­

ний и достигать значительных размеров (до 8 м и более). Изуче­

ние многолетнего режима подземных вод необходимо для

определения расчетного значения мощности водоносного гори­

зонта, прогноза положения уровня на весь период длительной

эксплуатации сооружений.

Гидрологический режим рек влияет на положение уровней

подземных вод и их химизм в полосе шириной от 0,2-0,5 км (в

песчано-глинистых отложениях) до 2-6 км в хорошо проницае­

мых породах. Колебания уровня подземных вод в речной долине

снекоторым отставанием отражают колебания уровня реки.

Врайонах морских побережий уровень грунтовых вод изме­

няется под действием приливов и отливов.

Геологические факторы действуют на любом участке земной

коры. С глубиной их значение увеличивается. Среди геологиче­

ских факторов выделяют медленно действующие (тектонические

движения, внуrренняя теплота земного шара и др.) и эпизодиче­

ские (землетрясения, вулканизм, оползни, грязевые вулканы).

В районах тектонических поднятий уровень подземных вод

обычно снижается, так как породы лучше дренируются вследствие

углубления эрозионных врезов (оврагов, долин). При опускании местности уровень грунтовых вод повышается. Изменяется и хи­ мизм воды. При землетрясениях пояRЛЯются новые и исчезают

старые источники, существенно меняется термический режим, хи­

мический и газовый состав подземных вод. Вулканические явле­

ния сопровождаются выделением огромного количества тепла, это

приводит к резкому изменению температуры, химизма и уровня

подземных вод. Изменения в режиме подземных вод часто фиксиру­

юrся еще до начала землетрясения и извержения магмы, поэтому

могут быть одним из критериев начала активизации их деятельности.

Режим артезианских, карстовых и надмерзлотных вод в есте­

ственных условиях существенно отличается от режима грунтовых

вод. В сравнении с грунтовыми водами уровень и химический

323

состав артезианских вод подвержены значительно меньшим изме­

нениям. Влияние метеорологических и гидрологических факторов

существенно лишь в областях питания и разгрузки, где артезиан­

ские воды связаны с грунтовыми и поверхностными водами.

Резкой изменчивостью уровня, химизма и расхода отличаются

карстовые воды, залегающие в верхней части карстового массива.

Амплитуды колебания их уровней изменяются от 0,5 до 30 м и

более, расходы карстовых источников в течение года меняются

от десятков литров в секунду до десятков кубометров в секунд~

изменяется химизм воды.

Режим надмерзлотных вод в районах многолетней мерзлоты

неустойчив и связан с интенсивностью промерзания и оттаива­ ния мерзлых грунтов. Максимальные расходы надмерзлотных вод наблюдаются в период наибольшего оттаивания деятельного

слоя, минимальные - в конце зимы до начала снеготаяния.

Режим подземных вод и производственная деятельность человека. Инженерно-строительная деятельность человека изменяет естест­

венные режимообразующие факторы и способствует возникнове­ нию новых факторов, в частности, так формируется искусствен­ ный (или нарушенный) режим подземных вод.

Деятельность человека может проявляться в повышении и по­

нижении уровня подземных вод, в изменении их химического

состава. Она затрагивает все подземные воды, включая и глубо­

козалегающие.

Повышение уровня подземных вод возможно при строитель­

стве водохранилищ и других искусственных водоемов, орошении

и утечках воды из подземных водонесущих коммуникаций, про­

мытленных бассейнов, водохранилищ. Под влиянием искусст­ венных факторов уровни могут подниматься на 10-15 м.

Особенно .значительно обводняющее действие крупных водо­

хранилищ. Так, уже через год после строительства Цимлянского водохранилища длиной 250 км и шириной до 20-30 км влияние

подпора распространилось более чем на 6 км, а уровни грунто­

вых вод вблизи водохранилища поднялись на 5-7 м.

