Гидрология подземных вод

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЗАЛЕСЕННОСТИ, ЗАБОЛОЧЕННОСТИ И ОЗЕРНОСТИ

Если водосборный бассейн частично залесен, заболочен, резко неоднороден по почвам или имеет пруды и озера, то в гидрологических расчетах определяются относительная лесистость, заболоченность и озерность. Их вычисляют как отношение площадей лесов, болот, озер ко всей площади водосборного бассейна.

Площади озер, болот, лесов определяют аналогично площади водосборного бассейна – с помощью палетки, графическим или иным способом. Причем лес и кустарник на болотах в лесные угодья не включаются.

Расчёт ведется по следующим формулам:

Σ==niозiозSFf1100, (8.1)

где – коэффициент озерности, %; – площадь водной поверхности i-го озера, км; – площадь водосборного бассейна, км; озfозiSF

Σ==niБiБSFf1100, (8.2)

где – коэффициент заболоченности, %; – площадь поверхности i-го болота, км; БfБiS

Σ==niлiлSFf1100, (8.3)

где – коэффициент залесенности, %; – площадь поверхности, занимаемая i-м лесом, км. лfлiS

На основании выполненных расчетов составляется ведомость характеристик водосборных бассейнов (табл. 8. 1). 15

Таблица 8.1. Ведомость характеристик водосборных бассейнов

Характеристика бассейна, единицы измерения	Водопропускные сооружения
Пикетажное положение…………………… Площадь бассейна, км2……………………. Длина главного лога, км…………………... Отметка лога у сооружения, м……………. Отметка вершины лога, м…………………. Уклон главного лога, доли единиц………. Уклон лога у сооружения, доли единиц … Отметка водораздела по оси дороги, м:   - правого……………………………..   - левого………………………………   Пикетажное положение водораздела по оси дороги:   - правого……………………………..   - левого………………………………   Косина сооружения, град…………………. Глубина лога у сооружения, м……………. Коэффициент заложения склонов по оси дороги:   - правого……………………………..   - левого………………………………   Коэффициент залесенности, % ………….. Коэффициент заболоченности, % ……….. Коэффициент озерности, % …………….

 

К подземным водам как объекту изучения гидрологией относятся воды, содер­жащиеся в земной коре и активно участвующие в круговороте воды на земном шаре, т.е. взаимодействующие с атмосферой и поверхностными водами.

Основной источник формирования подземных вод - атмосферные осадки (таю­щий снег и дожди), которые поступают в верхний слой грунта в результате инфильтра­ции (впитывания). При обильном поступлении воды она заполняет все пустоты в грун­те. По трещинам, ходам животных, отверстиям от сгнивших корней растений, относи­тельно крупным порам (т.е. промежуткам между частицами грунта) вода перемещается вниз под влиянием силы тяжести - это гравитационная вода. Она достигает водо­упорного слоя (чаще всего глинистые отложения), накапливаясь здесь, образует водо­носный горизонт, т.е. слой водопроницаемого пласта, насыщенного водой, которая движется по поверхности водоупора в сторону его уклона под влиянием силы тяжести.

Там, где отрицательные формы рельефа (речные долины, овраги, озерные котловины) вскрывают водоносный горизонт, подземные воды выходят на поверхность в виде род­ников или рассредоточенного высачивания на участке склона.

При определенном геологическом строении грунтовые воды до выхода на по­верхность перекрываются другим водоупором, затем вторым и.т.д. Воды, перекрытые сверху водоупорными слоями, называются межпластовыми подземными водами. Питание этих вод осуществляется на участках, где соответствующий водоносный гори­зонт не перекрыт сверху водоупором. Для межпластовых вод характерно возникнове­ние напора, вследствие которого вода при вскрытии водоносного горизонта буровой скважиной или по естественным трещинам поднимается вверх.

Уровень, до которого поднимается вода, называется пьезометрическим уровнем. Превышение этого уровня над уровнем воды в водоносном горизонте называется высотой напора. Подъем воды под действием напора может достигать земной поверхности. Особенно это свойственно артезианским водам, приуроченным к геологическим структурам синклинального типа - артезианским бассейнам.

Между водоносными горизонтами обычно существует связь вследствие циркуля­ции воды по трещинам в водоупорах или путем медленного просачивания через них по порам.

Подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, называются пласто­выми водами. В горных породах подземные воды чаще перемещаются по системе тре­щин в породах (трещинные воды), по изолированным трещинам или жилам с повы­шенной трещиноватостью (жильные воды), по карстовым пустотам (карстовые во­ды).

В зоне распространения многолетнемерзлых пород различают подмерзлотные воды, залегающие под толщей мерзлых пород, межмерзлотные воды внутри мерзлой толщи и надмерзлотные воды, для которых мерзлые породы служат водоупором.

Грунтовые и тем более межпластовые воды существуют, как правило, в течение всего года и обеспечивают постоянное питание рек. В зоне распространения многолет­немерзлых пород это относится только к подмерзлотным водам.

Отношение объема всех пустот к объему образца грунта называется скважинностью, а отношение объема пор (V_пор) к объему грунта (V_гр) называется пористостью (р): р = V_пор/V_гр Обычно они выражаются в %. Пористость песка в среднем 40%, глины - около 50%.

