Понятие о гидросфере

Режим температуры грунтовых вод формируется под влиянием ряда факторов, из которых главные - это колебания температуры воздуха и температуры инфильтрующихся вод.

С глубиной многолетние, сезонные и суточные колебания температуры грунтовых вод быстро затухают. Положение зоны с постоянной температурой грунтовых вод наиболее высоко у экватора (всего несколько метров), что объясняется небольшой величиной сезонных колебаний температуры воздуха на поверхности земли (до 10-15 ^СС); наиболее глубоко (до 41 м) зона постоянной температуры расположена в условиях резко континентального климата.

Температура воды в верхней части упомянутой зоны в пределах бывшего СССР изменяется в меридиональном направлении (с севера на юг) от нуля до 20 °С и примерно соответствует средней многолетней температуре воздуха на поверхности земли, обычно превышая ее всего на 1-3 ºС. На больших глубинах температура постепенно увеличивается с глубиной в соответствии с характерным для данного района так называемым геотермическим градиентом.

Гидрохимический режим грунтовых вод (изменение их минерализации и химического состава) также связан с водным режимом и характером питания и разгрузки грунтовых вод. Наиболее важное значение имеют разбавление грунтовых вод пресными дождевыми и талыми водами и интенсивность испарения воды. Специфические колебания уровня, температуры и химического состава испытывают грунтовые воды, находящиеся вблизи рек, озер и водохранилищ и связанные с ними гидравлически. Для режима уровня грунтовых вод в этих случаях характерны, например, колебания, сопутствующие изменениям уровня воды в водотоке или водоеме.

Взаимодействие поверхностных и подземных вод.

Взаимодействие поверхностных и подземных вод играет очень важную роль в гидрологических процессах на планете. Существо этого взаимодействия заключается в обмене поверхностных (океаны, моря, озера, водохранилища, реки, каналы) и подземных вод (напорных и безнапорных) водой, теплотой, растворенными в воде веществами.

Обмен подземных вод и вод океанов и морей изучен еще очень слабо. Известны лишь приближенные цифры поступления в океан подземных вод и растворенных в них солей. В среднем в океан ежегодно поступает 2,2 тыс. км³ не дренируемых реками подземных вод.

Лучше изучено взаимодействие подземных вод и водных объектов суши (работы Б.И. Куделина, О.В. Попова и др.). Рассмотрим это взаимодействие на примере речных и грунтовых вод (рис. 7). Закономерности такого взаимодействия справедливы и для других водных объектов суши, например озер и водохранилищ.

Выделяют три типа взаимодействия речных и грунтовых вод: наличие постоянной гидравлической связи, наличие временной гидравлической связи и отсутствие гидравлической связи. Первый тип включает два подтипа: наличие одно- и двусторонней постоянной гидравлической связи. Характер связи речных и грунтовых вод зависит от соотношения высоты стояния уровня в реке в половодье и межень, с одной стороны, и положения кровли водоупорного пласта (водоупора) и уровня находящихся над ним грунтовых вод - с другой.

При очень низком положении водоупора и уровня грунтовых вод река в течение всего года через берега и дно питает подрусловые и прибрежные грунтовые воды (рис. 7, а), т.е. постоянно теряет воду на питание грунтовых вод. Это явление особенно характерно для закарстованных пород или крупнопористых грунтов в аридных и горных районах. Гидрогеологи называют этот вид взаимодействия речных и грунтовых вод «подпертой фильтрацией» (В.А. Всеволожский, 1991). Кроме того, иногда выделяют случай, когда основной водоупор находится очень глубоко, а русло реки подстилают слабоводопроницаемые породы. В этом случае фильтрация речных вод происходит практически вертикально вниз, обходя область слабоводопроницаемых пород («свободная фильтрация» по В.А. Всеволожскому, 1991).

При более высоком положении водоупора река питает грунтовые воды лишь в половодье; в межень река, наоборот, дренирует грунтовые воды и ими питается (рис. 7, б). На спаде половодья и в межень часть накопленной в грунте воды возвращается в русло реки. Такое явление называется береговым регулированием речного стока или периодическим питанием подземных вод (В. А. Всеволожский, 1991).

При еше более высоком положении водоупора река, так же как и в предыдущем случае, в половодье питает грунтовые воды, а в межень грунтовые воды питают реку. Однако в межень происходит разрыв кривой депрессии грунтовых вод и понизившегося уровня в реке - на склонах русла возникают мочажины и начинают действовать родники или ключи (рис. 7, в), дебиты которых не зависят от изменения уровня воды в реке.

Наконец, при очень высоком положении водоупора как в половодье, так и в межень грунтовые воды и река не имеют между собой гидравлической связи (рис, 7, г).

Таким образом, характер и величина подземного питания рек (и озер) зависят от гидрогеологического строения прилегающей к водному объекту территории и от режима уровней воды в водном объекте.

