Режим и баланс подземных и грунтовых вод

Режим и баланс подземных и грунтовых вод

Режим подземных вод – это изменение во времени их уровня, химического состава, температуры и расхода.

Режим подземных вод в естественных условиях

В естественных условиях для подземных вод характерен ненарушенный (естественный) режим, который формируется в основном под влиянием метеорологических, гидрологических и геологических факторов.

Метеорологические факторы (осадки, испарение, температура воздуха, атмосферное давление) - основные в формировании режима грунтовых вод. Они вызывают сезонные и годовые (многолетние) колебания уровня, а также изменения химизма, температуры и расхода грунтовых вод.

Сезонные колебания уровня обусловлены неравномерностью выпадения осадков и изменениями температуры воздуха в течение года. Наиболее высокое понижение уровня приходится на периоды весеннего снеготаяния (весенний максимум) и осенних дождей (осенний максимум). Наиболее низкое положение уровня в годовом цикле отмечается в конце лета - начале осени и в конце зимы.

Разность между наивысшим и наинизшим горизонтом подземных вод называют максимальной амплитудой колебания уровня. Обычно амплитуды сезонных колебаний грунтовых вод не превышают 2,5-3,0 м, а максимальные составляют 10-15 м (в долинах горных рек, сложенных галечниками и закарстованными известняками).

Подъем уровня начинается лишь через некоторое время после выпадения осадков. Этот отрезок времени тем больше, чем меньше водопроницаемость пород и больше глубина залегания грунтовых вод.

Уровень грунтовых вод колеблется не только по сезонам, но и в многолетнем цикле. Многолетние колебания уровня связаны с ритмическими изменениями климата и приурочены к различным циклам, среди которых наиболее четко фиксируется 11-летний цикл. Амплитуды многолетних колебаний могут превышать амплитуды сезонных колебаний и достигать значительных размеров (до 8 м и более). Изучение многолетнего режима подземных вод необходимо для определения расчетной величины мощности водоносного горизонта, прогноза положения уровня на весь период длительной эксплуатации сооружений и других инженерных расчетов.

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 проницаемых породах. Колебания уровня подземных вод в речной долине с некоторым отставанием отражают колебания уровня реки.

Режим подземных вод в условиях влияния техногенных факторов

Инженерно-строительная деятельность человека и другие техногенные причины изменяют естественные режимообразующие факторы и способствуют возникновению новых, так формируется искусственный ( или нарушенный) режим подземных вод.

Деятельность человека может проявляться в повышении и в понижении уровня подземных вод, в изменении их химического состава, расхода и температуры. Основное внимание при инженерно-геологических исследованиях уделяется изучению уровенного режима подземных вод.

Повышению уровня подземных вод способствуют строительство водохранилищ и других искусственных водоемов, орошение, утечка воды из подземных сетей водонесущих коммуникаций, промышленных бассейнов, водохранилищ и т. д. Под влиянием искусственных (антропогенных) факторов уровни подземных вод могут подниматься на 10-15 м и более. Особенно значительно обводняющее действие крупных водохранилищ.

Под балансом подземных вод понимают соотношение между приходом и расходом подземных вод на данном участке за определенное время.

Режим и баланс подземных вод взаимосвязаны, и если первый отражает изменение количества и качества подземных вод во времени, то второй - результат этого изменения. Баланс может составляться для крупных территорий или для отдельных участков (поля орошения и фильтрации, групповые водоза- боры и т. д.). Участки, где проводятся измерения прихода и расхода подземных вод, называют балансовыми .

С помощью баланса характеризуют водообеспеченность района и возможности ежегодного пополнения запасов подземных вод, изучают причины подтопления территорий, прогнозируют изменение уровня подземных вод.

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

Приходная часть баланса грунтовых вод под влиянием естественных режимообразующих факторов слагается из следующих составляющих: инфильтрации атмосферных осадков (А); конденсации водяных паров (К); подземного притока (П).

Подземный приток в свою очередь включает боковой приток (П), фильтрационные поступления из поверхностных водных источников (реки, озера) (П2) и переток из нижележащего водоносного горизонта (П3).

Расходная часть баланса складывается из испарения (И) и подземного стока (С).

Испарение (И) включает расход воды за счет испарения с поверхности грунтовых вод и транспирации воды растительностью. Подземный сток (С) может быть представлен боковым оттоком (С1) и перетоком в нижележащий водоносный горизонт (С2).

Балансовое уравнение грунтовых вод для данного участка за время t имеет вид:

Δ W = А + К + П1 + П2 + П3 - И - С1 - С2,

где Δ W – изменение запасов грунтовых вод за время t.

Если на территории участка проводились режимные наблюдения за уровнем грунтовых вод, баланс грунтовых вод может быть выражен уравнением:

μΔh = А + К + П - И - С ,

где Δh – среднее изменение уровня за время t;

μ – коэффициент водоотдачи (при Δh с минусом) и недостаток насыщения (при Δh с плюсом).

Величина μΔh изменяется по сезонам и в многолетнем цикле. Она может быть положительной при подъеме уровня грунтовых вод и отрицательной при его опускании.

На балансовом участке могут быть выражены не все составляющие. Так, например, при глубоком залегании грунтовых вод из балансового уравнения исключается испарение (И), а при отсутствии перетока воды через водоупор - члены С2 и П3 .

В условиях искусственного (нарушенного) режима подземных вод в балансовое уравнение грунтовых вод вводятся расходы на водоснабжение (В), расходы в дренажи (Д), фильтрация из оросительных каналов (Фк) и другие составляющие. Превышение прихода подземных вод над расходом может вызвать подтопление территории, при обратном соотношении составляющих баланса - ее осушение.

Изучая баланс крупной территории или любого другого участка, можно регулировать режим подземных вод в нужном направлении.

Для решения балансовых уравнений применяют экспериментальные и расчетные методы. В первом случае все основные статьи баланса подземных вод определяют непосредственным измерением, во втором - их рассчитывают на основе режимных наблюдений, используя уравнения неустановившегося движения в конечных разностях (метод Г. Н. Каменского).

Источник: Гидрология : учебное пособие по курсу «Науки о Земле» для студентов,
обучающихся по специальности 28020265 «Инженерная защита окружающей среды» /
сост. В. А. Михеев. - Ульяновск : УлГТУ, 2010. - 200 с.