Верхний слой грунта после прекращения таяния снега или дождя постепенно ос­вобождается от гравитационной воды. По возникшим пустотам циркулирует воздух. Слой грунта (верхняя часть которого является почвой) до уровня грунтовых вод назы­вают зоной аэрации. В этой зоне остаются следующие типы вод:

- капиллярная вода, заполняющая поры и находящаяся под влиянием капилляр­ных сил; в нижней части зоны аэрации вода, поднимаясь по порам над слоем грунтовых вод, образуют зону капиллярного поднятия (капиллярную кайму) толщиной от 0 (гра­вий, галька) до 6-12 м. (глина);

- пленочная вода, образующая тонкую пленку вокруг частиц грунта и сравнитель­но слабо связанная с ними молекулярными силами; перемещается от мест с большей толщиной пленки к местам с меньшей ее толщиной;

- гигроскопическая вода, прочно связанная с частицами грунта молекулярными силами.

Способность грунта вмещать и удерживать определенное количество воды назы­вается влагоемкостью грунта.

Полная влагоемкость - суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор, выраженная в процентах от массы образца грунта.

Наименьшая (или полевая) влагоемкость - вода, остающаяся в грунте после отекания гравитационной воды (для песков 3-5%, суглинков и глин 12-22%).

Влажность грунта — фактическое содержание воды в грунте, выраженное в ви­де толщины слоя (в мм) или в процентах от массы сухого грунта.

Воды зоны аэрации, оставшиеся в порах грунта, постепенно расходуются на испа­рение, в основном путем транспирации растений.

Временные скопления гравитационных вод в зоне аэрации могут возникать над отдельными линзами водоупорных пород (верховодка), и над относительным водоупором, например, над иллювиальным горизонтом подзолистых почв, водопроницаемость которого значительно меньше вышележащих слоев. Перемещение воды по относитель­ному водоупору в сторону его уклона образует почвенный, или внутрипочвенный сток.

Подземные воды могут формироваться в результате инфильтрации в грунт не только атмосферных осадков, но и воды из поверхностных водных объектов. Оба эти вида вод называются инфильтрационными подземными водами. Подземные воды могут формироваться также вследствие конденсации водяного пара в порах грунта. Это конденсационные воды, играющие заметную роль в пустынях. Все перечислен­ные виды подземных вод являются экзогенными. К эндогенным относятся воды, об­разующиеся из паров магмы — дегидрационные воды.

Глубина распространения межпластовых подземных вод, участвующих в круго­вороте воды на земле, достигает, как правило, нескольких сотен метров. Глубина зале­гания грунтовых вод, сильно изменяясь по территории в зависимости от локальных ус­ловий в целом, подчинена закону географической зональности, увеличиваясь от долей метра в зоне тундр до десятков метров в степной зоне.

Движение подземных вод по порам в зоне насыщения, называемое фильтрацией, как правило, ламинарное.

Скорость фильтрации (выражается законом Дарси:

 

;

 

где I - гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня безнапорных вод, либо уклону пьезометрического уровня для напорных вод;

К_ф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации через данный грунт при I = 1 (т.е. вертикально вниз); его размерность м/с или м/сут.

К_ф для галечника равен 100-200 м/сут., для песка 1-50, для супеси 0,1-0,5, для глины 0,001-0,0001 м/сут.

Движение трещинных, жильных и особенно карстовых подземных вод может быть турбулентным.

Уравнение водного баланса зоны аэрации в пределах речного бассейна:

x_инф + z_гр = y_почв + П_гр + z_з.а. ±∆u_з.а.

где х_инф — поступление воды с поверхности земли (инфильтрация атмосферных осад­ков);

z_гр - испарение грунтовых вод;

z_з.а. - испарение из зоны аэрации;

П_гр - питание грунтовых вод из зоны аэрации;

∆и_гр — изменение влагозапасов вод зоны аэрации.

Уравнение водного баланса грунтовых вод (при отсутствии притока из-за преде­лов речного бассейна и фильтрации через водоупор):

П_гр = y_гр + z_гр ± ∆u_гр

где у_гр - сток грунтовых вод (т.е. разгрузка грунтовых вод на земную поверхность или непосредственно в реки и водоемы);

∆u - изменение запаса (объема) грунтовых вод.

Типы водного режима зоны аэрации:

1) промывной - х_инф >> z_з.а., избыток воды расходуется на П_гр и y_почв;

2) компенсированный - x_инф ≈ z_з.а.;

3) испарительный (выпотной) - х_инф << z_з.а., недостаток воды частично возмещает­ся за счет z_гр.

Типы водного режима грунтовых вод:

1) сезонного (преимущественно весеннего и осеннего) питания; максимальный уровень грунтовых вод весной, меньшее повышение осенью, низкий уровень в конце лета и особенно в конце зимы; наблюдается на большей части территории стран СНГ;

2) кратковременного летнего питания; максимальный уровень в июне — июле (иногда августе-сентябре); наблюдается в зоне многолетней мерзлоты;

3) круглогодичного, преимущественно зимне-весеннего питания; максимальный уровень в феврале-апреле, минимальный - в летне-осеннее время (юг и запад террито­рии бывшего СССР с непромерзаемой зоной аэрации).

Типы взаимодействия подземных и поверхностных вод:

1) Двухсторонняя гидравлическая связь. При низком уровне воды в реке уровень грунтовых вод находится выше, река получает грунтовое питание. При высоком уровне воды в реке уровень грунтовых вод оказывается ниже. Происходит инфильтрация реч­ной воды в грунт. Этот тип характерен для средних и крупных равнинных рек.

2) Односторонняя гидравлическая связь. Уровень воды в реке постоянно выше уровня грунтовых вод. В течение всего года речная вода питает грунтовые воды. Ха­рактерно для некоторых засушливых, а также карстовых районов.

3) Отсутствие гидравлической связи. Водоупор расположен выше максимального уровня воды в реке. Происходит постоянное питание реки грунтовыми водами, разгру­жающимися на склонах долины в виде ключей или рассредоточенного высачивания. Наиболее характерно для горных районов.