В целом же подземные воды являются одним из важнейших видов питания рек. По водно-балансовым оценкам для всего земного шара на долю подземного питания рек приходится около 30 % речного стока. При величине речного стока, поступающего в океан, 41,7 тыс. km³ в год на долю подземного питания приходится, таким образом, 12,5 тыс. км³ воды в год. Важно также отметить, что роль подземного питания в режиме рек особенно возрастает в межень, когда питание других видов (талое, дождевое) существeнно сокращается или вовсе прекращается.

С деятельностью подземных вод на поверхности речного бассейна и в грунтах верхней части земной коры связаны специфические физико-географические явления: оползни, суффозия, карст, заболачивание, мерзлотно-гидрогеологические процессы.

Оползни представляют собой смешения вниз по склону масс рыхлой породы под действием силы тяжести, особенно при насыщении рыхлого материала водой и при чередовании водоупорных и водоносных слоев, Если вниз по склону смешается маломощный слой почвы или грунта, насыщенный талыми или грунтовыми водами, то такое явление называют оплывиной.

Суффозией принято называть вынос взвешенных веществ потоками грунтовых вод. Суффозия ведет к образованию подземных пустот и последующему оседанию вышележащих осадочных толщ с формированием на поверхности замкнутых понижений - блюдец, воронок, западин.

Карст - это природное явление, связанное с растворением водами (как поверхностными, так и подземными) горных пород, а также и комплекс форм рельефа, образующихся в областях распространения растворимых пород (известняков, доломитов, гипсов, каменной соли и др.). К карстовому рельефу относятся как отрицательные поверхностные формы - поноры, воронки, котловины, колодцы, так и подземные формы - пещеры, полости, ходы.

К числу мерзлотно-гидрогеологических явлений относятся бугры пучения, наледи, термокарст, термоэрозия и термоабразия. Бугры пучения - это выпуклые формы рельефа, возникающие в области многолетнемерзлых или сезонномерзлых пород в результате ледообразования в грунтах. К буграм пучения относят, например, булгунняхи (пинго) и гидролакколиты.

Наледи подземных вод - это массивы льда, образующиеся при намораживании излившихся на поверхность земли грунтовых вод. В области многолетнемерзлых пород различают наледи надмерзлотных, подмерзлотных и межмерзлотных вод, а в области сезонномерзлых или кратковременномерзлых пород - так называемые ключевые и грунтовые наледи. Наиболее крупные наледи занимают десятки квадратных километров при толшине льда до 12 м.

Термокарст - это образование просадочных форм рельефа в результате вытаивания подземного льда или оттаивания мерзлого грунта. Термоэрозия - это разрушение мерзлых пород на берегах рек при тепловом воздействии текущих вод. Термоабразия - процесс разрушения берегов морей, озер, водохранилищ, сложенных льдом или многолетнемерзлыми грунтами, с участием термического воздействия воды и воздуха. Интересным и важным проявлением воздействия подземных вод на ландшафты являются источники (родники) - места естественной разгрузки грунтовых вод на земную поверхность. Различают несколько типов такой разгрузки (В.А. Всеволожский, 1991). Контактовые выходы грунтовых вод (источники) образуются в тех случаях, когда эрозионные врезы вскрывают место контакта уровня грунтовых вод с подстилающими слабопроницаемыми породами. Здесь речное русло вскрывало место контакта уровня грунтовых вод и водоупора. Но эрозионный врез может быть представлен не только речным руслом, но и любыми достаточно глубокими оврагами, балками и т.д. (рис. 8. а). Депрессионные выходы грунтовых вод (источники) могут быть приурочены к понижениям земной поверхности, вскрывающим кривую депрессии грунтовых вод (рис. 8, б). Третий тип разгрузки грунтовых вод на земную поверхность - экранированный (рис. 8, в). В этом случае источники формируются в местах, где поток грунтовых вод достигает границы распространения слабоводопроницаемых пород («экрана»).

 

 

Практическое значение и охрана подземных вод

Большое практическое значение подземных вод определяется, прежде всего, их непосредственным использованием в хозяйстве, поэтому подземные воды можно рассматривать в качестве полезного ископаемого наряду с углем, нефтью, газом, рудами. Подземные воды используют, прежде всего, для коммунального, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения. Многие крупные города в качестве питьевой воды применяют пресные артезианские воды. В некоторых районах откачка подземных вод широко используется и для орошения.

Запасы и ресурсы подземных вод могут быть подразделены на естественные, искусственные, привлекаемые и эксплуатационные.

Естественные запасы - это объем свободной (гравитационной) воды в водоносном горизонте в естественных условиях. Естественные ресурсы - это количество подземных вод, поступающих в водоносный горизонт в естественных условиях; они равны сумме всех приходных элементов баланса данного водоносного горизонта (инфильтрация атмосферных осадков, фильтрация из рек, перетекание из смежных водоносных горизонтов).

Искусственные запасы - это объем подземных вод в водоносном горизонте, образовавшийся в результате орошения, подпора водохранилищами, искусственного восполнения подземных вод («магазинирования»). Искусственные ресурсы - это количество подземных вод, поступающих в водоносный горизонт при фильтрации из каналов и водохранилищ, на орошаемых площадях и т.д. Привлекаемые ресурсы - это количество воды, поступающей в водоносный горизонт при усилении питания подземных вод в процессе эксплуатации водозаборных сооружений (возникновение или усиление фильтрации из рек и озер, перетекание из смежных водоносных горизонтов и т.д.).

