§6. Движение подземных вод

Движение подземных вод происходит под влиянием силы тяжести, капиллярных сил и гидростатического давления. Движение в зоне аэрации выражается просачиванием и инфильтрацией, а в зоне насыщения - фильтрацией.

1. Просачивание - это движение воды в грунте вертикально вниз в виде изолированных струек по капиллярным порам и канальцам. При этом пористое пространство не насыщено водой и в нем сохраняется движение атмосферного воздуха, что исключает влияние гидростатического давления в зоне аэрации.

2. Инфильтрация - это движение воды сплошным потоком с полным заполнением пор водой под действием сил тяжести, капиллярных сил и гидростатического давления в зоне аэрации, где может образовываться таким путем верховодка.

3. Фильтрация - это движение свободной (гравитационной) воды по порам и трещинам под действием силы тяжести и гидростатического давления в сторону уклона поверхности водоносного горизонта или в сторону уменьшения напора артезианских вод.

Движение в мелкопористых грунтах имеет ламинарный режим и подчиняется закону фильтрации Дарси, выражаемому формулой

Vф = КфI

где Vф - скорость фильтрации (м/сутки, см/с), Кф - коэффициент фильтрации, характеризующий водопроницаемость грунтов, зависящей от количества и размеров пор. Его значения различны для разных грунтов:

галечник - 100-200 м/сутки

песок - 1-50 м/сутки

суглинок - 0,05-0,1 м/сутки

глина - менее 0,001 м/сутки

I - гидравлический уклон или напорный градиент, равный уклону поверхности уровня грунтовых безнапорных вод, вычисляется по формуле

I = h/l = (h₁-h₂)/l

где h - напор, h₁, h₂- высота уровней в точках 1 и 2, 1 - длина пути фильтрационного потока.

Скорость фильтрации Vф можно определить по формуле

Vф = Qф/Wn

где Qф - расход фильтрационного потока, то есть количество воды (в м³/c), протекающей в единицу времени через данное сечение породы; Wn - площадь (м²) поперечного сечения породы (пористой среды).

Определение скорости и направления движения подземных вод производится непосредственно в поле путем введения в опытную (пусковую) скважину индикатора - раствора солей или красителя флюоресцеина (зеленый) и установлением их появления в наблюдательных скважинах по окружности.

Скважина, в которой краситель появится раньше, будет указывать направление потока. Скорость движения воды определяют по формуле:

Vn = l /Т

где 1 - расстояние в м от пусковой скважины до наблюдательной, Т - время от введения красителя до его появления.

Эти методы широко применяются также при изучении подземных карстовых вод. Так крымские карстологи Дублянский В.Н. и Вахрушев Б.А. определили, что карстовые подземные водотоки Крыма имеют среднюю скорость 430 м/сут.

§7. Режим подземных вод

Режим подземных вод - это закономерные пространственно-временные изменения ресурсов и характеристик подземных вод, включая изменения уровня, температуры, химического состава и минерализации.

На режим влияют климатические и гидрологические факторы, а также геолого-геоморфологические условия и водно-физические свойства грунтов. Наибольшие изменения элементов режима происходит в зоне аэрации. Наиболее динамичными являются грунтовые воды, где проявляются многолетние, сезонные и суточные колебания. Эти колебания отражают изменения запасов воды в водоносном слое и зависят от условий питания и расходования подземных вод, то есть, связаны с атмосферными осадками, испарением, стоком и водоотдачей грунтов.

Типы режима грунтовых вод: уровненный, термический, химический

Выделяется 3 типа уровненного режима грунтовых вод, характерных для разных климатических зон и провинций.

1. Мерзлотный тип кратковременного летнего питания, относящийся к зонам многолетнемерзлых грунтов с суровым холодным климатом. Максимальный уровень грунтовых вод связан с талым питанием и приходится на июнь - июль.

2. Режим сезонного питания, преимущественно весенне-осеннего, характерен для зон континентального климата с холодной зимой, когда промерзает зона аэрации. Максимальный уровень связан с талыми водами весной и дождевыми - в летне-осеннее время. Минимальный уровень наблюдается в предвесеннее время.

3. Режим круглогодичного питания, преимущественно зимне-весеннего - весеннего, относится к южным и западным районам Европы. При этом режиме максимальные уровни вод наблюдаются в феврале-апреле, а минимальные - в июле-августе.

Термический режим грунтовых вод зависит от температуры воздуха и инфильтрующихся вод. С глубиной многолетние и сезонные колебания температур воды быстро затухают. Положение водоносного горизонта с постоянной температурой наиболее высоко (первые м) в тропических странах, наиболее глубоко (до 41 м) в условиях резко континентального климата. На очень больших глубинах температура увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом.

В зонах мерзлотного режима грунтовых вод зимой воды замерзают, а летом - редко достигают +10°С. В зонах сезонного питания, колебания температур грунтовых вод колеблются от 2°С до 12°С, а в зонах круглогодичного питания теплых стран - от 10 до 25°С (в жарких странах - до 36°С).

Гидрохимический режим грунтовых вод - это изменение их минерализации и химического состава в связи с разбавлением грунтовых вод пресными дождевыми и талыми водами и интенсивностью испарения воды. В зонах мерзлотного режима минимальная минерализация составляет 5-30 мг/л в весенне-летнее время, а максимальная до 1 г/л - в предвесеннее время. Характерные ионы НСО₃^- и Са²⁺.

В зонах сезонного и круглогодичного питания, в условиях умеренного увлажнения минерализация изменяется: от 10 до 400 мг/л - в северных провинциях Европы и от 20 до 1500 мг/л - в средней полосе Европы. Преобладают ионы НСО₃ и Са²⁺.

В засушливых зонах, где испарение преобладает над питанием, происходит засоление вод с минерализацией от 0,1 до 11 г/л, преобладают ионы SO₄^2- (сульфатные), Nа⁺ и С1^- (хлоридные).