На территориях жилых районов и особенно на участках про­ мытленных сооружений уровень грунтовых вод с течением вре­

мени, как правило, повышается. Так, на территории завода «Ро­ стсельмаш» в Ростове-на-Дону грунтовые воды за последние 45 лет поднялись на 18-20 м. Глубина залегания зеркала от поверх­ ности земли в ряде случаев составляет 1-3 м. Это связано с

утечкой воды из водопроводных и канализационных систем, уме­

ньшением испарения воды вследствие застройки территории и

т. д. В тех случаях, когда основания объектов подстилаются хоро­ шо проницаемыми породами (пески, галечники), накопления

грунтовь~ вод не происходиi

324

Повышение уровней грунтовых вод в настоящее время стало типичным ддя всех городов России, и особенно расположенных на лессовых отложениях. Процесс получил наименование <<ПОдтопле­

ние» и весьма отрицательно влияет на природную среду. Следует

отметить, что «подтопление» территорий городов и промытлен­

ных зон распространилось на весь мир. По некоторым данным, до

70% городов нашей планеты подтоплены. Интересен факт подтоп­ ления древнеегипетских пирамид Хуфу, Хефрена, Менофру и статуи Сфинкса в Гизе за счет утечек из водонесущих коммуника­

ций Каира. На городских территориях и в районах промытленных

объектов, расположенных на лессовых отложениях, необходимо

постоянно вести наблюдения за положением уровня грунтовых

вод. Это осуществляется с помощью наблюдательных буровых скважин различными способами (рис. 96). Следует заметить, что

эти работы должны быть обязательными ддя инженеров-строите­

лей, которые заняты в сфере эксплуатации объектов.

Поиижеине уровня подземных вод вызывается длительными

откачками воды для водоснабжения, осушением заболоченных зе­ мель, строительным водопонижением, дренажем и т. д. Чем интен­

сивнее работы по отбору воды из недр земли, тем на большую глу­ бину снижаются уровни подземных вод. В ходе режимных

наблюдений установлено снижение уровней в районах крупных

водозаборов до 100 м и более. Искусственные факторы интенсив­ но воздействуют и на качество подземных вод. В первую очередь это отражается на питьевом водоснабжении. Весьма специфично влияние искусственных факторов в районах многолетней мерзло­

ты. Практически любое сооружение, возводимое в этих районах (водохранилища, очистные сооружения и т. д.), резко изменяет

температуру и влажность мерзлых грунтов и оказывает существен­

ное влияние на режим верхних горизонтов мерзлотных вод.

(j)

Р и с. 96. Способы

измерения уровня грунтовых

вод в наблюдательных

(пьезометрических		-~УГВ	_ -~УГВ
скважинах):
а - мерным тросом с «ХЛопуш­
кой»; б- стационарным поп­
лавком; в- электроуровнемером;		б
1 - поверхность земли	а		в

325

Режим подзеМНЪIХ вод в районе водозаборов динамичен. В

целом под влиянием водозаборов уровни подземных вод посте­

пенно снижаются. На фоне общего снижения уровня отмечаются колебания, вызванные режимом работы водозабора, типом эксп­

луатируемого водоносного горизонта.

Изменение положения уровня в районах водозаборов влечет

за собой изменение физических свойств, химического и бактери­

ологического состава подземных вод. Нередко эти изменения

приводят к значительному ухудшению их качества.

Баланс подземных вод. Под балансом подземных вод понима­

ют соотношение между приходом и расходом подземных вод на

данном участке за определенное время.

Режим и баланс подземных вод взаимосвязаны, и если пер­

вый отражает изменение количества и качества подземных вод во

времени, то второй - результат этого изменения. Баланс может

состамяться для крупных территорий или для отдельных участ­

ков (поля орошения, групповые водозаборы и т. д.). Участки, где

проводятся измерения прихода и расхода подземных вод, называ­

ют балансовыми.

С помощью баланса характеризуют водообеспеченность райо­

на и возможности ежегодного пополнения запасов подземных

вод, изучают причины подтопления территорий, проrнозируют

изменение уровня подземных вод.

Для решения этих вопросов необходимы данные о состамяю­ щих баланса: приходных и расходных.

Приходная часть слагается под миянием естественных режимо­ образующих факторов и состоит из: инфильтрации атмосферных осадков А; конденсации водяных паров К; подземного притока П.

Подземный приток в свою очередь включает боковой приток П1, фильтрационные поступления из поверхностных водных ис­ точников (реки, озера) п2 и подток воды из нижележащего водо­

носного горизонта П3.

Расходная часть баланса складывается из испарения И и под­

земного стока С.

Испарение включает расход воды за счет испарения с поверх­

ности грунтовых вод и трапспирации воды растительностью.

Подземный сток может быть предстамен боковым оттоком С1 и

перетоком в нижележащий водоносный горизонт С2• Балансовое уравнение грунтовых вод для данного участка за

время t имеет вид:

где ~W- изменение запасов грунтовых вод за время t.

326

Для решения балансовых уравнений применяют эксперимента­ льные и расчетные методы. В первом случае все основные статьи

баланса подземных вод определяют непосредственным измерени­ ем, во втором их рассчитывают на основе режимных наблюдений,

используя уравнения неустановившегося движения в конечных

разностях.