Под эксплуатационными ресурсами понимают то количество подземных вод, которое может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчетного срока водопотребления. Эта величина, таким образом, представляет собой производительность водозабора.

Важнейшим условием эксплуатации подземных вод является выполнение комплекса экологических требований: не должен быть нарушен режим близлежащей реки, питание грунтовыми водами почвенно-растительного покрова, соблюдены необходимые природоохранные меры при строительстве и эксплуатации водозабора и т.д.

Запасы подземных вод (синоним - статические ресурсы) выражают в м³ или км³, ресурсы подземных вод (динамические ресурсы) - в м³/с, м³/сут или км³/год.

Естественные ресурсы пресных подземных вод бывшего СССР составляли более 30000 м/с (945 км³/год), т.е. около 24 % всего речного стока. Прогнозные эксплуатационные ресурсы оценивались приблизительно в 330 км³/год. Более половины из них (170 км³/год) формируются поверхностным и подземным стоком в речных бассейнах и являются полностью возобновляемыми.

Большое бальнеологическое значение имеют минеральные и термальные воды Термальные воды используют также для коммунально-бытовых и промышленных нужд.

Важное практическое значение подземные воды имеют и как компонент питания поверхностных вод - рек и озер. В данном случае подземные воды используются опосредованно в качестве части поверхностных водных ресурсов.

Несмотря на огромные запасы подземных вод и возобновляемость части их ресурсов, существует опасность их истощения и загрязнения. Истощение подземных вод может произойти из-за чрезмерной их откачки. Чрезмерный забор подземных вод на хозяйственные нужды особенно нежелателен в тех случаях, когда эти воды гидравлически связаны с поверхностными (речными) водами. Откачка подземных вод может привести не только к истощению этих вод, понижению их уровня, но и к уменьшению подземного питания рек в межень и, соответственно, к уменьшению стока рек. Чрезмерная откачка подземных вод в городских районах ведет к образованию депрессионных воронок, т.е. к местному резкому понижению уровня грунтовых вод, а также просадке грунта. Загрязнение подземных вод происходит вследствие поступления коммунально-бытовых и промышленных стоков, а также путем просачивания вод в районах свалок. Особенно уязвимы к загрязнению грунтовые воды высокого залегания. Во многих случаях появляется необходимость в разработке мер по контролю и охране подземных вод, в том числе по контролю их санитарного состояния.

Большие возможности комплексного и рационального использования природных вод и их охраны заложены во все шире применяемом в России совместном использовании поверхностных и подземных вод, заключающемся в регулируемом и согласованном водозаборе речных вод и откачке подземных вод, в искусственном восполнении подземных вод и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

а) основная литература:

1. Михайлов, В.Н. Гидрология: учебник для вузов / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов. – М.: Высшая школа, 2008. – 463 с.

б) дополнительная литература:

1. «Водный кодекс Российской Федерации» от 03.06.2008 № 74-ФЗ (принят ГД ФС РФ 12.04.2006) (ред. от 23.07.2008, с изменениями от 24.07.2009).
2. Данилов, В.И. Потребление воды: экологический, экономический, социальный и политический аспекты / В.И. Данилов, К.С. Лосев: Институт водных проблем РАН. – М.: Наука, 2006. – 221 с.
3. Эколого-экономические аспекты эксплуатации подземных вод Обь-Томского междуречья / В.К. Попов [и др.]. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2003. – 174 с.
4. Антропогенные воздействия на водные ресурсы России и сопредельные государства XX столетия / под редакцией Н.И. Коронкевича, И.С. Зайцевой. – М.: Наука, 2003. – 367 с.
5. Попов, В.К. Формирование и эксплуатация подземных вод Обь-Томского междуречья / В.К. Попов [и др.]. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, Изд-во «Печатная мануфактура», 2002. – 143 с.
6. Авакян, А.Б. Рациональное использование и охрана водных ресурсов / А.Б. Авакян, В.М. Широков. – Екатеринбург: Изд-во «Виктор», 1994. – 319 с.
7. Общая гидрология / Б.Б. Богословский [и др.]. – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 356 с.
8. Водные ресурсы СССР и их использование. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 351 с.
9. Желязняков, Г.В. Гидрология и гидрометрия. М.: Высш. шк. 1981. – 250 с.
10. Чеботарев, А.И. Гидрологический словарь / А.И. Чеботарев. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 308 с.
11. Чеботарев, А.И. Общая гидрология / А.И. Чеботарев. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 544 с.
12. Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974. – 636 с.
13. Давыдов, Л.К. Общая гидрология / Л.К. Давыдов, Н.Г. Конкина, А.А. Дмитриева. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973. – 462 с.
14. Калинин, Г.П. Проблемы глобальной гидрологии / Г.П. Калинин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1968. – 377 с.