Запасы подземных водэто количество (объем) свободной воды, содержащейся в водоносных слоях. Подземные воды, при­

годные для использования в народном хозяйстве, относятся к ценнейшим полезным ископаемым. В отличие от твердых полез­

ных ископаемых они могут находиться в движении и периодиче­

ски возобновляться. Оценка запасов имеет важное значение для водоснабжения. Ни один водозабор не может быть построен и

пущен в эксплуатацию без предварительного подсчета запасов

подземных вод. Тип водозаборных сооружений, вариантьr их раз­

мещения, оптимальный режим работы и другие вопросы, связан­

ные с использованием подземных вод для нужд водоснабжения,

решаются на основе подсчитанных запасов подземных вод.

В настоящее время большинство исследователей подразделяют

запасы подземных вод на естественные и эксплуатационные.

Естественные запасы подземных вод - это объем гравитацион­

ной воды, который содержится в водоносных пластах в естествен­

ных условиях (в статическом состоянии или в движении). Естест­

венные запасы слагаются из статических, упругих и динамических

запасов.

Статические и упругие запасы характеризуют объем гравита­ ционной воды в порах и трещинах водоносных пород (в кубиче­ ских метрах). Упругие запасыэто количество воды, которое

может быть извлечено из напорного водоносного пласта без его осушения за счет упругих свойств воды и горных пород при по­

нижении уровня.

Под динамическими запасами (или естественными ресурсами) понимают расход подземных вод (м3jсут), протекающих через во­ доносный пласт. Динамические запасы в процессе круговорота воды на земле постоянно возобновляются. Роль этих запасов

значительна.

Эксплуатационные запасы подземных вод. При эксплуатации

водозаборов естественные условия подземных вод нарушаются.

Формируется новый тип запасов - эксплуатационные запасы. Под эксплуатационными запасами следует понимать количество

подземных вод, которое может быть получено в единицу времени

из водоносного горизонта рациональными в технико-экономиче­

ском отношении водозаборами без снижения дебита и ухудшения

качества воды в течение всего расчетного срока водопотребления.

327

В районах действующих водозаборов уровень подземных вод снижается, образуются депрессионные воронки. В благоприятных

гидрогеологических условиях это может вызвать привлечение в

эксплуатируемый водоносный горизонт дополнительных источни­ ков питания. В этом случае эксплуатационные запасы по своей

величине могут превышать естественные за счет дополнительных или привлекаемых запасов подземных вод.

Роль дополнительных (привлекаемых) запасов в общем балан­ се подземных вод водозаборов возрастает по мере увеличения де­

прессионной воронки.

В формировании эксплуатационных запасов существенную

роль могут играть и искусственные запасы. Они создаются путем

инфильтрации воды с поверхности земли при устройстве искусст­ венных сооружений (инфильтрационные бассейны, оросительные

системы, поглощающие скважины и т. п.).

Методы оценки эксплуатационных запасов. Оценить эксплуата­

ционные запасы - это значит:

• определить дебит и понижение уровня подземных вод в пе-

риод эксплуатации;

•рассчитать взаимодействие водозаборов;

•дать прогноз изменения качества подземных вод;

•обосновать наиболее рациональные в технико-экономиче­ ском отношении способы отбора воды.

Для оценки эксплуатационных запасов подземных вод в рай­

онах водозаборов используют ГИдРОдинамический, гидравличе­ ский и балансовый методы. При совместном применении указан­

ных выше методов, а также при использовании моделирования точность подсчета эксплуатационных запасов значительно повы­

шается.

При высокой степени обеспеченности восполнения эксплуа­

тационных запасов допустима их оценка на основе опыта много­

летней эксплуатации подземных вод на действующем водозаборе,

находящемся в аналогичных условиях.

Воснове классификации лежит степень изученности запасов

иона содержит четыре категории: А, В, С1 и С2.

Категория А- запасы изучены и разведаны детально, полно­

стью выяснены условия залегания и питания водоносных гори­

зонтов, фильтрационные свойства пород, установлена связь с

другими водоносными горизонтами и поверхностными водами, а

также возможность пополнения эксплуатационных запасов.

Категория В- запасы подземных вод изучены с детально­

стью, обеспечивающей выяснение основных условий залегания,

питания и связи с другими водоносными горизонтами и поверх­ ностными водами.

Категория С1 - запасы разведаны и изучены в общих чертах.

328